亞毫米尺度雙面金屬包覆波導(dǎo)的特性和應(yīng)用研究.pdf

1、隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來,人們迫切要求掌握盡可能多的信息量,因此對(duì)通信速率提出了更高的要求,光纖通信應(yīng)運(yùn)而生.在90年代更是得到了跳越式的發(fā)展.雖然近幾年光纖通訊進(jìn)入了階段性的低谷,但人們對(duì)它的熱情依然未減,各種新想法、新概念層出不窮.近期,自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)和光纖到戶成為了研究熱點(diǎn).這些新想法、新概念的實(shí)現(xiàn)都離不開各類光電子器件的支持. 當(dāng)今的光電子器件百花齊放,有基于光纖的、有基于半導(dǎo)體的、有基于光波導(dǎo)的,它們各有優(yōu)缺點(diǎn),適合于各種不

2、同的場(chǎng)合.目前為止,還沒有哪一種技術(shù)有足夠的優(yōu)勢(shì)來統(tǒng)一整個(gè)光電子器件領(lǐng)域.正是這種百家爭鳴的局面,促進(jìn)著光通訊事業(yè)日新月異地發(fā)展.在本文中,我們提出并研究了一類新型光電子器件--基于雙面金屬包覆波導(dǎo)的光電子器件.具體研究內(nèi)容包括光調(diào)制器、濾波器和其它一些器件的原理設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化和功能演示等.雖然離真正的實(shí)用化和商品化還有一定的距離,但從器件基礎(chǔ)研究和實(shí)現(xiàn)方法探索的角度考慮,相信具有一定的現(xiàn)實(shí)意義. 首先,本文在一般介質(zhì)平板波導(dǎo)的

3、基礎(chǔ)上提出了一種全新的波導(dǎo)概念--雙面金屬包覆波導(dǎo).這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由導(dǎo)波層、上下金屬包覆層組成,上層金屬同時(shí)作為耦合層.根據(jù)雙面金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)模有效折射率范圍比一般介質(zhì)波導(dǎo)大得多,可以從零開始的特性,發(fā)展了一種新的波導(dǎo)耦合技術(shù)--自由空間耦合技術(shù).與其他的波導(dǎo)耦合技術(shù),如棱鏡耦合、光柵耦合等相比,結(jié)構(gòu)簡單,并有一些優(yōu)良的特性.我們從理論上推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了亞毫米尺度雙面金屬波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模具有偏振無關(guān)性,并對(duì)導(dǎo)波層的折射率、厚度以及入

4、射光波長非常靈敏的特性,為下一步的光電子器件研究提供了理論基礎(chǔ). 人們普遍認(rèn)為金屬作為波導(dǎo)覆蓋層將對(duì)傳輸光能量產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收,導(dǎo)致波導(dǎo)的損耗較大,不利于制作實(shí)用型器件.但我們的研究表明,在雙面金屬包覆波導(dǎo)中,金屬可作為控制電極對(duì)波導(dǎo)層施加電場(chǎng)作用.同時(shí)若避免波導(dǎo)傳輸型結(jié)構(gòu),采用反射型結(jié)構(gòu)來控制導(dǎo)波光的能量耦合效率,將能夠很方便地對(duì)反射光的能量進(jìn)行控制,并避免了能量的傳輸損耗.理論表明,隨著導(dǎo)波層厚度的增加,波導(dǎo)的傳輸損耗也迅速下

5、降. 根據(jù)超高階導(dǎo)模對(duì)導(dǎo)波層折射率敏感的特性,我們提出了基于雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的反射型電光調(diào)制器.該器件的結(jié)構(gòu)簡單,僅由上下兩層金屬和導(dǎo)波層三部分組成.金屬層既可作為包覆層又可作為電極.制備工藝非常簡單,加工要求也不高,因此成本相當(dāng)?shù)土?與波導(dǎo)傳輸型電光調(diào)制器相比,本方法制作的反射型電光調(diào)制器的插入損耗很小,因?yàn)楣鈴?qiáng)不需要經(jīng)過傳輸,避免了傳輸損耗.在調(diào)制過程中發(fā)生全反射,入射能量幾乎能全部被反射,相對(duì)于波導(dǎo)傳輸型調(diào)制器5～12dB

6、的插入損耗有了很大的改善.由于器件基于反射原理工作,工作區(qū)域局限于電極的大小,因而獨(dú)立器件的尺寸可以很小.同時(shí)也可以在一塊晶體上集成很多個(gè)調(diào)制器,每一個(gè)調(diào)制器都具有自己獨(dú)立的電極和驅(qū)動(dòng)信號(hào)源,以實(shí)現(xiàn)集成陣列式結(jié)構(gòu).雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器離實(shí)用化、商品化最大的障礙在于其調(diào)制深度還不夠,目前我們用LiNbO<,3>晶體作為導(dǎo)波層達(dá)到12V、13.3﹪的調(diào)制度.但隨著高電光系數(shù)晶體或薄膜材料的發(fā)展,器件的實(shí)用化已經(jīng)提上日程.預(yù)計(jì),該器件

7、會(huì)在接入網(wǎng)、無線光通信、大孔徑激光調(diào)制方面得到應(yīng)用. 另外,根據(jù)高階導(dǎo)模對(duì)入射波長敏感的特性,我們提出了基于雙面金屬包覆波導(dǎo)的光學(xué)濾波器應(yīng)用.光學(xué)濾波器是光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵性器件之一,它在整個(gè)光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,無論是在發(fā)射端、接收端,還是傳輸過程中.本文詳細(xì)介紹了基于亞毫米尺度雙面金屬波導(dǎo)的梳狀濾波器的工作原理,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)器件的性能進(jìn)行了測(cè)試和分析.該梳狀濾波器的通道間隔達(dá)到100GHz,理論上可達(dá)到50GH

8、z,符合ITU標(biāo)準(zhǔn);通道隔離度大于12dB;最小插入損耗小于0.2dB;中心波長、通道間隔可調(diào)諧范圍大;并且具有偏振無關(guān)性.該器件主要應(yīng)用于多波長激光器系統(tǒng)中.此外,雙面金屬包覆波導(dǎo)還可應(yīng)用于窄帶濾波器的研究. 除了在光電子器件中的應(yīng)用外,雙面金屬包覆波導(dǎo)還可用于薄膜參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域.波導(dǎo)中導(dǎo)模的傳播常數(shù)與導(dǎo)波層的厚度以及折射率密切相關(guān),因此可以利用自由空間耦合技術(shù)測(cè)量波導(dǎo)中導(dǎo)模的傳播常數(shù),來同時(shí)求得導(dǎo)波層薄膜的折射率及厚度.由于雙