收藏本站
《吉林大学》 2004年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

平面光波导表征技术及离子交换玻璃波导的制备

韦珏  
【摘要】:上世纪六十年代末,在激光技术发展过程中,由于传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难,不能适应光通信、光学信息处理等的需要,人们开始希望像集成电路一样实现光路集成,通过近几十年的努力,一些研究成果已经在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用,并形成了一门光学和薄膜电子学交叉的新学科——集成光学。集成光学的应用领域是多方面的,除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外,导波光学原理、薄膜光波导器件,还在向其他领域,如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。由于集成电子学的示范效应,使得各国科学家纷纷选择最有潜力的发展方向,不断的发展和完善各种集成光学器件。人们预计,集成光学会像集成电子学一样,将引起信息技术发展的深刻变革。 光波导是集成光路的基础,是大量光信号快速传输的载体,作为集成光学器件中用以限制和传导光的元件,其实质是波导区介质的折射率 WP=133 比波导区外其他介质的折射率都要高,因此,能将光波限制在波导区中传播。而其中平面光波导不仅是集成光学器件的重要组成部分,其参量的表征还可以为条形波导的制作提供必要的参考。 本论文首先综述了光波导所涉及的内容及研究现状,具体包括光波导的制备方法、表征手段以及光波导的应用等方面。较为详尽的总结了涉及平面光波导的WKB分析方法、模式本征方程以及平面光波导的耦合等内容。本论文的主要研究工作始于平面光波导的表征,完成了平面光波导折射率分布及损耗测量方法的改进。在BK7以及Er3+/Yb3+共掺玻璃上实现了Ag/Na离子交换波导的制作,并对工艺参量的影响进行了研究。具体研究结果包括以下几个方面: 平面光波导折射率分布的测定 利用棱镜耦合原理与改进的反WKB理论,实现了多模及少模平面光波导折射率分布的测定。其中少模波导的测量仅使用单个激光器,在棱镜耦合法测量有效折射率的过程中,同时改变偏振态及耦合间隙折射率。不同情况下的WKB模式本征方程应写成如下形式, (1) 式中, , 表示相应偏振态mt(TE或TM)及耦合间隙折射率 时第m阶模的转向点 处的有效折射率, 为波导表面折射率, =1(TE模)或 (TM模), 是入射光波长。 为了利用四组数据拟合同一TE偏振模式及空气耦合间隙条件下的有效折射率函数,需要引入有效模阶数 , WP=134 (2) 由上式可以将原来不同条件下有效折射率对应的模阶数化为相互关联的模阶数,因而,处理后的所有数据应满足同一模式本征方程,(1)式可表示为 (3) 式中 可看作是 的连续函数,可以通过迭代的方法求出,而所有测得的有效折射率值则是该函数上分离的点。对于单模平面波导,除测得的四个有效折射率值以外,也可将衬底折射率作为参考条件下最小模有效折射率以增加拟合函数的准确性。一旦构造出有效折射率函数,则可以利用数值处理方法通过求解本征方程式(3)得到波导的折射率分布曲线。 为了验证该方法的可行性,我们分别给出了高斯分布和余误差分布两组曲线的数值模拟结果以及Ag/Na离子交换玻璃波导的实验测定结果。两组数值模拟结果表明,该方法所拟合出的曲线与原曲线非常吻合,在表面处折射率误差分别为各自最大折射率差的0.8%和3.35%。在利用该方法对两个模Ag/Na离子交换玻璃波导表征的同时与其它方法所得到的结果加以比较,同样吻合较好。在此基础上,实现了单模Ag/Na离子交换玻璃波导折射率分布的测定。该方法操作简便,测量准确,在集成光学器件的设计和制作中有着很大的应用前景。 平面光波导损耗的测量 主要采用一个对称棱镜和一个直角棱镜分别作为输入和输出耦合实现了光波导损耗的测量,测量过程中对称棱镜位置不变,直角棱镜固定在波导样品上且随波导样品一起滑动,只需调节对称棱镜夹具上的螺钉 WP=135 以控制耦合间隙。 图1平面光波导损耗测量的实验原理图 平面光波导损耗测量的实验原理如图1所示。实验中所用对称棱镜和直角棱镜有相同的底角和折射率,它们的作用分别是对称棱镜将激光束耦合入波导进行传输而直角棱镜则把波导内传输的光耦合出波导。假设一束激光以入射角θ射入对称棱镜,当入射光线在棱镜和波导间隙中沿Z方向上的相速度与波导中第m(m=0,1,2,…)个模式在Z方向上的相速度满足相位匹配条件时,波导中两棱镜耦合点处功率可分别表示为 (4) (5) 式中,所有带下标m的参量均指m阶导模所对应的值, 和 分别是对称棱镜和直角棱镜的耦合系数; 是棱镜-空气界面的透过率,其大小可以由Fresnel透射系数公式求出; 是对称棱镜的反射功率而 则是 WP=136 不满足相位匹配条件时的反射功率; 是直角棱镜的透射功率。 和 有如下关系 (6) 其中 是m阶模所对应的损耗系数,Z1是指两耦合点的距离。如果我们保证对称棱镜位置不变,而直角棱镜固定在波导样品上且随波导样品一起滑动,即两耦合点的距离由Z1滑至Z2,则可以得到一组相似的关系式 (7) (8) (9) 可以通过调节对称棱镜夹具上的螺钉以控制耦合间隙来保证
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN252

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王靖华,周大安,张荣改;SiO_2薄膜上的溅射玻璃平面光波导[J];北京工业大学学报;1984年03期
2 ;光波导参数、测试及设备[J];中国光学与应用光学文摘;1998年05期
3 韦珏,徐晓峰,耿和平,康智慧,姜云,高锦岳;平面光波导折射率分布的测定[J];光子学报;2005年04期
4 吕雅利;胡学娟;;基于平面光波导技术的阵列波导光栅发展概况[J];激光与光电子学进展;2009年11期
5 刘淑平,贾跃虎;SOI平面光波导有效折射率的计算及其波导层厚度的设计[J];半导体杂志;1997年03期
6 张祖妤;钟保安;;阶跃折射率介质薄膜平面光波导研制报告[J];北京邮电大学学报;1981年02期
7 ;集成光学 集成光学、波导理论[J];中国光学与应用光学文摘;2004年05期
8 赵士龙;徐时清;王宝玲;胡丽丽;;Ag~+-Li~+离子交换制作Er~(3+)/Yb~(3+)共掺磷酸盐玻璃平面光波导(英文)[J];光子学报;2008年04期
9 ;光波导材料与制备[J];中国光学与应用光学文摘;2002年01期
10 饶春芳,叶志清,邓海东;平面光波导用于实时测试生化反应新方法的研究[J];光学技术;2004年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 苏坚林;;平面光波导分路器温度特性研究[A];中国通信学会2010年光缆电缆学术年会论文集[C];2010年
2 欧阳桂仓;刘学军;刘刚;徐荣辉;叶志清;;离子交换渐变折射率平面光波导的折射率分布的确定[A];2007年全国第十六届十三省(市)光学学术会议论文集[C];2007年
3 谭杨;董宁宁;孔艳霞;陈峰;马宏骥;;O~(3+)注入Nd:YLF晶体形成平面光波导的特性研究[A];2008年全国荷电粒子源、粒子束学术会议暨中国电工技术学会第十二届电子束离子束学术年会、中国电子学会焊接专业委员会第九届全国电子束焊接学术交流会、粒子加速器学会第十一届全国离子源学术交流会、中国机械工程学会焊接分会2008年全国高能束加工技术研讨会、北京电机工程学会第十届粒子加速器学术交流会论文集[C];2008年
4 孔艳霞;谭杨;董宁宁;陈峰;;H~+注入Nd:YAG的平面光波导的特性研究[A];2008年全国荷电粒子源、粒子束学术会议暨中国电工技术学会第十二届电子束离子束学术年会、中国电子学会焊接专业委员会第九届全国电子束焊接学术交流会、粒子加速器学会第十一届全国离子源学术交流会、中国机械工程学会焊接分会2008年全国高能束加工技术研讨会、北京电机工程学会第十届粒子加速器学术交流会论文集[C];2008年
5 陈叙;李锡华;赵龙;李霞;王明华;;电场辅助扩散对玻璃离子交换波导的影响[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年
6 雷明凯;王辉;朱振华;王兴军;;微米宽度的反应离子刻蚀氧化铝薄膜研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
7 雷明凯;王辉;朱振华;王兴军;;微米宽度的反应离子刻蚀氧化铝薄膜研究[A];2005年中国机械工程学会年会第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
8 胡江;雷非;周锡康;;可重构光分插复用(ROADM)技术的分析与研究[A];2007通信理论与技术新发展——第十二届全国青年通信学术会议论文集(上册)[C];2007年
9 刘秀红;赵金花;王雪林;杜纪富;黄宁康;;氧离子注入近化学剂量比铌酸锂晶体波导的特性研究[A];2008年全国荷电粒子源、粒子束学术会议暨中国电工技术学会第十二届电子束离子束学术年会、中国电子学会焊接专业委员会第九届全国电子束焊接学术交流会、粒子加速器学会第十一届全国离子源学术交流会、中国机械工程学会焊接分会2008年全国高能束加工技术研讨会、北京电机工程学会第十届粒子加速器学术交流会论文集[C];2008年
10 雷明凯;王辉;朱振华;王兴军;;微米宽度的反应离子刻蚀氧化铝薄膜研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 卢庆儒;高速光纤传输应用中元件技术趋势(3)[N];电子资讯时报;2007年
2 记者 涂亚卓通讯员 黄维佳;武汉邮科院专利获中国优秀奖[N];湖北日报;2008年
3 夏媛;武汉光谷4企业摘得5项大奖[N];中国知识产权报;2008年
4 本报记者 于尚民;高速器件与特殊光缆成主流[N];通信产业报;2010年
5 小安;武汉邮科院被命名为国家首批“创新型企业”[N];中国电子报;2008年
6 ;武汉邮科院入选国家首批“创新型企业”[N];人民邮电;2008年
7 杨志杰 于尚民;俊知传感:引领物联世界[N];通信产业报;2011年
8 吴映红;光纤放大器的宽带化[N];中国电子报;2001年
9 ;近期光通信技术的重大进展回顾[N];人民邮电;2004年
10 本报记者 徐恒;天通:拓宽磁性材料产业链[N];中国电子报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 韦珏;平面光波导表征技术及离子交换玻璃波导的制备[D];吉林大学;2004年
2 衣云骥;聚合物平面光波导集成技术的基础研究[D];吉林大学;2012年
3 李明;基于平面光波导技术的光分插复用器的研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2005年
4 赵金花;离子注入光学晶体波导结构的特性研究[D];山东大学;2011年
5 刘春晓;离子注入光学玻璃光波导的制备和特性研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2012年
6 王文辉;基于绝缘体上的硅材料的刻蚀光栅式分波合波器研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2004年
7 王喆超;硅基光子无源集成器件以及混合集成平台的研究[D];浙江大学;2010年
8 焦扬;离子注入与离子束刻蚀制备平面和条形光波导的研究[D];山东大学;2007年
9 文泓桥;光栅型平面光波导波分复用器件的研究[D];浙江大学;2005年
10 查英;基于PLC技术的硅基二氧化硅矩阵光开关的研究[D];天津大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王鹏飞;Cu~+-Na~+离子交换玻璃波导的制备及特性研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2003年
2 李罡;平面光波导与阵列光纤对准算法与工艺研究[D];中南大学;2010年
3 杨天夫;基于聚合物材料的平面光波导生化传感器[D];吉林大学;2010年
4 朱延灵;平面光波导分路器的耦合封装研究[D];大连理工大学;2012年
5 华斌;ZrO_2—SiO_2二元系统平面光波导材料的制备与性能表征[D];浙江大学;2003年
6 梁宇雷;平面光波导损耗测试[D];吉林大学;2004年
7 吴嫦;缺锂铌酸锂钛扩散平面光波导的制备及光学表征[D];天津大学;2010年
8 陈婉珺;离子交换玻璃基光波导研究[D];华中科技大学;2007年
9 贾凌华;Ag-Na离子交换玻璃波导传输损耗的测量及条形波导的制备研究[D];吉林大学;2008年
10 邱枫;Ag-Na离子交换单模平面波导折射率分布及Cu离子交换波导的光致发光特性研究[D];吉林大学;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026