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亚毫米尺度金属包覆波导的特性和应用研究

吴至境  
【摘要】: 当今基于导波光学的光电子器件研究越来越成为光电子器件研究的焦点。本文提出并研究了一类新型光电子器件——基于金属包覆波导的光电子器件。金属包覆波导由导波层、上下金属包覆层组成,上层金属同时作为耦合层。同时介绍了一种新的波导耦合技术——自由空间耦合技术[1],并且从理论上推导、实验上验证了亚毫米尺度双面金属包覆波导中的超高阶导模[2]具有偏振无关性,强色散性,及对导波层的折射率、厚度以及入射光波长非常灵敏的特性,为下一步的光电子器件研究提供了理论基础。 自上世纪80年代以来,以表面等离子共振(SPR)[3]和光纤技术[4]的小型传感器受到了人们的广泛关注。这类传感器的一个共同特点是待测样品处于共振模(表面等离子波和光波导)的消逝场区域,因此这类传感器也被称为消逝场传感器。因为消逝场会迅速衰减,所以这类传感器的灵敏度不可能超越1的极限值。 根据超高阶导模对芯层参数灵敏的特性,本文提出了基于双面金属波导结构的光波导振荡场传感器。这种传感器的传感介质处于波导芯层,且以超高阶导模为探针。由于其波导芯层处于功率密度极高的振荡场区域,而超高阶导模具有对芯层参数极为灵敏的性质,因此这种新型传感器的灵敏度大大增强。 随着啁啾脉冲放大技术的不断发展,目前人们已经可以在台面大小的尺寸上产生fs级,峰值功率达到100TW的光脉冲[5]。CPA技术的实现过程一般是先使待放大光脉冲通过一个反平行光栅对展宽器[6]~[7],该展宽器提供的正时间延迟色散使光脉冲在时域内拉长,经过放大器放大后,然后再使用可以提供负时间延迟色散的平行光栅对压缩器将脉冲压缩至传输极限脉冲。在整个技术环节中,设计结构合理的脉冲展宽器是极为重要的环节。现在使用的反平行光栅对展宽器虽然可以实现光脉冲时域内展宽的功能,但是它尺寸比较大,而且调节起来也比较困难。 本文利用亚毫米尺度对称双面金属包覆介质波导中超高阶导模的强色散性质,提出一种脉冲展宽的新思路。在亚毫米尺度对称双面金属包覆介质波导耦合系统中,通过自由空间耦合技术,当光脉冲耦合进波导,在波导中将会产生超高阶导模,出射光脉冲可以得到充分的展宽,理论计算表明,1 ps的脉冲在波导中传播1.26mm即可展宽1000倍。


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