光波導波長傳感器和古斯-漢欣效應的研究.pdf

1、雙面金屬包覆波導結構是一種特殊類型的光波導結構。與傳統(tǒng)的介質波導結構相比，它對電磁場的約束能力更強，而且導模的有效折射率范圍更大，可從零開始，這樣，不用借助于棱鏡或光柵等耦合器件，從自由空間就可以將電磁場能量耦合進波導。由于金屬作為波導覆蓋層將對傳輸光能量產(chǎn)生吸收，導致波導損耗較大，所以將雙面金屬包覆波導用作反射型器件來克服傳輸型結構損耗過大的缺點。雙面金屬包覆波導結構在傳感器，濾波器，電光調制器等領域獲得了廣泛的應用。本文在前人工作的

2、基礎上，重點探討在雙面金屬包覆波導衰減全反射峰附近增強的古斯?jié)h欣效應。同時，我們也分析了雙面金屬包覆波導超高階導模的色散性質并提出一種實現(xiàn)波長傳感和穩(wěn)定的新方法。 本文介紹了電磁場在激發(fā)表面等離子波結構和介質波導結構中的傳輸機理，推導了它們的反射率公式和本征方程。由于入射場和波導內(nèi)本征場之間要實現(xiàn)模式耦合，所以常用棱鏡實現(xiàn)傳播常數(shù)的匹配。而雙面金屬包覆波導的導模傳播常數(shù)的范圍比其他波導結構大的多，這樣就很容易從自由空間將場的能量

3、耦合進波導，這種特點對器件的小型化十分有利。本文詳細介紹了雙面金屬包覆波導中的超高階導模的奇特性質和應用。這種超高階導模具有偏振無關，衰減全反射譜分立，對導波層厚度、折射率和波長的變化靈敏以及慢波特性，在窄帶濾波器，梳狀濾波器，溶液濃度傳感器，位移和加速度傳感器，電光調制器等領域獲得了廣泛的應用。 在本文中，我們詳細研究了雙面金屬包覆波導的損耗特性，包括輻射損耗和本征損耗，基于一階微擾方法推導出了它們的定量公式。輻射損耗來源于耦

4、合層的厚度有限，電磁場可以通過消逝場和外界交換能量，它由耦合層金屬膜的厚度決定。本征損耗來源于金屬包覆層的吸收性質，它由金屬介電系數(shù)的虛部決定。在此基礎上，通過靜態(tài)相位法，采用弱耦合近似，我們推導出當傳播常數(shù)匹配時，波長變化下的雙面金屬包覆波導反射光的側向位移的簡潔公式。從這個公式可以看出，側向位移的符號取決于共振模的本征損耗與輻射損耗。當本征損耗大于輻射損耗時，側向位移取負值，反之為正，并且本征損耗與輻射損耗之差越小，古斯?jié)h欣位移的絕

5、對值就越大。我們通過高斯光束法驗證了這個結論，并理論得到雙面金屬包覆波導反射光的側向位移可增強到幾百微米。 本文提出了一種測量雙面金屬包覆波導側向位移的實驗方法。這種方法基于可調諧激光器和一維位置靈敏探測器。可調諧激光器所發(fā)出的激光經(jīng)過分束鏡和小孔，入射在待測光波導的上層金屬膜上。波導樣品放置在倍角轉臺上。由計算機編程控制的倍角轉臺可以進行角度掃描。從波導反射的光首先被光電探測器接收，并轉變?yōu)殡妷盒盘栞斎氲接嬎銠C數(shù)據(jù)采集卡中。選

6、擇入射角度，使得在相鄰的吸收峰之間反射率最大。由于偏離共振條件，在這個角度側向位移并不明顯，反射光斑的位置可被視為基準。然后將光電探測器從光路中移開，同時不改變?nèi)肷涔饨?，讓反射光直接垂直入射到位置靈敏探測器的中心。通過調節(jié)激光器的溫度改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL，位置靈敏探測器兩側的信號經(jīng)放大得到的輸出電壓輸入到計算機，對相關數(shù)據(jù)作計算處理就可獲得所需要的側向位移值。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)了最高可達480μm的正的側向位移和180μm的負的側向位移。實

7、驗結果和理論值符合的很好。接著，基于這種效應，我們提出了一種新的測量溶液濃度的方法。這種方法的分辨率理論上可達10-9數(shù)量級，比采用表面等離子共振結構的相關方法的分辨率高一到兩個數(shù)量級。 本文還提出了一種基于雙面金屬包覆波導超高階導模測量波長微小變化的傳感器，并在高斯光束下分析和討論了它的靈敏度，計算了波導的最優(yōu)設計參數(shù)。這種傳感器可以獲得很窄的反射吸收峰，其靈敏度顯著高于傳統(tǒng)的波長探針，實驗中測得靈敏度達5×1010m-1。這