周期微结构中光传播特性分析及光全息聚合制备波导光栅的实验研究

摘要

若将不同介电常数的介电材料构成周期性结构，光波受到周期性结构的布拉格散射，有可能形成光子能带(Photonic band)和光子带隙(Photonic bandgap)；具有光子带隙的空间周期性介电结构就是光子晶体(Phomic crystals)。光子带隙的存在使得光子晶体在光通信、集成光学及新型光电功能器件等领域具有广泛的应用前景，如：高性能反射镜、光子晶体光波导器件、光子晶体微腔、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜等。通过理论分析和计算得出产生光子带隙的结构和参数，这对光子晶体的制备具有重大的指导意义。 在光通信及集成光学中，光波耦合器是关键器件之一。传统的光波耦合器件主要有棱镜耦合器和反射耦合器等。前者需要精密调整，且一般情况下棱镜体积较大，不利于集成和微型化；后者则需要在波导层中制备高反射率的反射面，对制作技术和工艺要求很高，这些都影响了它们的应用。而一种特殊的一维光子晶体——波导光栅，作为光波耦合器时，与它们相比则具有表面平整、不受折射率限制、体积小、易于集成等优点。因此，波导光栅在光通讯与集成光学中具有诱人的应用前景。分析具有不同结构参数的波导光栅耦合器的耦合特性，对提高其耦合效率、指导其制作和拓展其应用具有十分重要的意义。近年来，随着对聚合物材料研究的深入，聚合物波导和波导光栅研究引起了许多研究者的关注，提出了制作聚合物波导光栅的新方法，如激光双光子聚合法、光全息聚合法等。 基于上述原因，本文主要开展了以下几个方面的研究工作： 1．运用模耦合理论分析了几种不同光栅结构的波导光栅耦合器的耦合特性 在第二章中，通过求解麦克斯韦方程组推导了平板光波导中传播的不同模式的电场表达式。 在第三章中，首先利用麦克斯韦方程推导出了理想波导模式中和微小畸变的波导模式中的模式耦合振幅方程以及模式耦合振幅系数。接着利用上述结果，首先分析了用激光双光子聚合法制作的新型矩形结构波导光栅耦合器的耦合特性，得出了损耗系数随结构参数的变化曲线；并与传统矩形结构波导光栅耦合器的耦合特性进行了比较，得出了其相同之处与不同之处。最后本文还分析了梯形结构和对称三角形结构的波导光栅耦合器的耦合特性，并将得出的结果与已有文献报道的结果进行了比较。2．运用非正交时域有限差分法分析光波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性 在第四章首先简述了非正交时域有限差分法的基本原理，并推导了非正交时域有限差分法的基本方程，然后又对该方法的特性进行了分析，最后运用该方法通过编写程序分析出了二维三角晶格光子晶体中的光子能带分布和能态密度变化，其结果与已有文献中的分析一致。 3．光全息聚合法制备聚合物波导光栅耦合器的实验研究 在第五章中首先用离子交换法制备出了制作波导光栅耦合器时所需要的平板玻璃光波导，并利用双棱镜耦合法测量了其参数；然后又具体分析了光全息聚合法制备聚合物光栅的实验过程，在进行聚合实验之前，首先测定了聚合材料的折射率和透射光谱：然后根据我们提出的方法对该聚合材料的曝光一聚合特性进行了分析测量，实验结果表明了该方法原理正确、方法可行；最后，基于本文所测得的材料的曝光一聚合特性，采用光全息聚合方法在平板玻璃光波导上成功地制作出了表面浮雕型波导光栅，并对其耦合特性进行了初步地实验观测，实验观测结果证实了用光全息聚合方法制作波导光栅耦合器的可行性。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章引言

第二章平板光波导中的电场分布

第三章运用模耦合理论分析聚合物波导光栅耦合器的耦合特性

第四章运用非正交时域有限差分法分析光波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性

第五章光全息聚合法制备聚合物波导光栅耦合器的实验研究

全文总结

参考文献:

致谢

攻读硕士学位期间所发表/待发表的论文