光波導(dǎo)波長傳感器和古斯-漢欣效應(yīng)的研究.pdf

1、雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一種特殊類型的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，它對電磁場的約束能力更強(qiáng)，而且導(dǎo)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(jìn)波導(dǎo)。由于金屬作為波導(dǎo)覆蓋層將對傳輸光能量產(chǎn)生吸收，導(dǎo)致波導(dǎo)損耗較大，所以將雙面金屬包覆波導(dǎo)用作反射型器件來克服傳輸型結(jié)構(gòu)損耗過大的缺點。雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在傳感器，濾波器，電光調(diào)制器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本文在前人工作的

2、基礎(chǔ)上，重點探討在雙面金屬包覆波導(dǎo)衰減全反射峰附近增強(qiáng)的古斯?jié)h欣效應(yīng)。同時，我們也分析了雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模的色散性質(zhì)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(jié)構(gòu)和介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳輸機(jī)理，推導(dǎo)了它們的反射率公式和本征方程。由于入射場和波導(dǎo)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(dǎo)的導(dǎo)模傳播常數(shù)的范圍比其他波導(dǎo)結(jié)構(gòu)大的多，這樣就很容易從自由空間將場的能量

3、耦合進(jìn)波導(dǎo)，這種特點對器件的小型化十分有利。本文詳細(xì)介紹了雙面金屬包覆波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模的奇特性質(zhì)和應(yīng)用。這種超高階導(dǎo)模具有偏振無關(guān)，衰減全反射譜分立，對導(dǎo)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(diào)制器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 在本文中，我們詳細(xì)研究了雙面金屬包覆波導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)，它由金屬介電系數(shù)的虛部決定。在此基礎(chǔ)上，通過靜態(tài)相位法，采用弱耦合近似，我們推導(dǎo)出當(dāng)傳播常數(shù)匹配時，波長變化下的雙面金屬包覆波導(dǎo)反射光的側(cè)向位移的簡潔公式。從這個公式可以看出，側(cè)向位移的符號取決于共振模的本征損耗與輻射損耗。當(dāng)本征損耗大于輻射損耗時，側(cè)向位移取負(fù)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(jié)論，并理論得到雙面金屬包覆波導(dǎo)反射光的側(cè)向位移可增強(qiáng)到幾百微米。 本文提出了一種測量雙面金屬包覆波導(dǎo)側(cè)向位移的實驗方法。這種方法基于可調(diào)諧激光器和一維位置靈敏探測器?？烧{(diào)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(dǎo)的上層金屬膜上。波導(dǎo)樣品放置在倍角轉(zhuǎn)臺上。由計算機(jī)編程控制的倍角轉(zhuǎn)臺可以進(jìn)行角度掃描。從波導(dǎo)反射的光首先被光電探測器接收，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斎氲接嬎銠C(jī)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(cè)向位移并不明顯，反射光斑的位置可被視為基準(zhǔn)。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(diào)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(cè)的信號經(jīng)放大得到的輸出電壓輸入到計算機(jī)，對相關(guān)數(shù)據(jù)作計算處理就可獲得所需要的側(cè)向位移值。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)了最高可達(dá)480μm的正的側(cè)向位移和180μm的負(fù)的側(cè)向位移。實

7、驗結(jié)果和理論值符合的很好。接著，基于這種效應(yīng)，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(dá)10-9數(shù)量級，比采用表面等離子共振結(jié)構(gòu)的相關(guān)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(dǎo)超高階導(dǎo)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(dǎo)的最優(yōu)設(shè)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(dá)5×1010m-1。這