（光学专业论文）双面金属包覆介质波导的直接耦合方法.pdf

双面金属包覆介质波导的直接耦合方法 摘要 本文根据双面金属包覆介质波导的导模有效折射率有可能小于空气的折射率的 色散特性，首次提出了在不用棱镜、光栅和其他器件的情况下将光束直接射向波导表 面，在入射光波矢与导模传播常数匹配情况下，实现光能与导模能量的耦合的方法。 ，这种耦合方法既可免除棱镜耦合带来的不便，又可省却光栅耦合器的制备困难，但却 兼有棱镜耦合器的优点，从而大大降低了耦合结构的复杂程度，节约了成本研究采 用双面金属包覆介质波导是一种三层结构，中间层为介质波导，上下两层为金属，实 验之前对实验结果进行了理论模拟，并给出了实验的合理参数。在此基础上，制各了 金属一有机薄膜一金属一衬底和金属一载玻片一金属两种结构的双面金属包覆介质 波导，并利用角度扫描的方法得到了衰减全反射血线，实验结果与理论模拟符合的很 好。双面金属包覆介质波导的直接耦合方法可以方便地激发有效折射率小于空气的折 射率的超高阶膜，超高阶模有一些特殊的性质，如t e t m 模式有效折射率相等，有效 折射率对波长及波导介质层厚度和折射率敏感等等。根据这些特性提出了薄片厚度测 量、偏振无关的反射式电光调制器、衰减器和高灵敏度波导传感器等的实现方案，并 进行了实验。 关健词直接耦台i 光波导；色散特征i 厚度测量，滤波器 d i r e c t c o u p l i n g f o rd o u b l e m e t a l - c l a d d i n gw a v e g u i d e s a b s t r a c tb a s e do nt h ed i s p e m i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd o u b l em e t a l c l a d d i n g w a v eg u i d e s ，an o v e lc o u p l i n gm e t h o d w h i c hi sf r e ef r o mu s i n gt h ep r i s m ，t h e g r a t i n g a n do t h e rc o u p l i n ge l e m e n t si s d e v e l o p e d t h ed o u b l em e t a l - c l a d d i n g w a v e g u i d ei n t h e e x p e r i m e n t i sam e t a l - d i e l e c t r i c - m e t a lt h r e e l a y e r s t r u c t u r e t h e o r e t i cs i m u l a t i o n sm a d eb e f o r ee x p e r i m e n t s g i v es u g g e s t e de x p e r i m e n t a ld a t a b yu s i n ga t rs c a n n i n g m e t h o dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a g r e ew e l l w i t h t h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n t h e d i r e c tc o u p l i n gm e t h o dh a sn od i f f i c u l t yo fg r a t i n g f a b r i c a t i o np r o c e s si ng r a t i n g c o u p l i n gm e t h o d n od i f f i c u | t yo fg a pa d j u s t m e n ti n p r i s mc o u p l i n gm e t h o d b u t t h ea d v a n t a g eo fp r i s mc o u p l i n gm e t h o d t h ep r o p e r t y o fh i g h e rm o d ei sa l s od i s c u s s e d m a n yu s e f u ls t r u c t u r e s u s i n gd i r e c tc o u p l i n g m e t h o dh a db e e n d e v e l o p e d k e yw o r d s d i r e c t c o u p l i n g ，o p t i c a lw a v e g u i d e s ，d i s p e m i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i c k n e s sm e a s u r e m e n t ，o p t i cf i l t e r 引言 引言 自导波光学问世以来，由于它在未来信息社会巨大的应用潜力，一直受到学 术界和技术界的高度重视。经过三十余年的发展，今天己初步成为一门体系完整 的学科。以导波光学为理论基础的光纤技术、平面型光波导技术、集成光电回路 及集成光路技术获得了迅速的发展。半导体薄膜激光器、电光波导调制器和多路 光电开关等一大批实用化光电元器件正在通信系统中越来越多地发挥着重要作 用。 导波光学器件的基本元件是光波导。在一些需要金属电极的集成光学元器件 中，光仍以导波形式约束在无吸收的介质中传输，金属仅作为包覆层或外包覆层 出现，这类结构称为金属包覆或金属外包覆介质波导。近年来，金属包覆的介质 光波导在集成光学领域中引起了人们较大的兴趣。一个原因是许多集成光学元器 件的实际需要，如在某些电光器件中，需要把射频场加到载有导波的介电介质中 去，为此需要在介质导波中沉积一层金属膜或在金属薄膜基底上淀积介质波导层。 另外，如薄膜激光器和光波导探测器的电极、声一光波导调制器等也需要金属膜层。 此外，金属薄层还可防止来自基板杂散光干扰并可帮助散热。另一个原因则是由 金属的光学性质决定的。在低频条件下，金属可看作是理想的导体。在紫外区域 电子等离子体振荡的响应，使得金属无法在光频范围内仍然保持是良好的导体， 但仍可以制成低损耗的金属波导和金属包覆介质波导。在可见光和近红外区域， 对一般的贵金属来说( 如金、银、铝等) ，其复介电常数的实部相对其虚部来说， 往往是一个较大的负数。由于金属独特的光学性质，金属电极的制备将极大地改 变介质波导的色散性质。金属和介质的界面处可传输表面等离子波，使夹于两介 质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的 独特性质，例如，有效折射率的存在范围大、同一阶次的t e 模和t m 模的有效折 射率差较大，具有场的增强效应等。对这些现象的深入研究丰富了传统导波光学 的研究内容，还使金属介质波导不仅在光波导器件机理的探索( 如用金属包覆介 质波导制作偏振器、滤波器和调制器等) ，而且在非线性光学和生物分子学( 如生 物传感) 等领域获得日益广泛的应用。 引言 在集成光学中，需要把激光束的能量转换成介质薄膜光波导或光纤中的导模 的能量，或反之，把光波导中导模的能量转换成出射光束的能量，这些问题均涉 及到光束的耦台。实现这一转换功能的器件即为光束祸合器光束耦合器是也光 波导器件实验中必不可少和非常重要的观测手段。目前常用的有棱镜耦合 0 1 、 光栅耦合 o 一2 、端面耦合 0 - 3 和劈形耦合 o 一4 等方法。棱镜耦合虽不利于集成 化，但利用该方法可以测量波导的参数。这一方法至今仍在实验室中普遍使用。 光栅耦合利于集成，但复杂的制备技术和低的耦合效率阻碍了这种方法的广泛使 用。端面耦合和劈形耦合也各有其优缺点和适用的波导范围。 对称金属包覆介质波导( 双面金属包覆介质) 波导近年来己在电光波导调 制器和电光系数的测量等领域获得了广泛的应用 o 一5 0 - 6 。双面金属包覆介质 波导同其它波导一样，也可利用棱镜、光栅等祸合方法来激发导模。双面金属包 敷介质波导具有一个特殊的性质，其导模有效折射率存在范围比任何全介质波导 和非对称金属包覆介质波导都大，且有可能小于光在空气中的折射率。利用这个 特点，本文首次提出了将光束直接射向波导表面，在入射光波矢与导模传播常数匹 配情况下，实现光能与导模能量的耦合的直接耦合方法。在此基础上，制各了金 属一有机薄膜金属一衬底结构的双面金属包覆介质波导，并利用角度扫描的方 法得到了衰减全反射曲线，实验结果和理论符合得很好。并进一步对双面金属包 覆介质波导中的模式进行了讨论。当入射角度比较小的时，模式阶数很高，t e t m 模的有效折射率近似相等。模式的耦合和偏振无关，利用这个特性可以制作偏振 无关的衰减器。另外高阶模的a t r 曲线对波长和介质层厚度非常敏感，利用这些 特性可以制作窄带滤波片进行厚度精确测量等等导波层的厚度等应用。这种偶 合方法预计会有广泛的应用前景。 第一章介质平板波导的耦合方法 第一章介质平板波导的耦合方法 介质光波导是在光波导器件和集成光路中用以限制和传播光的元件，在集成光学 中，需要把激光束的能量转换成介质薄膜光波导或光纤中的导模的能量，或反之，把 光波导中导模的能量转换成出射光束的能量，这些问题均涉及到光束的耦合。实现这 一转换功能的器件即为光束耦合器。光束耦合器是也光波导器件实验中必不可少和非 常重要的观测手段。本章讨论介质光波导的传统耦合方法。 1 1 介质平板波导的模式本征方程及其耦合条件 z 图1 1 介质平板波导 考虑图1 4 所示的非对称平板波导结构，其中薄膜的折射率为n ，衬底和覆盖 层的折射率分别为n 2 和1 13 ，且设n i 1 32 n3 其模式本征方程为 对t e 模： 对t m 模： 其中： 南= 聊石+ 庐1 2 + 庐1 3( m = 0 ，1 2 )( 1 1 ) 卉2 = t a n 一1 ( - - p ) r 矗3 = t a n 一1 ( 里) r 协伽- 瞄p l 忙一却 ( 1 2 ) ( 1 _ 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 第一章介质平板波导的耦合方法 卢= k o n l s i n o 盯= k o n lc o s 0 = ( k 2 0 n ? 一2 ) “2 q = ( 2 一i ；挖；) 2 p = ( 卢2 一2 n 2 2 ) 1 7 2 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 式1 1 中，m 为模序数，它取从零开始的有限个正整数。根据菲涅耳公式，一2 矗： 是光在导波层一衬底界面上的全反射相移，而一2 凼，是光在导波层一覆盖层界面上的 全反射相移。j c 和b 分别是波矢正的x 分量和z 分量，2 r d a 是光从导波层衬底界面传 播到导波层一覆盖层界面再返回所历经的位相变化。2 v d a 与两界面上的全反射相变累 加起来，就是光线传播返回所历经的位相变化。为了达到相干加强( 谐振) 的结果， 这个相移的累加总和必须是2z 的整数倍。 模式本征方程的未知数是p 或0 。对于给定的m ，一定有p 。或0 。与之对应。p 。 叫作r l l 阶导模的传播常数，0 。叫作m 阶导模的模角。上述方程也可以表示成光频c o 与 传播常数b 的关系，故上式也称为平板波导的色散方程。由( 1 1 ) 式可以看出，导模 的传播常数b 介于平面波在衬底和薄膜的波数之间，即有 k o n 2 k 0 1 为了方便，定义波导的有效折射率 n ：旦：n 1 s i n 0 k o n 又可称为模折射率或模指数，根据( 1 1 0 ) 式， ”2 n ”l ( 1 10 ) ( 1 1 1 ) 可知它的取值范围是 ( i 1 2 ) 三层平板波导是一个类透镜介质，它具有使光波聚焦进薄膜的自然倾向。由于波 导薄膜的折射率大于覆盖层和衬底介质的折射率，因而光导波是一种慢波。这表明在 衬底和覆盖层介质中的光波不可能直接耦合成为光导波；反过来，光导波也不可能成 为衬底和覆盖层介质中的辐射波。按照波导的势阱模型，波导薄膜对应于势阱，而覆 盖层和衬底对应于势垒，这两个向无限远伸展的势垒保证了光导波无损耗( 不考虑介 质的吸收和散射) 地传输。 在集成光学中，需要把激光束的能量转换成介质薄膜光波导或光纤中的导模的能 量，或反之，把光波导中导模的能量转换成出射光束的能量，这些问题均涉及到光束 的耦合。实现这一转换功能的器件即为光束耦合器。光束耦合器是也光波导器件实验 2 苎二兰坌堕! 堡壁! 竺塑鱼查鳖 _ - _ _ 一一 中必不可少和非常重要的观测手段。 一般来说，为了有效地把光从一种介质耦合到另一种介质，必须满足的条件是在 两耦合介质中传播常数必须相等。即耦合介质中的传播常数b 。必须等于波导中的传 播常数 风= 以 ( 1 1 3 ) 由式( 1 1 0 ) 可知，光在全介质波导中的有效折射率大于衬底和覆盖层中的折射 率。光不可能从衬底或覆盖层中直接耦合进波导。可能实现的方法必须是端面耦合或 者借助其它结构。 1 2 平板波导的耦合方式 最常见的光束耦合方式有端面直接耦合、楔形薄膜或楔形光纤辐合、光栅耦合、 棱镜耦合等等。 脯鹦笋孱恹赫布 蹶k 持二 4 ) 囊邗底曲螭面一取( 6 秘嚏罐碰坦柱树窿中 图1 2端面耦合 薄膜波导的端面耦合是最简单的光束耦合方式，两种端面激励方式示于图1 1 一种方式是激光束经过透镜汇聚后直接射向薄膜端面，另一种方式是把薄膜一端埋 入讨底中，激光束由衬底射向薄膜端面。前一种方式需要严格抛光的薄膜端面( 或解 理面) 以防止由薄膜端面不光滑引起的过量散射损失，第二种耦合方式避免了这一缺 点，其输入耦合效率较前一种方式容易提高。 为了使入射光束的更多能量转换成薄膜波导的导模能量，入射光束和导模在薄 膜人射端面处的场分布一定要匹配。只要入射光束和基模的场分布稍有失配，则入 射光束的大部分能量就会散射给辐射模或转换给不希望有的高阶导模。一般，t e 基 模的场分布与高斯光束的场分布十分相似。因此，利用高斯光束并适当减小其束腰。 使它的场分布尽可能与基模一致，以及利用适当形状的透镜实现所要求的场匹配， 第一章介质平板波导的耦合方法 原则上有可能达到较高的输人耦合效率。但是，由于薄膜厚度只有微米甚至亚微米 数量级，所以激光来要准确地对准端面，便要求透镜和激光束的光轴与端面保持极 为严格的准直，因此微调工作极为困难，是属于显微操作。加之薄膜输入端面会引 起不可避免的散射损耗因此实际输入耦合效率只能达到6 0 。如果薄膜非常薄，则 输入耦合效率显著降低，以致观察不到薄膜中传播的光波。端面激励虽不是理想的 光束耦合方式，但是至今在一些光波导器件的实验中仍然在使用。没有光学工作台 而要保持对准是很困难的，这就限制了端面耦合的实际应用。 1 2 2 楔形薄膜偶合 楔形薄膜耦合器是把薄膜波导一端制成楔形薄膜区域而构成的，光束的耦合过程 就在楔形薄膜内完成。楔形薄膜耦合器的原理是低于截止条件的波导将能量转化成辐 射模。 攥璎薄鹰 麈一柬 例l _ 3楔形薄膜祸台 图1 3 是楔形薄膜输出耦合的示意图。平板波导的薄膜厚度d 从z 。点开始逐渐 减薄，直到z b 点薄膜厚度减至零。一个导模从点进入楔形薄膜区域内传播时，当它 传播至薄膜厚度等于该导模截止厚度的z a 点处就开始转换成衬底模并e h 衬底输出。 从导模的锯齿光线观点看，进人楔形薄膜区域的导模光线在上下界面之间每往返 次，它在下界面的人射角就减少2 a ( 口是换形薄膜的顶角) 。经多次反射，光线在下 界面的入射角等于全反射临界角，光线开始折射人衬底中。以后的光线的能量也按同 样的方式折射出波导，所以可以得到高至7 0 的耦合效率，其所损失3 0 的能量大部 分是在波导接近截止点时，散射成为空气辐射模。到达截止点后，约在8 个真空波长 距离内，波导模就全部耦合出来。 这种楔形耦合器的最大优点是制作简单，并且作为输出耦合器时性能也相当好但 是，它的输出是发散光束，发散度随楔形器而定，一般是在1 2 0 的角度范围内。使 用发散光束多少是有些不方便的。原则上楔形耦合器也可作为输入耦合器，然而，要 获得高的耦合效率就必须构造一个会聚光束，它是图1 3 所示的发散光束的倒逆光 束。由于实际上难以得到这类会聚光束，所以将楔形耦合器用作输入用合器时一般只 能得到非常低的耦合效率。楔形耦合器的最大缺点是无法耦合准直光束。 4 第一章舟质平扳波导的耦台方法 1 2 3 棱镜耦合器 只有当波导的横截端面露在外部，才有可能使用横向耦合。有时必须将光线耦合 到隐埋在集成光路内而只有表面露出来的波导里面去。可以设想，以某倾角将光线聚 焦在波导的表面，但这样却遇到了一个基本问题，为了实现耦合，在波导和光束内的 波传播相速度在z 方向的分量必须相等，因而必须满足位相匹配条件，即要求 芦s = p 。= k o n i s i n 8 m 然而。在第二章中已经给出，波导模应符合以下条件 k o n 2 11。巴苞 5 4 3 2 1 0 言uo甚节一x芑m!。墨80 u 0 巷c # x a 第二章金属包覆介质波导 2 2 非对称金属包覆介质波导 非对称金属包覆介质波导又称为单面金属包覆介质波导，其结构如图2 5 所示。 除了包覆层是金属之外，就波导本身的几何结构而言，非对称金属包覆介质波导与三 层介质波导没有什么差别。因此，两者的模式本征方程在形式上应是完全一致的。 即有 式中 蜀 厂_ 图2 5 非对称金属包覆介质波导 r l d = m j r t + 珐2 + 唬3 ( m = o , l ，2 ，- ) ( 2 6 ) 船：t a n t ( 生) l l 船：t a n 。1 ( 马l k l j = t a n 。芦堕) l 占2k 。 l = t a n 一1 ( 三l 堕) j 6 3丘lj r l = ( k ：占l 一卢2 ) v 21 口2 = ( 卢2 一k ：s 2 ) 啦 a 3 = ( 卢2 一k ：毛) v 2l ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 先略去金属介电常数的虚部，在实数域中求解模式本征方程。且设k “ 占。 占：。 典型的介质波导和非对称金属包覆介质波导的色散曲线，分别如图2 - 6 和图2 7 所示。 1 3 第二章金属包覆介质波导 t e 刑 图2 6 典型介质波导的色散曲线 图2 7 非对称金属包覆介质波导的色散曲线 由以上两图可得如下性质： 1 导模有效折射率的存在范围为 占2 p k o 毛 ( 2 1 0 ) 在介质波导中，由于薄膜必须以衬底为依托，因此介电常数为晶的介质不可能为空 气。而对金属覆盖介质波导，金属可作为衬底使用，因此介电常数为岛的介质可以 是空气，即有= 1 。在这种情况下，导模有效折射率的存在范围比一般的介质波导 要大得多。 2 由于岛 d 。时，只有在卢 k o 百情况下，方程( 2 1 1 ) 才有解。这时 = i 吼 ( 2 1 6 ) 式中， ：( j a 2 一k o ：占1 ) m ( 2 1 7 ) 利用恒等式 第二章金属包覆舟质波导 方程( 2 1 i ) 可改写为 当d 斗o 。时，由上式可得 t a n x = 一i l a n h ( 删 ( 2 1 8 ) 口d ：一t m l h 一1 ( 刍垒) 一t a n h 一1 ( 鱼生) ( 2 1 9 ) s 2 口1占3 a l 6 n o 盟：i s 3 口1 ( 2 2 0 ) 这表示在金属与介质1 界面处的一个表面等离子波，其传播常数为 脚。辱 厄 眩z ， 结合上述分析，可知t m 。模的传播常数的取值范围为 小压 旺z z ， 若用曲线表示，可作出如图2 8 所示的n 厶模式色散曲线。上述讨论的总结可见表2 1 。 幅再。一幅点 d p l k 。 波型 d 、厨习丽 表面等离子波 0 d d 乒i 7 丽 p k 。 i导波 d 一 d 。o i p l k o 乒五万了可 表面等离子波 表2 - 1 非对称金属包覆波导中。模的色散性质 1 6 - 磊 t 第二章金属包覆介质波导 2 3 对称金属包覆介质波导 对称金属包覆介质波导又称为双面金属包覆介质波导，其结构如图2 9 所示。 利用( 2 1 6 ) 式， 式本征方程。 t e 模： t m 模 图2 9 对称金属包覆介质波导 并忽略金属介电常数的虚部可得对称金属包覆介质波导的模 r l d ：m z + 2 t a n 一1 芦) r t ( 2 2 3 ) t q d = m z + 2 t a n 一( 鱼垒) ( 2 2 4 ) 占2 茁】 ( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 两式是实超越方程，从这两个方程可得到以下几个结论： 1 导模有效折射率的存在范围是 0 ，k 0 d ? 一 ( 2 - 2 8 ) 而在全介质对称波导中，对同阶模有 铲* = d ，- = 善兰一 ( 2 2 9 ) q 6 , 一5 2 显然，对m = 0 ，有 铲= 矿k 0 ( 2 3 0 ) 上式表明，在全介质对称波导中，t e 。和t m 。模是不会截止的。 另外，利用恒等式 t a n 。帅= 一t a n “竹1 ) ( 2 3 1 ) 则根据( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 两式可知，在对称金属包覆介质波导中，显然存在如下关 系 d ，”= d ，一 ( 2 3 2 ) 即第m 阶t e 模和第m + 1 阶t m 模的截止厚度是简并的。 刀w o 模和t m l 模 1 t m o 模 根据方程( 2 2 4 ) ，在肌= 0 时，有 k d ：2 t a n 一1 芦) ( 2 t 3 3 ) 占2 k 1 由上述方程，可得以下结论： 1 ) 由于s ： 4 4 - , ( 2 3 6 ) 女。一】+ 2 7。” 而当d 斗0 时，必有口，和斗，即有 l t l k o 斗c o ( 2 3 7 ) 由此得到t m 。模有效折射率的存在范围为 撬 一 旺。 上式表明，t m 。模的有效折射率处于导模有效折射率的存在范围之外。所以，可以断 定，t m o 模是表面模。 2 t m 模 利用( 2 3 1 ) 式，可将t m 模的模式本征方程改写为 一d = 2 1 a n 一1 ( 一当 ( 2 3 9 ) 占i 口2 显然，在d p l k 。 i 时，有一= 弛，方程( 2 3 9 ) 可转化为 t a i l h ( 抛d ) = 一丝 ( 2 4 2 ) 分别由( 2 3 4 ) 和( 2 4 2 ) 两式表示的t m 。模和t m 模实际上是介质薄膜与金属两个 1 9 第二章金属包覆介质波导 界面上表面等离子波的对称和反对称结合模式。 由( 2 4 2 ) 式可知，当d 寸0 9 时，必有 一6 2 a 型1 ( 2 4 3 ) 占i d 2 这时，有效折射率 , 8 k o2 j 羔 眩。4 ， 根据( 2 3 6 ) 和( 2 4 4 ) 两式，可见当d 斗0 0 时，t m o 模和t m l 模是简并的。从物理 本质上看，当d 斗0 0 时，两个界面上的表面等离子波不可能相互耦合，各自成为自由 的表面等离子波。 由上述分析，可知t m 模有效折射率的存在范围是 叭p k o j 蔫 q m ) 综合( 2 3 8 ) 和( 2 4 5 ) 两式，可知在对称金属包覆介质波导中，包括表面模在内的 所有约束模式的有效折射率的存在范围是 0 p k o o o ( 2 4 6 ) 图2 1 0 示出了对称金属包覆介质波导的色散曲线，为了进行比较。图2 1 l 示出 了对称全介质波导的色散曲线。图中，实线表示t m 模，虚线表示丁e 模。 把。模和t m 的性质总结成表格，可得 d , o l k o波型 d ， d d c 0 p l k 。 百 t m 导波 d 一 d 。 0 ， p l k 。 占。占：( q + 占) t m 表面等离子波 口 j o o g 1 8 2 沁i + s 2 ( p k o t m o 表面等离子波 表2 - 2 对称金属包覆介质波导中t m 。模和摸的色散性质 以上结果是在略去了金属的复介电常数的虚部后得到的，这当然仅在p k 。的实 部远大于其虚部时才是可接受的结果。当纠的实部接近于零时，其虚部的影响将 大大增长，反过来也影响其实部，使色散关系有所变化。但实验证明【2 2 】 2 3 ，在实 2 0 第二章金属包覆介质波导 际的波导结构中，只要介质层的厚度远离截止厚度，略去金属介电常数的虚部得到的 近似结果还是足够正确的。 d导攥区 血橇陛 匹lz z ，t b i 、口l 气 ，“ |。 q 一。二 o o 再匝 v + 毛 图2 i o 对称金属包覆介质波导的色散曲线 口，岛 鹕 0 | h _ e 1 图2 - 1i 全介质波导的色散曲线 2 4 双面金属包覆介质波导的直接耦合方法 由( 2 2 5 ) 式可知，对称金属包覆介质波导导模有效折射率的范围是 0 暑oeo叱 第五章直接耦合方的法应用 得任意形状的波长透过率曲线，但在实际制作中，制备上百层薄膜的工艺过程精密而 复杂，镀膜效果的一致性也较难掌握。 5 3 2 f a b r y p e r o t 滤波器 f a b r y p e r o t 滤波器 5 18 ，5 2 0 也是基于干涉原理工作，由一个两端镀上部分 反射膜的腔体构成。当腔体中的光程是某一波长的整数倍时，该波长的出射光将因为 共振而增强，该波长称为麸振波长，其工作原理如图5 8 所示。f p 型半导体激光器 的波长选择机制也是基于类似的原理。 m i r r o r1m i r r o r2 o u t p u t l i g h ta tf l o n - r e s o n a d tw a v e l e n 时hl i 西ta tf e s o n a n lw g l v e l e n g t h 卜- - - - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - 卜 图5 8 f a b r y - p e r o t 滤波器 5 3 3 光纤布拉格光栅 光纤布拉格光栅 5 - 2 1 是利用光纤中折射率的周期性变化形成的光栅结构来选 择波长。其滤波原理如图5 9 所示。采用位相掩模技术( p h a s em a s kt e c h n i q u e ) 或 干涉模式技术( i n t e r f e r e n c ep a t t e r nt e c h n i q u e ) ，在紫外光的照射下，在光纤纤心形 成周期性折射率变化。入射光在纤心中传播时每遇到折射率的变化就会有一小部分的 光反射，只有波长和光栅周期一样的光才能反向干涉增强，而其它波长的光均沿原方 向出射，由此达到滤波效果。 4 9 第五章直接耦合方的法应用 图5 9 光纤布拉格光栅滤波器 5 3 4 声光可调滤波器 在d w d m 现代光通信系统中，进行网络管理和系统配置的关键技术，是能在传 输途中以各波长为单位插入和分出光信号的光分插复用( o a d m ) 技术和切换线路的 光交叉互连( 0 x c ) 技术。实现这些技术需要各种能够动态控制波长的器件，具有波 长可调功能滤波器是实现上述功能的关键器件。 目前公认较有前途的可调滤波器技术是声光可调滤波器( a o t f ) 5 2 2 ，5 - 2 3 。 尽管这一技术很早以前就提出了，但直到最近才因其优越而灵活的波长选择特性在光 通信领域中获得广泛应用。a o t f 的基本原理是利用一定频率的超声波来改变某一波 长光的偏振方向，再利用偏振特性控制光的出射方向。a o t f 最重要特性在于：它可 以同时进行多个波长的选择。如图5 1 0 所示，对于多波长( 九) 入射的情况， a o t f 可以将其中的一部分波长( 厶、 、 ) 从一个出口输出，而别的波长( 丑、 如、丑) 从另一个出口输出。而且任意组合的波长分配方案可以同时完成。 也勺勺飞氏 也7 唧圈嘲 屯 九一也毛九州 如如九洲： 如也丑 九 1 ( n 町一 一5 0 第五章直接耦台方的法应用 5 3 5 双面金属包覆介质波导梳状窄带滤波器 双面金属包覆介质波导其共振角，是介质厚度和折射率的函数，也是波长的函数， 对于同样的入射角，不同波长的光有些可能激发导模，有些则不能，不能激发导模的 波长将被反射回去，能够激发的波长则形成导模。由于空气波导的对称结构，光能够 耦合进波导，也能从波导中耦合出来。如果下层金属薄模厚度足够薄导模光可能被耦 合出来，从而形成透射光。利用这种方式可以设计出一种双面金属包覆介质波导滤波 器。 双面金属包覆介质波导滤波器结构如图5 1 1 所示 给定的结构参数上层金属厚度为1 9 n m ，介质厚度1 m m ，下层金属厚度为2 2 r i m 其透射光强随角度变化曲线如图5 1 2 所示。选择特定的入射角度，透射光强随波长 的变化关系如图5 1 3 所示，频率间隔固定，能够透过频率间隔一定的一系列波长， 具有梳状滤波器的特性。合理设计滤波器的结构，可以实现交叉复用器i n t e r l e a v e r d e 的功能。采用超高阶模，滤波器是偏振无关的。 i n c i d e n tl i g h t：r e f l e c tl i g h t t f、i 图5 1 1 双面金属包覆介质波导滤波器 一5 l 一 第五章直接耦合方的法应用 5 05560657075b0 i n c i d e n ta n g l e 图5 1 2 双面金属包覆介质波导滤波器透射率( t e 模) 角度曲线 = 6 0 0 0 a 上层金属厚度为1 9 m n ，介质厚度l m m ，下层金属厚度为2 2 r i m 介质折射率介电系数2 8 ，金膜介电系数一2 5 + i l 5 8 0 0 00 26 0 0 46 0 6 0 0 8 o w a v e l e n g t h 图5 1 3 双面金属包覆介质波导滤波器透射率( t e 模) 波长曲线 入射角6 度，上层金属厚度为1 9 n m ，介质厚度l m m ，下层金属厚度为2 2 n m 介质折射率介电系数2 8 ，金膜介电系数一2 5 + i l 5 o o o 5量e*cej- 吣 啦 co嚣一e*c巴一 第五章直接耦台方的法应用 5 4 t 1 1 振无关的衰减 激光光强衰减器，简称光衰减器，是随着激光应用和光纤通信发展出现的一种 非常重要的光学无源器件，其作用是通过对传输光的衰减来对激光光强( 功率) 进行 控制。光衰减器在光纤通信、有线电视和其它工业、军事及航天领域内有着极为广泛 的应用。可以说，在所有的激光应用领域，只要有激光光强( 功率) 控制方面的需要，