面向光集成的光波导材料制备与参数测量方法研究

论文摘要

集成光波导器件作为光通信中最重要的基础性部件之一,随着光通信技术的飞速发展,受到人们越来越多的重视,而集成光波导材料是器件的基础,其光学性能很大程度上决定了器件性能。新型电磁材料—负折射率介质的出现又为集成光波导器件中的突破提供了重要的途径。负折射率介质是当前光学与材料领域中热门新型人工电磁介质,虽然目前在可见光波段还没有制作出来,但是由于其在光波段具有非常重要的潜在应用价值,近年来引起了越来越多科研人员的兴趣。 本论文以集成光波导材料为研究对象,重点研究了集成光波导材料的参数测量方法及制备技术,主要作了如下工作: 1.棱镜耦合法和泄漏波导法的理论基础方面研究了倏逝波和光学隧道效应,棱镜耦合法和泄漏波导法的测量理论依据是平板波导模式理论,波导模式理论方面重点研究了含有正负折射率介质多层平板波导中的转移矩阵法,第一次推导出了适用于正负折射率介质材料的转移矩阵,以此分析了多层平板波导的模式色散特性;模拟理论方面重点研究了传输矩阵法,从严格电磁理论推导出同时适用于正负折射率介质材料的传输矩阵; 2.对于集成光波导材料参数测量方法,着重研究了棱镜耦合法和泄漏波导法,给出了一般棱镜耦合法和泄漏波导法的理论误差分析,从测量理论上提出了改进方法,首次建立了棱镜耦合法和泄漏波导法的精确测量模型,用传输矩阵法从理论上进行了模拟论证,进而从实验上论证了改进方法的精确性,并利用改进的棱镜耦合法和泄漏波导法分别对甩胶法和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制作的薄膜进行了参数测量; 3.对于假定在光频波段制作出来的负折射率介质材料,第一次从理论上研究了测量负折射率介质材料参数的棱镜耦合法,研究了测量原理,给出了测量装置、测量模型和参数计算方法,并且用传输矩阵法从理论上进行了模拟论证: 4.集成光波导材料制备方面重点研究了二氧化硅光波导的等离子体增强化学

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 光通信中的集成光波导技术
• 1.1.1 光通信历史
• 1.1.2 光通信的特点
• 1.1.3 集成光波导材料概述
• 1.1.4 硅基二氧化硅光波导材料的制备方法
• 1.1.5 集成光波导技术
• 1.2 集成光波导材料的参数测量方法
• 1.2.1 集成光波导材料参数的测量方法概述
• 1.2.2 棱镜耦合法和泄漏波导法阐述
• 1.2.3 各种测量方法的比较
• 1.3 基于负折射率材料的光波导概述
• 1.4 本文研究内容、主要工作
• 1.4.1 本文的研究内容
• 1.4.2 作者的主要创新工作及贡献
• 参考文献
• 第二章 棱镜耦合法和泄漏波导法测量基础理论研究
• 2.1 棱镜耦合法和泄漏波导法测量的理论基础─倏逝波与光学隧道效应
• 2.1.1 倏逝波及其性质
• 2.1.2 倏逝波的实验检测
• 2.1.3 光学隧道效应
• 2.1.4 光学隧道效应的应用
• 2.2 棱镜耦合和泄漏波导系统的模拟理论─传输矩阵法
• 2.3 棱镜耦合和泄漏波导系统的波导模式理论─转移矩阵法
• 2.3.1 基于正折射率介质薄膜的转移矩阵法
• 2.3.2 基于负折射率介质薄膜的转移矩阵法
• 参考文献
• 第三章 棱镜耦合法的研究与改进
• 3.1 用于正折射率介质薄膜参数的测量
• 3.1.1 一般棱镜耦合法的测量原理
• 3.1.2 测量实验设计
• 3.1.3 弱耦合的重要性和测量精度
• 3.1.4 波导薄膜参数厚度和折射率的计算
• 3.1.5 棱镜耦合法用于块材料折射率的测量
• 3.1.6 棱镜耦合法用于波导薄膜损耗的测量
• 3.1.7 棱镜耦合法的设计改进
• 3.1.8 传输矩阵法模拟论证
• 3.2 棱镜耦合法用于负折射率光波导参数测量的理论分析
• 3.2.1 棱镜耦合法的测量模型
• 3.2.2 棱镜耦合法的测量理论分析
• 3.2.3 棱镜耦合系统的精确理论模型
• 3.2.4 传输矩阵法的模拟论证
• 参考文献
• 第四章 泄漏波导法的研究与改进
• 4.1 一般泄漏波导法的测量原理与设计
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 泄漏波导的测量原理─射线法分析
• 4.1.3 实验测量装置
• 4.1.4 薄膜参数的具体计算方法
• 4.2 泄漏波导法的设计改进
• 4.2.1 改进泄漏波导法的新理论模型
• 4.2.2 单层薄膜折射率和厚度的计算
• 4.2.3 新理论模型的正确性验证
• 4.2.4 理论模型用于薄膜测量的有效性
• 4.3 传输矩阵理论模拟论证
• 参考文献
• 第五章 棱镜耦合法及泄漏波导法用于集成光波导参数测量的实验
• 5.1 棱镜耦合法用于单层波导材料参数的测量实验
• 5.1.1 实验装置设计
• 5.1.2 改进棱镜耦合法精确性的实验验证
• 5.1.3 改进棱镜耦合法用于波导薄膜参数的测量实验
• 5.2 泄漏波导法用于单层泄漏波导材料参数的测量实验
• 5.2.1 实验装置设计
• 5.2.2 改进泄漏波导法精确性的实验验证
• 5.2.3 改进泄漏波导法用于薄膜参数的测量实验
• 参考文献
• 第六章 PECVD法制作高性能硅基二氧化硅光波导材料的研究
• 6.1 PECVD原理和实验系统
• 6.2 实验条件
• 6.3 实验结果及讨论
• 6.3.1 工艺参数对沉积速率的影响
• 6.3.2 工艺参数对薄膜折射率的影响
• 6.3.3 薄膜的红外光谱
• 6.3.4 薄膜表面的形貌观察
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 论文的不足以及改进
• 7.3 基于集成光器件的全光网络的展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 致谢