亚毫米尺度对称金属包覆波导损耗特性的研究及应用

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对称金属包覆波导是光通信和集成光电子学领域中的关键元件之一。以双面金属包覆波导为核心结构的各种光电子器件已获得了愈来愈广泛的应用,特别是在传感器方面。因在光频波段,金属的介电常数存在虚部,通常认为金属作为覆盖层会对传输光能量产生强烈的吸收,导致波导的传输损耗较大。故在对称金属包覆波导中导波光不可能传输毫米尺度的距离,其高的传输损耗极大地制约了其应用范围,无法实现小型化脉冲展宽器的设想。针对对称金属包覆波导传输损耗大的缺陷,本文提出了采用亚毫米尺度的超厚导波层来抑制传输损耗的新方法。本文从对称金属包覆波导的模式本征方程出发,利用贵金属(金或银)介电系数实部为负值,且绝对值远大于其虚部的特性,采用一阶微扰理论研究了此类波导的损耗特性,得到了TE和TM导模的微扰传播常数的解析公式。研究表明:对称金属包覆波导的传输损耗与导波层有效厚度成反比。当导波层厚度为亚毫米尺度时,导波光的传输损耗将比通常采用的微米尺度光波导降低约三个量级,说明导波光在亚毫米尺度对称金属包覆波导中传输毫米尺度是完全可能的。微扰理论和精确的数值结果符合很好,且均表明亚毫米尺度对称金属包覆波导对光的传输损耗具有抑止作用。基于上述微扰理论深入分析表明:在金,银为包覆材料的亚毫米尺度对称金属包覆波导中,导波光在传输毫米量级距离后,传输损耗一般可小于3d B /mm,且光强衰减因子不大,光信号依然保持良好。这对实现小型脉冲展宽器的制备具有指导意义。为了替代啁啾脉冲放大(CPA)技术中庞大的光栅对展宽器,我们还提出了利用亚毫米尺度双面金属包覆波导中的强色散超高阶导模,在传输毫米量级距离后实现脉冲展宽1000倍的小型化器件的设想。
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