基于液晶法—珀腔和超棱镜色散的WDM薄膜器件的研究

论文摘要

密集波分复用（DWDM）全光网络是光通信发展的必然趋势，而可调谐滤波器的发展又在密集波分复用全光网络的发展过程中扮演着重要的角色；关于光子晶体的研究则是光学领域发展的新方向，利用一维光子晶体中的“超棱镜”效应，可以制作新型的波分复用器件。为了适应光网络的发展对波分复用器件的要求，本文对基于液晶电光特性的可调谐法-珀腔窄带滤波器以及基于多层干涉光学薄膜超棱镜色散的WDM滤波器件，从理论与实验两个方面进行了系统研究： 论文研究了基于电光调谐液晶法-珀干涉滤光片（LCFPF）的器件薄膜结构对器件调谐性能的综合影响。发现在这一类可调谐滤光片的连续调谐过程中，在同一干涉级次下，透射峰值波长随折射率单调变化；当折射率改变较大导致干涉级次改变时，单调调谐性被破坏，出现“透射峰跳跃”等现象；实验现象与理论分析相吻合。提出了几种单调调谐方案；当腔厚为10μm时，0.05的折射率差就可以使器件的单调调谐范围达到整个C波段。通过数值模拟，分析了反射相移对液晶法一珀腔（F-P腔）调谐性能的影响。最后对该类器件的主要性能指标进行了实验评估，并针对滤波器的损耗和带宽要求提出了优化方案。 运用薄膜特征矩阵方法对常规λ／4薄膜堆以及谐振腔结构薄膜堆的超棱镜色散进行了理论模拟及分析。设计并搭建了对“超棱镜”效应产生的微小色散位移进行测量的实验装置，经检测其精度可以达到3～5μm。设计及实验表明，在常规λ／4周期膜系中可观察到可观的“超棱镜”效应，本文中给出的10个周期的膜堆，在给定条件下可产生22μm的色散位移；镀上金属反射镜后，虽然色散位移略有减小，反射光强却得到了增大，而且可以通过多次反射增加色散位移；而F-P腔结构的膜堆，虽然带宽比较狭窄，却能产生高达65μm的色散位移，而且色散接近线性，较传统的光栅或棱镜元件而言，具有更大的色分辨率。 论文研究工作表明应用光学薄膜技术有可能构造出具有更为奇异特性的可以应用于不同场合的光学薄膜功能器件。

论文目录

• 第一章 绪论
• §1.1 光通信中的WDM薄膜器件
• §1.1.1 可调谐滤光片的发展现状
• §1.1.2 电调谐液晶滤光片在光通信中的应用与前景
• §1.2 光子晶体的发展和“超棱镜”效应
• §1.2.1 “超棱镜”效应的研究现状
• §1.2.2 “超棱镜”效应的应用前景
• §1.3 本文的研究内容和目的
• §1.3.1 可调谐液晶法-珀干涉滤光片（LCFPF）
• §1.3.2 薄膜超色散器件
• 参考文献
• 第二章 基本理论
• §2.1 薄膜光学的基本理论
• §2.2 光子晶体的基本理论
• §2.2.1 麦克斯韦方程的描述
• §2.2.2 传输矩阵方法（TMM）
• §2.2.3 薄膜光学的特征矩阵法
• §2.3 谐振腔的基本理论
• §2.3.1 法布里-珀罗谐振腔（F-P腔）
• §2.3.2 Gires-Tournois谐振腔（G-T腔）
• 参考文献
• 第三章 可调谐液晶F-P腔滤光片
• §3.1 可调谐液晶F-P腔滤光片的设计
• §3.1.1 基本结构
• §3.1.2 参数确定与器件性能计算分析
• §3.2 调谐特性的理论分析与模拟
• §3.2.1 连续调谐性能的研究
• §3.2.2 反射镜相移对调谐性能的影响
• §3.2.3 调谐灵敏度
• §3.2.4 偏振依赖度
• §3.3 液晶F-P可调谐滤光片的实验制备
• §3.4 调谐性能的实验分析
• §3.4.1 测试条件
• §3.4.2 调谐性能的实验研究
• §3.4.3 主要指标的实验评估
• §3.5 优化设计
• §3.5.1 C波段高透过率透明电极的设计
• §3.5.2 双层液晶F-P腔的构造
• 小结
• 参考文献
• 第四章 薄膜“超棱镜”色散的研究
• §4.1 薄膜“超棱镜”效应
• §4.1.1 “超棱镜”效应的物理解释
• §4.1.2 超棱镜色散的计算
• §4.1.3 时间色散、空间色散和存储能量的关系
• §4.2 薄膜超色散结构的设计与分析
• §4.2.1 周期性膜堆——1／4波长的规则高反膜堆结构
• §4.2.2 基于谐振腔的色散结构
• §4.3 超棱镜效应的测试与分析
• §4.3.1 实验装置
• §4.3.2 高斯光束的聚焦与拟合
• §4.3.3 实验系统精度测定
• §4.3.4 样品制备
• §4.3.5 测试结果及分析
• 小结
• 参考文献
• 第五章 总结和展望
• 硕士在读期间发表的论文
• 致谢