混合槽波导和非线性槽波导结构中的横磁波模式特性的研究

论文摘要

传统的槽波导(Low index slot waveguide,LISW)能有效地将大部分的光限制在亚波长量级的低折射率中间层,这是由于横向电场分量在中间层边界的不连续性引起的。这种波导能突破了衍射极限,有很好的光学应用前景。基于这种传统的槽波导,我们为了获得更窄模式宽度和全光控制的光波导,分别研究了横磁波(Transverse magnetic,TM)在混合槽波导(hybrid slot waveguide,HSW)和非线性槽波导中的模式特性。我们在LISW的基础上将最外层的低折射率层换成了金属层,以期获得窄模式宽度,这种五层金属/高折射率/低折射率/高折射率/金属对称结构被称为HSW。我们解析地求解了TM波在HSW中的模式特性。根据波导有效折射率的范围,我们一共给出了TM波在HSW中六种可能存在的模式。对应于每一种模式,我们推导了相应的特征方程,并且详细的讨论了每一种模式的截止条件。在此基础上,我们计算得到了波导有效折射率和结构参数的关系。在中间层宽度一定条件下,对比了HSW和LISW的光学限制能力跟高折射率层的宽度的关系,发现在中间层宽度为100 nm,高折射层的宽度小于90 nm时,HSW的光学限制能力远远强于LISW。同样也分析了在高折射率层宽度一定时,混合槽波导的光学限制能力随中间层宽度的变化的关系,它的光学限制能力随中间层的宽度的增加而增强。通过利用金属层替换LISW的最外层,能同时增加波导限光能力和减小波导模式宽度。我们在LISW的基础上考虑了中间层的非线性效应。对于这种五层的非线性槽波导结构,我们用两种方法去计算TM波在非线性槽波导的模式特性,并且分别考虑了非线性为自聚焦和自散焦克尔效应两种情况。对于第一种方法,即雅克比椭圆函数模型(Jacobi elliptic function based model,JEM),我们采用了两个假设条件:(1)中间层非线性响应为各向同性且只与电场的横向分量E_x有关;(2)非线性效应引起的折射率变化不大。在这样的假设条件下,我们完全解析地求解了TM波在非线性槽波导的模式特性,给出五种不同类型的雅克比椭圆函数去表示TM波在非线性槽波导中可能出现的模式。对于每一种模式,推导了其对应的色散方程。同时我们给出了第二种精确的求解方法,即界面模型(Interface model,IM),我们认为中间层非线性响应为各向同性且与总电场强度有关,并且对非线性效应的强度不加限制。对于这种模型,我们用数值的方法去求解非线性槽波导非线性中间层的场分布和色散关系。我们还对比两种模型算得的结果,发现在非线性修正(35)n较小的情况下,两种模型算得的结果吻合得很好。最后对于JEM模型,我们比较了传统线性槽波导和非线性槽波导在非线性效应较弱情况下的磁场强度的场分布。结果表明对于每一种雅克比椭圆函数表达的模式,两种结构的磁场强度分布都完全重合。这也验证了在非线性较弱情况下,JEM模型的可行性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 槽波导的研究综述
•     1.2.1 槽波导以及相关平板波导的理论研究
•     1.2.2 基于槽波导的应用
•   1.3 课题研究内容和意义
• 第二章 原理
•   2.1 麦克斯韦方程组
•   2.2 一维结构中的麦克斯韦方程组推导
•   2.3 单色横磁波
•   2.4 克尔效应
•   2.5 非线性折射率和电场强度的关系
• 第三章 横磁波在混合槽波导中的模式特性
•   3.1 引言
•   3.2 五层对称的混合平板波导的模式特性研究
•     3.2.1 TM模式在槽波导中的模式解
• S）的模式解'>    3.2.2 βS）的模式解
• S）<βH）的模式解'>    3.2.3 ?（ε_S）<βH）的模式解
• ?（ε_H）的模式解'>    3.2.4 β>?（ε_H）的模式解
•   3.3 结果和讨论
•   3.4 截止条件
•   3.5 混合槽波导的光学限制能力
•   3.6 小结
• 第四章 横磁波在非线性槽波导中的模式特性
•   4.1 引言
•   4.2 雅克比椭圆函数模型（JEM）
•     4.2.1 场分布
•     4.2.2 非线性层的场分布—自聚焦
•     4.2.3 磁场强度在自聚焦克尔效应的非线性层的表达式
•     4.2.4 非线性色散关系—自聚焦
•     4.2.5 自聚焦克尔非线性槽波导的色散关系
•     4.2.6 非线性层场分布—自散焦
•     4.2.7 磁场强度在自散焦克尔效应的非线性层的表达式
•     4.2.8 非线性色散关系—自散焦
•     4.2.9 自散焦克尔非线性槽波导的色散关系
•   4.3 界面模型（IM）
•     4.3.1 场分布
•     4.3.2 数值法求解色散关系
•   4.4 结果与讨论
•   4.5 小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
•     5.2.1 理论研究
•     5.2.2实验
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 彭少勇

导师: 刘友文

关键词: 横磁波,混合槽波导,非线性槽波导,克尔非线性效应,雅克比椭圆函数

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京航空航天大学

分类号: TN252

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.001212

总页数: 85

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