随着知识经济的到来,人们迫切要求掌握尽可能多的信息量,因此对通信速率提出了更高的要求,光纤通信应运而生.在90年代更是得到了跳越式的发展.虽然近几年光纤通讯进入了阶段性的低谷,但人们对它的热情依然未减,各种新想法、新概念层出不穷.近期,自动交换光网络和光纤到户成为了研究热点.这些新想法、新概念的实现都离不开各类光电子器件的支持. 当今的光电子器件百花齐放,有基于光纤的、有基于半导体的、有基于光波导的,它们各有优缺点,适合于各种不同的场合.目前为止,还没有哪一种技术有足够的优势来统一整个光电子器件领域.正是这种百家争鸣的局面,促进着光通讯事业日新月异地发展.在本文中,我们提出并研究了一类新型光电子器件--基于双面金属包覆波导的光电子器件.具体研究内容包括光调制器、滤波器和其它一些器件的原理设计、性能优化和功能演示等.虽然离真正的实用化和商品化还有一定的距离,但从器件基础研究和实现方法探索的角度考虑,相信具有一定的现实意义. 首先,本文在一般介质平板波导的基础上提出了一种全新的波导概念--双面金属包覆波导.这种波导结构由导波层、上下金属包覆层组成,上层金属同时作为耦合层.根据双面金属包覆波导的导模有效折射率范围比一般介质波导大得多,可以从零开始的特性,发展了一种新的波导耦合技术--自由空间耦合技术.与其他的波导耦合技术,如棱镜耦合、光栅耦合等相比,结构简单,并有一些优良的特性.我们从理论上推导、实验上验证了亚毫米尺度双面金属波导中的超高阶导模具有偏振无关性,并对导波层的折射率、厚度以及入射光波长非常灵敏的特性,为下一步的光电子器件研究提供了理论基础. 人们普遍认为金属作为波导覆盖层将对传输光能量产生强烈的吸收,导致波导的损耗较大,不利于制作实用型器件.但我们的研究表明,在双面金属包覆波导中,金属可作为控制电极对波导层施加电场作用.同时若避免波导传输型结构,采用反射型结构来控制导波光的能量耦合效率,将能够很方便地对反射光的能量进行控制,并避免了能量的传输损耗.理论表明,随着导波层厚度的增加,波导的传输损耗也迅速下降. 根据超高阶导模对导波层折射率敏感的特性,我们提出了基于双面金属波导结构的反射型电光调制器.该器件的结构简单,仅由上下两层金属和导波层三部分组成.金属层既可作为包覆层又可作为电极.制备工艺非常简单,加工要求也不高,因此成本相当低廉.与波导传输型电光调制器相比,本方法制作的反射型电光调制器的插入损耗很小,因为光强不需要经过传输,避免了传输损耗.在调制过程中发生全反射,入射能量几乎能全部被反射,相对于波导传输型调制器5～12dB的插入损耗有了很大的改善.由于器件基于反射原理工作,工作区域局限于电极的大小,因而独立器件的尺寸可以很小.同时也可以在一块晶体上集成很多个调制器,每一个调制器都具有自己独立的电极和驱动信号源,以实现集成阵列式结构.双面金属波导结构的电光调制器离实用化、商品化最大的障碍在于其调制深度还不够,目前我们用LiNbO<,3>晶体作为导波层达到12V、13.3﹪的调制度.但随着高电光系数晶体或薄膜材料的发展,器件的实用化已经提上日程.预计,该器件会在接入网、无线光通信、大孔径激光调制方面得到应用. 另外,根据高阶导模对入射波长敏感的特性,我们提出了基于双面金属包覆波导的光学滤波器应用.光学滤波器是光网络的一个关键性器件之一,它在整个光通信系统中得到了广泛的应用,无论是在发射端、接收端,还是传输过程中.本文详细介绍了基于亚毫米尺度双面金属波导的梳状滤波器的工作原理,并进行了实验验证,对器件的性能进行了测试和分析.该梳状滤波器的通道间隔达到100GHz,理论上可达到50GHz,符合ITU标准;通道隔离度大于12dB;最小插入损耗小于0.2dB;中心波长、通道间隔可调谐范围大;并且具有偏振无关性.该器件主要应用于多波长激光器系统中.此外,双面金属包覆波导还可应用于窄带滤波器的研究. 除了在光电子器件中的应用外,双面金属包覆波导还可用于薄膜参数测量领域.波导中导模的传播常数与导波层的厚度以及折射率密切相关,因此可以利用自由空间耦合技术测量波导中导模的传播常数,来同时求得导波层薄膜的折射率及厚度.由于双面金属波导的特殊性质,还可以测量高折射率的材料,相比棱镜耦合系统大大拓宽了测量范围.并且,这种新方法可以用于双折射材料的测量,测量精度也相当高.由于采用金属作为包覆层,可以很方便的在导波层两侧施加电压,因此也可测量材料的电光系数或者压电系数.预计这种方法会在有机材料、聚合物和光学波导器件等领域中有广泛的应用价值. 总之,双面金属包覆波导及其自由空间耦合技术是一种全新的方法,它为新型光电子器件的研发开辟了一条崭新的途径.