基于相位调控特性的亚波长光栅结构的研究

发布时间：2020-08-21 20:19

【摘要】：随着半导体技术的不断发展,亚波长光栅作为重要的光学功能元件,在光学领域得到了广泛的应用。亚波长光栅是由光栅介质(高折射率材料)与空气(低折射率)介质构成,光栅周期远小于入射光波长,只存在零级衍射波,高阶衍射波均为消逝波。因此,通过改变亚波长光栅的周期、占空比、厚度等参数可以实现光束的波前相位调控,从而实现光学衍射特性的改变(如:透射、反射、偏振分束、偏转、会聚等)。利用亚波长光栅可以制备成反射镜、透射镜、分束器、偏转器等高性能的光学功能器件,因此也成为国内外的研究热点。本论文主要研究基于亚波长光栅的波前相位调控特性,用于实现光束的会聚、相位延迟功分功能,通过设计与仿真得到一维亚波长光栅的单焦点会聚、二维亚波长光栅的单焦点会聚和双焦点会聚、一维亚波长光栅相位延迟器。最后,设计并仿真基于二维亚波长光栅与单行载流子光探测器的光电集成器件,利用二维亚波长光栅的会聚特性使得光探测器的器件特性得到了提升。论文主要研究内容如下:1、比较了三种亚波长光栅的分析方法,即严格耦合波法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)、有限元法(Finite Element Method)、模式匹配法(Model Method)。严格耦合波法能够清晰地分析光波在亚波长光栅表面的衍射特性,而模式匹配法则更适合分析光在亚波长光栅内部的作用情况;对于非周期亚波长光栅的数值计算,利用有限元分析法对亚波长光栅的求解域进行网格划分离散化,以模拟周期非周期亚波长光栅的层状结构相互作用的电磁波,满足每个极化的电磁场边界条件,并得到亚波长光栅的反射和透射衍射效率。2、分析比较了一维条形亚波长光栅与二维块状亚波长光栅的会聚效果,利用MATLAB数学工具进行光栅数据的计算并利用COMSOL有限元仿真软件进行亚波长光栅结构的仿真。工作波长为1550nm的光束入射到一维条形亚波长光栅,光束透射率为92.3%,焦距为15.1μm,消光比为19.6dB;工作波长在1550nm的光束入射到二维块状亚波长光栅,块状亚波长光栅在SiO_2上呈现不同位置的排布,光束会聚的焦点由每个块状亚波长光栅排列的位置和每个块状亚波长光栅的旋转角度共同决定的。得到光束透射率为96.2%,焦距为8.3μm,消光比为19.8dB;根据二维块状亚波长光栅设计了两个单元的并排分布,得到的二维块状亚波长光栅具有双会聚焦点,会聚光束的透射率分别为42.4%和40.5%,焦距均为8.02μm,消光比分别为16.2dB、16dB。3、主要围绕亚波长光栅的相位延迟以及光束分束特性,理论分析并仿真设计了一种新型的亚波长光栅相位延迟器。利用亚波长光栅实现了入射光信号被分为左右两束光的功率均分以及两束光之间的相位延迟。工作波长为1550nm、偏振态为TM的入射光信号经过亚波长光栅后被均分为左右两束光,左侧光信号0相移,右侧光信号实现了π相移,左右两束光光功率之比为1.005:1,消光比为19.9dB和19.8dB,两光束之间的相位相差π。4、将具有会聚特性的二维亚波长光栅作为单行载流子光探测器的入光窗口,设计并仿真了基于二维亚波长光栅与单行载流子光探测器的光电集成器件(TSGUTC)。利用Atlas软件仿真得到在100w/cm~2光强条件下,单行载流子光探测器在零偏压下直流饱和电流为5.5mA,量子效率为59.52%,带宽为37.7GHz;利用仿真得到TSGUTC在100w/cm~2光强条件下,得到零偏压下直流饱和电流为6mA,量子效率为62%,带宽为41.3GHz。
【学位授予单位】：聊城大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN25
【图文】：

亚波长,周期

亚波长周期光栅反射四分之一波片

亚波长光栅,大学,相位,特性

(a)TE反射曲线(b)TM反射曲线

相位延迟,亚波长光栅,宽光谱,消色差

图 2-3 亚波长光栅宽光谱消色差 1/4 相位延迟结构示意图学李娜等人根据严格耦合波理论和遗传算法，提出了栅的宽光谱消色散差相位延迟器的设计方法[23]，围内实现消色散的相位延迟器，相位延迟量在 90°

【参考文献】