氧化锌亚波长光栅偏振分束器的设计与分析

发布时间：2020-06-20 13:00

【摘要】：偏振分束器是光通信领域一个重要的器件,主要应用于偏振复用的相干光系统中,另外还广泛应用于光开关、光路由、偏振成像、光隔离器等诸多领域。其从传统天然晶体、多层膜结构发展为光子晶体、波导结构,大大缩小了器件尺寸,将尺寸缩小至微米级。然而由于材料和工艺的约束,尺寸大多在微米级,无法做到进一步精密化。亚波长光栅结构精密,设计简单,由于其周期性结构导致电磁场边界条件不同,亚波长光栅具有良好的偏振特性。另外,亚波长光栅具有可调的等效折射率,相比晶体材料更加灵活,容易设计。本文围绕亚波长光栅的偏振特性,使TE波与TM波分开传输,达到偏振分束的目的。使用氧化锌材料代替传统的硅和氮化镓材料,利用严格耦合波理论、等效介质理论和泄露模共振效应设计了一款新型异侧分束的亚波长光栅偏振分束器,并利用有限元工具COMSOL Multiphysics仿真分析了该偏振分束器的性能,最终得到最优结构为光栅周期1150nm,光栅占空比0.35,光栅厚度263nm。经仿真分析,在正入射条件下,该偏振分束器在1450-1600nm波段范围内,对TE模式保持非常高的反射率,反射率大于99%,与此同时,TM模式的反射率低于5%。反射光的消光比在1450nm-1600nm范围内可以达到15dB以上,在1550nm波长处消光比为16dB,而透射光的消光比在1500-1580nm范围内可以达到20dB以上,在1550nm波长处可达到最大值33dB。此外TE模式与TM模式的衍射效率都在95%以上,同时起到良好的功率分束的效果。通过模式方法解决了光栅设计的反问题,逆向推导出光栅各个结构参数,设计了一定尺寸比例的多款同侧分束的氧化锌亚波长光栅偏振器,并基于严格耦合波法编写Matlab程序,对亚波长光栅偏振分束器进行性能分析。另外使用Matlab分析其中尺寸最小的偏振器,评估光栅结构参数对该偏振器偏振性能的影响。设计的偏振分束器在1550nm入射波长处,透射方向上的两个衍射级次(-1级和0级)的消光比均可达25dB以上,设计结果与理论分析结果基本一致。在-1级与0级两个方向消光比均保持在20dB以上的情况下,该新型氧化锌亚波长光栅偏振分束器的各项参数取值范围:入射波长λ取值范围为1530nm-1565nm,入射角度θ取值范围为61.9°-67°,光栅占空比f取值范围为0.49-0.515,光栅周期Λ取值范围为860nm-880nm。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74;TN929.1
【图文】：

集成光路,偏振分束器

分束器件是把一束光分为几束能量、模式或状态不同的几束光的器件，可以分为偏振分束器、功率分束器和波长分束器等，广泛应用于光通信领域各级设备中。其中，偏振分束器（Polarizing Beam Splitter，PBS）是光通信领域一个重要的设备，主要应用于偏振复用的相干光系统中[1,2]。从时分复用、频分复用到波分复用、偏振复用，光通信走过了漫长的发展过程。其中偏振复用越来越为研究人员所关注，其利用光可以分为正交的两束偏振光，使光的信息容量扩大了一倍。偏振分束器正是实现这一重要通信模式的关键设备，它在系统发射端将一束光分离为两束偏振方向正交的的两路光，而在系统接收端，仍然需要混频器将两束混在同一光纤中的偏振光分离开，而偏振分束器同时也是混频器的核心器件。偏振分束器另一个重要应用是偏振透明集成光路[3-6]，如图 1.1 所示，主要思想就是将输入的任意偏振态的光分为两束偏振方向正交的偏振光，然后由偏振转换器将其中之一的光偏振方向旋转 90°，并将两束光再按相同相位合为一束光，这样就可以在不降低光功率的前提下保留一个方向的偏振光，满足了部分光器件对偏振敏感的需求。另外偏振分束器还有很多其他应用，如光开关、光路由、偏振成像、光隔离器等诸多领域[7-11]。

多级衍射

衍射条件为：0 02 sin /g m n栅周期，0 为入射角，0 为入射波在真空条件下的波长射模型中，其他级衍射波也可以存在，只是第一级衍射模型可以忽略更高级次衍射波，可以用 Kogelnik 的双格光栅的双波衍射已广泛应用于光学领域，如应用于垂射光的第一级次衍射波反射回去。期远小于入射波长（Λ<<λ），此时仅剩下零级衍射波波，如图 1.4 所示。零级光栅看似是简单的反射透射不同，故无法当作光学薄膜，用标量衍射理论分析，只期性结构特性，具有明显的偏振特性，这一点与双波衍

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