基于二元光学矢量理论的太赫兹亚波长功能器件研究

发布时间：2017-05-06 05:06

  本文关键词：基于二元光学矢量理论的太赫兹亚波长功能器件研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太赫兹功能器件作为太赫兹系统应用的重要基础和关键,在太赫兹应用系统构建中的作用不可或缺,因此逐渐成为国际研究的热点。目前已有基于光子晶体法、金属微结构法、液晶法等方法设计太赫兹滤波器、偏振分光器,波分复用器、光开关的报道,但研究手段主要集中在光子晶体方法,通过其他方法设计太赫兹功能器件的理论、设计和制作方法的研究力度仍有所欠缺,而且目前所设计的太赫兹功能器件都是采用比较复杂的人工结构,设计方法较为单一、制造加工难度大、成本较高。基于此,本文围绕太赫兹亚波长结构功能器件理论设计及其应用展开研究,结合二元光学矢量衍射理论与全局优化算法,提出亚波长二元简单周期结构以实现太赫兹偶数分束。研究结果表明,在合适的材料和结构参数设置下,该结构可实现零级有效抑制、高衍射效率、高均匀性的太赫兹偶数分束,突破标量理论设计局限性,可降低器件制作难度和成本,可拓展到太赫兹滤波器、太赫兹吸收器、太赫兹调制器、太赫兹波带片等太赫兹功能器件,应用于未来太赫兹光通信和成像系统中。本文的主要创新性研究内容如下:1、研究亚波长二元简单周期结构的分束特性,提出运用该结构以实现波导耦合输出的偶数分束。以太赫兹波段为例,建立科学的目标评价函数,结合二元光学矢量衍射理论和全局优化算法,优化光栅结构参数(如占空比f、光栅周期d、槽深h),设计得到了多个波导耦合型偶数分束器,有效实现零级抑制下的高衍射效率均匀偶数分束。研究结果表明,在最优的结构参数下,硅基4分束器在太赫兹波段的分束总效率可达91.83%,零级衍射效率抑制在0.211%以下,均匀性误差控制在1.52×10-4以内,各分束能量达到均匀分布,偶数分束性能非常好。在此基础上,我们深入探究了本研究设计方法突破传统标量理论局限性的物理机理,其物理机制是:零级衍射光在亚波长结构内发生共振效应以及干涉相消效应而无法透射,而其他非零级次上同时满足干涉相长条件,将更多的能量分配到其他非零级次上。该工作在论文第3章。2、研究二元简单周期介质膜光栅结构的分束特性,提出运用该结构以实现自由空间输出的偶数分束。由于该结构较波导耦合型增加了基底厚度这个结构参数,我们对评价函数进行了优化,给出了合适的权重因子。同样以太赫兹波段为例,运用二元光学矢量衍射理论与全局优化算法,通过优化光栅结构参数(如占空比f、光栅周期d、槽深h1、基底厚度h2,设计得到了多个自由空间型偶数分束器,有效实现零级抑制、高衍射效率均匀分束,突破标量理论设计局限性,降低器件制作难度和成本。研究结果表明,优化设计得到的最佳分束总效率可达99.50%,均匀性误差控制在2.01×10-12以内;硅基4分束器分束总效率达到92.23%,零级衍射效率抑制在0.192%以下,均匀性误差控制在6.51×10-6以内,各分束能量达到均匀分布。在此基础上,我们探讨该设计方法利用亚波长结构的共振效应及倏逝波传播效应消除零级衍射光及将能量分配到其他非零级次的物理机制。该工作在论文第5章。3、分析波导耦合型太赫兹偶数分束器的制作和测试冗余度,揭示了入射波长λ、入射角θ、偏振角Ψ、脊宽a、槽宽b、槽深h、占空比f、陡直度φ以及孔径(入射波束宽w、器件孔径l)等参数对分束器性能的影响规律,解释其中的物理机制。我们以硅基4分束器为例,分析了入射条件(入射波长λ、入射角θ、偏振角Ψ)的改变以及分束器本身结构参数(脊宽a、槽宽b、槽深h、占空比f)以及陡直度φ的制作误差对分束器性能的影响,给出了入射条件参数与结构参数及陡直度φ的冗余度:入射参数中的波长λ偏差小于4μm,入射角θ偏差小于8°,偏振角Ψ偏移量小于15°,结构参数中的脊宽a、槽宽b偏移量小于±2μm,槽深h误差小于±6μm,陡直度φ偏移量小于1.3°时,分束效果好。我们还分析了由于测试条件和结构参数变化导致器件分束性能变差的物理机制,其原因是:电磁场的边界条件的改变之间导致严格耦合波理论求解的各级衍射级次能量的数值解与设计值之间的偏离。考虑到实际应用中器件的空间孔径以及入射波束宽是有限的,我们还以硅基四分束器为例,运用时域有限差分法研究了器件空间孔径l和入射波束束宽w对器件分束性能的影响。研究结果表明,分束器的器件孔径l的减小将引起低级次衍射效率的增大与高级次衍射效率的减小,导致分束均匀性劣化;入射波束宽w的减小将引起各衍射级条纹角宽度的增大,使得分束束斑增大;只有当束宽w与器件孔径l达到一定数值时(w=l350d),相对均匀性误差和束斑才能保持在较小范围内,器件性能接近于孔径无限长情况下的结果。据此我们给出了设计加工的器件孔径大小,并运用光刻和等离子体刻蚀工艺制作硅基4分束器,进行表面形貌测试,讨论制作误差对器件性能的影响。该工作在论文第4章,对波导耦合型偶数分束器的设计、制作和测试有较强的指导意义。4、分析自由空间型太赫兹偶数分束器的制作和测试冗余度,获得其入射条件参数、结构参数、陡直度及孔径的冗余度。以硅基4分束器为例,分析了入射条件(入射波长λ、入射角θ、偏振角Ψ)的改变及分束器本身结构参数(脊宽a、槽宽b、槽深h1、基底厚度h2、占空比f)以及陡直度φ的制作误差对分束器性能的影响,给出了入射条件参数与结构参数及陡直度的允许偏差范围:入射参数中的波长λ偏移量小于±1μm,偏振角Ψ偏移量小于25°,入射角θ偏移量小于1°,结构参数中的脊宽a、槽宽b、槽深h1、基底厚度h2偏移量小于±1μm,陡直度φ偏移量小于0.4°,器件仍保持较好的分束性能;运用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method,FDTD)初步分析了器件的孔径冗余度。该工作在论文第5章。本文提出亚波长二元简单周期结构以实现新型太赫兹偶数分束器,运用二元光学矢量方法结合全局优化算法进行优化设计,突破了传统标量方法设计的局限性,有效地抑制了零级衍射,用二元简单周期结构实现了偶数分束;所设计和制作的太赫兹偶数分束器由于其结构简单、功能可扩展、制作方便,可望在未来太赫兹通讯与成像系统中获得应用。
【关键词】：二元光学 矢量理论 亚波长结构 太赫兹偶数分束器 全局优化算法
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O436.1
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-23
• 1.1 太赫兹概述14-16
• 1.2 太赫兹功能器件研究现状及发展趋势16-19
• 1.3 亚波长器件功能及其特点19
• 1.4 课题来源、本文的主要研究内容、结构及创新点19-22
• 1.4.1 课题的来源19
• 1.4.2 本文的主要研究内容和采用的研究方案及方法19-20
• 1.4.3 本文的结构20-21
• 1.4.4 本文的创新点21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 矢量理论与算法研究23-54
• 2.1 严格耦合波法（RCWA）23-43
• 2.1.1 TE模入射单层光栅25-32
• 2.1.2 TM模入射单层光栅32-33
• 2.1.3 任意偏振入射单层光栅33-38
• 2.1.4 TE模入射多层介质膜光栅38-43
• 2.2 时域有限差分法（FDTD）43-50
• 2.2.1 特点及适用范围44
• 2.2.2 理论模型与思路44-46
• 2.2.3 方法求解过程46-50
• 2.3 遗传优化算法（GA）50-52
• 2.4 模拟退火算法（SA）52-53
• 2.5 本章小结53-54
• 第3章 基于亚波长简单结构波导耦合型太赫兹偶数分束器设计54-67
• 3.1 基于单层光栅严格耦合波程序编制及验证结果55-57
• 3.2 波导耦合型太赫兹偶数分束器设计基本原理57-61
• 3.2.1 模型58-59
• 3.2.2 评价函数的建立59-60
• 3.2.3 评价函数的优化60-61
• 3.3 设计实例及结果61-64
• 3.4 突破标量理论设计局限性的物理机理分析64-65
• 3.5 本章小结65-67
• 第4章 波导耦合型太赫兹偶数分束器冗余度分析及制作67-91
• 4.1 入射条件冗余度分析67-68
• 4.1.1 入射波长67-68
• 4.1.2 入射角68
• 4.1.3 偏振角68
• 4.2 结构参数冗余度分析68-70
• 4.2.1 脊宽和槽宽68-69
• 4.2.2 槽深69-70
• 4.2.3 占空比70
• 4.2.4 小结70
• 4.3 陡直度冗余度分析70-72
• 4.4 孔径冗余度分析72-81
• 4.4.1 固定波束束宽时器件孔径的影响73-75
• 4.4.2 固定器件孔径时波束束宽的影响75-77
• 4.4.3 入射波束充满器件孔径且同时改变的影响77-79
• 4.4.4 物理机理分析79-81
• 4.5 运用周期性边界条件FDTD法验证RCWA的设计结果81-84
• 4.6 器件制作和表面形貌测试84-89
• 4.6.1 制作工艺简介及分束器制作84-87
• 4.6.2 分束器表面形貌测试87-89
• 4.7 本章小结89-91
• 第5章 基于亚波长二元简单周期介质膜光栅结构自由空间型太赫兹偶数分束器设计及其冗余度分析91-105
• 5.1 设计理论与方法91-94
• 5.2 优化设计实例及结果94-96
• 5.3 物理机制分析96
• 5.4 冗余度分析96-103
• 5.4.1 入射条件冗余度分析96-98
• 5.4.1.1 入射波长97
• 5.4.1.2 入射角97
• 5.4.1.3 偏振角97-98
• 5.4.2 结构参数冗余度分析98-100
• 5.4.2.1 脊宽和槽宽98
• 5.4.2.2 槽深98-99
• 5.4.2.3 基底厚度99
• 5.4.2.4 占空比99
• 5.4.2.5 小结99-100
• 5.4.3 陡直度冗余度分析100-101
• 5.4.4 孔径冗余度分析101-103
• 5.4.4.1 周期性边界条件FDTD验证RCWA设计结果101-102
• 5.4.4.2 FDTD分析入射波束充满器件孔径且同时改变的影响102-103
• 5.5 本章小结103-105
• 第6章 总结与展望105-108
• 6.1 论文的主要研究成果105-106
• 6.2 展望106-108
• 参考文献108-115
• 致谢115-116
• 攻读博士学位期间的研究成果116-117

  本文关键词：基于二元光学矢量理论的太赫兹亚波长功能器件研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：347772