面向硅基光子集成的光栅器件研究

发布时间：2017-09-02 11:21

  本文关键词：面向硅基光子集成的光栅器件研究

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【摘要】：光栅的研究与应用有着悠久的历史,随着现代集成光学的发展,特别是硅基光子学的发展,新型的微纳光栅器件由于其结构紧凑、功能多样、制作方便,在现代集成光学中占据了重要的地位。本论文以光栅为基本结构,基于等效折射率法和严格耦合波分析等方法,以光的传输方向、强度和波前形状调控为主要目标,找到影响光波传输的主要因素及其与微纳结构的关系,提出并制备出了基于等效折射率法的折射率人工剪裁的切趾光栅耦合器,设计出了高效率垂直光栅耦合器和波前调控器等,具体工作如下:(1)基于等效折射率法,提出并制备出了折射率人工剪裁的切趾光栅耦合器,用于解决光栅耦合器e指数下降的衍射模式与光纤高斯模式之间的不匹配。采用矩形和圆形两种表面微结构,获得切趾光栅耦合器最高耦合效率分别达到47.5%和49.5%,3 dB带宽67 nm和69 nm;对比均匀结构光栅耦合器,测量得到的最高耦合效率分别为41.8%和45.2%,3 dB带宽69 nm和73 nm。由于模式匹配,切趾光栅耦合器相对均匀光栅耦合器的耦合效率有了明显提升。(2)分析了光栅垂直耦合时耦合效率的影响因素,设计了垂直耦合光栅耦合器结构,以解决垂直腔面发射激光器与光栅之间的垂直方向耦合,仿真结果显示实现了垂直耦合效率达97.4%。进一步的,深入研究基于光栅结构的反射特性,设计出了基于亚波长高对比度光栅结构的反射镜兼垂直光栅耦合器,在1550 nm波长处获得99%的反射率和0.3%的垂直耦合效率。本工作为硅基片上光源的实现提供了两种可能性。(3)基于严格耦合波分析法,得出了光栅波前调控的方法,设计了具有凸透镜、锥透镜和闪耀光栅功能的三种亚波长光栅结构,透射率分别达到97%、97.9%和97.5%,以平面的方式设计出了微光学领域难于制备的具有良好的聚焦和闪耀效果的微纳结构。
【关键词】：硅基光子学 光栅 耦合效率 波前调控 等效折射率
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN25
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-31
• 1.1 引言9-10
• 1.2 硅基光子学的研究历史与进展10-17
• 1.2.1 硅基光子学的发展10-15
• 1.2.2 硅基光电子集成15-17
• 1.3 光栅概述17-20
• 1.3.1 光栅的基本性质18-19
• 1.3.2 光栅的基本应用19-20
• 1.4 硅基集成光栅器件的发展现状20-28
• 1.4.1 光栅耦合器的发展现状21-26
• 1.4.2 亚波长高对比度光栅的发展现状26-28
• 1.5 本论文主要研究内容及创新点28-31
• 第2章 光栅的相关理论31-61
• 2.1 光波导理论31-37
• 2.1.1 光波导的模式32-33
• 2.1.2 波动方程33-34
• 2.1.3 模式色散34-37
• 2.2 亚波长结构等效介质理论37-41
• 2.2.1 亚波长结构的等效介质理论37-40
• 2.2.2 亚波长结构的周期阈值40-41
• 2.3 光栅耦合器的衍射特性41-46
• 2.3.1 光栅耦合器的基本理论——Floquet-Bloch理论41-42
• 2.3.2 光栅布拉格条件与k空间波矢图42-46
• 2.4 光栅的数值分析方法46-59
• 2.4.1 本征模展开法47-51
• 2.4.2 严格耦合波分析法51-55
• 2.4.3 时域有限差分法55-59
• 2.5 本章小结59-61
• 第3章 等效折射率人工剪裁的光栅耦合器61-83
• 3.1 引言61
• 3.2 等效折射率人工剪裁的宽带高效光栅耦合器设计61-67
• 3.3 等效折射率人工剪裁的光栅耦合器制备与测试分析67-81
• 3.3.1 光栅耦合器的制备工艺流程74-77
• 3.3.2 光栅耦合器测试系统77-78
• 3.3.3 等效折射率人工剪裁的光栅耦合器的测试结果及分析78-81
• 3.4 本章小结81-83
• 第4章 面向硅基片上光源的垂直光栅耦合器和反射器83-111
• 4.1 引言83-84
• 4.2 垂直光栅耦合反射混合结构的特性84-90
• 4.2.1 垂直光栅耦合反射混合结构84-86
• 4.2.2 垂直光栅耦合反射混合结构的特性分析86-90
• 4.2.2.1 耦合光栅参数对耦合特性的影响86-88
• 4.2.2.2 反射光栅参数对耦合特性的影响88-90
• 4.3 面向硅基片上光源的亚波长高对比度光栅垂直耦合和反射器90-110
• 4.3.1 亚波长高对比度光栅的反射特性91-104
• 4.3.1.1 亚波长高对比度光栅的解析分析92-99
• 4.3.1.2 亚波长高对比度光栅反射率解析解的收敛性99-101
• 4.3.1.3 亚波长高对比度光栅高反射的物理机制101-104
• 4.3.2 基于亚波长高对比度光栅的反射镜和耦合器104-110
• 4.3.2.1 亚波长高对比度光栅参数对反射特性的影响106-108
• 4.3.2.2 亚波长高对比度光栅参数对耦合特性的影响108-109
• 4.3.2.3 亚波长高对比度光栅的制造误差容限109-110
• 4.4 本章小结110-111
• 第5章 基于亚波长高对比度光栅的波前调控器111-119
• 5.1 引言111
• 5.2 亚波长高对比度光栅高透射的物理机制111-113
• 5.3 非周期性亚波长高对比度光栅的相位调控方法113-115
• 5.4 基于非周期性亚波长高对比度光栅的波前调控器115-118
• 5.5 本章小结118-119
• 结论119-121
• 参考文献121-131
• 攻读博士学位期间取得的科研成果131-133
• 致谢133

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