【摘要】：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展,亞波長(zhǎng)光柵作為重要的光學(xué)功能元件,在光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。亞波長(zhǎng)光柵是由光柵介質(zhì)(高折射率材料)與空氣(低折射率)介質(zhì)構(gòu)成,光柵周期遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng),只存在零級(jí)衍射波,高階衍射波均為消逝波。因此,通過(guò)改變亞波長(zhǎng)光柵的周期、占空比、厚度等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)光束的波前相位調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)衍射特性的改變(如:透射、反射、偏振分束、偏轉(zhuǎn)、會(huì)聚等)。利用亞波長(zhǎng)光柵可以制備成反射鏡、透射鏡、分束器、偏轉(zhuǎn)器等高性能的光學(xué)功能器件,因此也成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。本論文主要研究基于亞波長(zhǎng)光柵的波前相位調(diào)控特性,用于實(shí)現(xiàn)光束的會(huì)聚、相位延遲功分功能,通過(guò)設(shè)計(jì)與仿真得到一維亞波長(zhǎng)光柵的單焦點(diǎn)會(huì)聚、二維亞波長(zhǎng)光柵的單焦點(diǎn)會(huì)聚和雙焦點(diǎn)會(huì)聚、一維亞波長(zhǎng)光柵相位延遲器。最后,設(shè)計(jì)并仿真基于二維亞波長(zhǎng)光柵與單行載流子光探測(cè)器的光電集成器件,利用二維亞波長(zhǎng)光柵的會(huì)聚特性使得光探測(cè)器的器件特性得到了提升。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:1、比較了三種亞波長(zhǎng)光柵的分析方法,即嚴(yán)格耦合波法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)、有限元法(Finite Element Method)、模式匹配法(Model Method)。嚴(yán)格耦合波法能夠清晰地分析光波在亞波長(zhǎng)光柵表面的衍射特性,而模式匹配法則更適合分析光在亞波長(zhǎng)光柵內(nèi)部的作用情況;對(duì)于非周期亞波長(zhǎng)光柵的數(shù)值計(jì)算,利用有限元分析法對(duì)亞波長(zhǎng)光柵的求解域進(jìn)行網(wǎng)格劃分離散化,以模擬周期非周期亞波長(zhǎng)光柵的層狀結(jié)構(gòu)相互作用的電磁波,滿足每個(gè)極化的電磁場(chǎng)邊界條件,并得到亞波長(zhǎng)光柵的反射和透射衍射效率。2、分析比較了一維條形亞波長(zhǎng)光柵與二維塊狀亞波長(zhǎng)光柵的會(huì)聚效果,利用MATLAB數(shù)學(xué)工具進(jìn)行光柵數(shù)據(jù)的計(jì)算并利用COMSOL有限元仿真軟件進(jìn)行亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的仿真。工作波長(zhǎng)為1550nm的光束入射到一維條形亞波長(zhǎng)光柵,光束透射率為92.3%,焦距為15.1μm,消光比為19.6dB;工作波長(zhǎng)在1550nm的光束入射到二維塊狀亞波長(zhǎng)光柵,塊狀亞波長(zhǎng)光柵在SiO_2上呈現(xiàn)不同位置的排布,光束會(huì)聚的焦點(diǎn)由每個(gè)塊狀亞波長(zhǎng)光柵排列的位置和每個(gè)塊狀亞波長(zhǎng)光柵的旋轉(zhuǎn)角度共同決定的。得到光束透射率為96.2%,焦距為8.3μm,消光比為19.8dB;根據(jù)二維塊狀亞波長(zhǎng)光柵設(shè)計(jì)了兩個(gè)單元的并排分布,得到的二維塊狀亞波長(zhǎng)光柵具有雙會(huì)聚焦點(diǎn),會(huì)聚光束的透射率分別為42.4%和40.5%,焦距均為8.02μm,消光比分別為16.2dB、16dB。3、主要圍繞亞波長(zhǎng)光柵的相位延遲以及光束分束特性,理論分析并仿真設(shè)計(jì)了一種新型的亞波長(zhǎng)光柵相位延遲器。利用亞波長(zhǎng)光柵實(shí)現(xiàn)了入射光信號(hào)被分為左右兩束光的功率均分以及兩束光之間的相位延遲。工作波長(zhǎng)為1550nm、偏振態(tài)為TM的入射光信號(hào)經(jīng)過(guò)亞波長(zhǎng)光柵后被均分為左右兩束光,左側(cè)光信號(hào)0相移,右側(cè)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)了π相移,左右兩束光光功率之比為1.005:1,消光比為19.9dB和19.8dB,兩光束之間的相位相差π。4、將具有會(huì)聚特性的二維亞波長(zhǎng)光柵作為單行載流子光探測(cè)器的入光窗口,設(shè)計(jì)并仿真了基于二維亞波長(zhǎng)光柵與單行載流子光探測(cè)器的光電集成器件(TSGUTC)。利用Atlas軟件仿真得到在100w/cm~2光強(qiáng)條件下,單行載流子光探測(cè)器在零偏壓下直流飽和電流為5.5mA,量子效率為59.52%,帶寬為37.7GHz;利用仿真得到TSGUTC在100w/cm~2光強(qiáng)條件下,得到零偏壓下直流飽和電流為6mA,量子效率為62%,帶寬為41.3GHz。
【學(xué)位授予單位】：聊城大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN25
【圖文】：

亞波長(zhǎng)周期光柵反射四分之一波片

(a)TE反射曲線(b)TM反射曲線

圖 2-3 亞波長(zhǎng)光柵寬光譜消色差 1/4 相位延遲結(jié)構(gòu)示意圖學(xué)李娜等人根據(jù)嚴(yán)格耦合波理論和遺傳算法，提出了柵的寬光譜消色散差相位延遲器的設(shè)計(jì)方法[23]，圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)消色散的相位延遲器，相位延遲量在 90°

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2799815