【摘要】：偏振分束器是光通信領(lǐng)域一個重要的器件,主要應(yīng)用于偏振復用的相干光系統(tǒng)中,另外還廣泛應(yīng)用于光開關(guān)、光路由、偏振成像、光隔離器等諸多領(lǐng)域。其從傳統(tǒng)天然晶體、多層膜結(jié)構(gòu)發(fā)展為光子晶體、波導結(jié)構(gòu),大大縮小了器件尺寸,將尺寸縮小至微米級。然而由于材料和工藝的約束,尺寸大多在微米級,無法做到進一步精密化。亞波長光柵結(jié)構(gòu)精密,設(shè)計簡單,由于其周期性結(jié)構(gòu)導致電磁場邊界條件不同,亞波長光柵具有良好的偏振特性。另外,亞波長光柵具有可調(diào)的等效折射率,相比晶體材料更加靈活,容易設(shè)計。本文圍繞亞波長光柵的偏振特性,使TE波與TM波分開傳輸,達到偏振分束的目的。使用氧化鋅材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅和氮化鎵材料,利用嚴格耦合波理論、等效介質(zhì)理論和泄露模共振效應(yīng)設(shè)計了一款新型異側(cè)分束的亞波長光柵偏振分束器,并利用有限元工具COMSOL Multiphysics仿真分析了該偏振分束器的性能,最終得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)為光柵周期1150nm,光柵占空比0.35,光柵厚度263nm。經(jīng)仿真分析,在正入射條件下,該偏振分束器在1450-1600nm波段范圍內(nèi),對TE模式保持非常高的反射率,反射率大于99%,與此同時,TM模式的反射率低于5%。反射光的消光比在1450nm-1600nm范圍內(nèi)可以達到15dB以上,在1550nm波長處消光比為16dB,而透射光的消光比在1500-1580nm范圍內(nèi)可以達到20dB以上,在1550nm波長處可達到最大值33dB。此外TE模式與TM模式的衍射效率都在95%以上,同時起到良好的功率分束的效果。通過模式方法解決了光柵設(shè)計的反問題,逆向推導出光柵各個結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計了一定尺寸比例的多款同側(cè)分束的氧化鋅亞波長光柵偏振器,并基于嚴格耦合波法編寫Matlab程序,對亞波長光柵偏振分束器進行性能分析。另外使用Matlab分析其中尺寸最小的偏振器,評估光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對該偏振器偏振性能的影響。設(shè)計的偏振分束器在1550nm入射波長處,透射方向上的兩個衍射級次(-1級和0級)的消光比均可達25dB以上,設(shè)計結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。在-1級與0級兩個方向消光比均保持在20dB以上的情況下,該新型氧化鋅亞波長光柵偏振分束器的各項參數(shù)取值范圍:入射波長λ取值范圍為1530nm-1565nm,入射角度θ取值范圍為61.9°-67°,光柵占空比f取值范圍為0.49-0.515,光柵周期Λ取值范圍為860nm-880nm。
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH74;TN929.1
【圖文】：

分束器件是把一束光分為幾束能量、模式或狀態(tài)不同的幾束光的器件，可以分為偏振分束器、功率分束器和波長分束器等，廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域各級設(shè)備中。其中，偏振分束器（Polarizing Beam Splitter，PBS）是光通信領(lǐng)域一個重要的設(shè)備，主要應(yīng)用于偏振復用的相干光系統(tǒng)中[1,2]。從時分復用、頻分復用到波分復用、偏振復用，光通信走過了漫長的發(fā)展過程。其中偏振復用越來越為研究人員所關(guān)注，其利用光可以分為正交的兩束偏振光，使光的信息容量擴大了一倍。偏振分束器正是實現(xiàn)這一重要通信模式的關(guān)鍵設(shè)備，它在系統(tǒng)發(fā)射端將一束光分離為兩束偏振方向正交的的兩路光，而在系統(tǒng)接收端，仍然需要混頻器將兩束混在同一光纖中的偏振光分離開，而偏振分束器同時也是混頻器的核心器件。偏振分束器另一個重要應(yīng)用是偏振透明集成光路[3-6]，如圖 1.1 所示，主要思想就是將輸入的任意偏振態(tài)的光分為兩束偏振方向正交的偏振光，然后由偏振轉(zhuǎn)換器將其中之一的光偏振方向旋轉(zhuǎn) 90°，并將兩束光再按相同相位合為一束光，這樣就可以在不降低光功率的前提下保留一個方向的偏振光，滿足了部分光器件對偏振敏感的需求。另外偏振分束器還有很多其他應(yīng)用，如光開關(guān)、光路由、偏振成像、光隔離器等諸多領(lǐng)域[7-11]。

衍射條件為：0 02 sin /g m n柵周期，0 為入射角，0 為入射波在真空條件下的波長射模型中，其他級衍射波也可以存在，只是第一級衍射模型可以忽略更高級次衍射波，可以用 Kogelnik 的雙格光柵的雙波衍射已廣泛應(yīng)用于光學領(lǐng)域，如應(yīng)用于垂射光的第一級次衍射波反射回去。期遠小于入射波長（Λ<<λ），此時僅剩下零級衍射波波，如圖 1.4 所示。零級光柵看似是簡單的反射透射不同，故無法當作光學薄膜，用標量衍射理論分析，只期性結(jié)構(gòu)特性，具有明顯的偏振特性，這一點與雙波衍

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1 周永光;李民權(quán);潘旭;沈純純;李玄玄;;一種新型金屬光柵結(jié)構(gòu)透射增強特性研究[J];光通信技術(shù);2017年03期

2 潘星辰,莊松林;用總極值方法進行零位光柵結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計[J];儀器儀表學報;1988年01期

3 盧維美;集成光柵器件與微細加工技術(shù)[J];電工電能新技術(shù);1989年01期

4 郝宇;孫曉紅;孫q

本文編號：2722453