【摘要】：光柵是一個(gè)古老的研究課題,經(jīng)過數(shù)代學(xué)者日復(fù)一日嘔心瀝血地潛心研究,光柵已被廣泛應(yīng)用于分束器、偏振器、傳感器、激光器等重要光電器件中。近幾年,一類特殊尺寸的光柵——高折射率差亞波長(zhǎng)光柵(sub-wavelength High Contrast Gratings, HCGs),在光通信領(lǐng)域興起,并取得科研人員的關(guān)注。HCGs不僅可以便捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)來波的高反、高透,更能通過調(diào)制波前的相位實(shí)現(xiàn)對(duì)光波傳播方向的控制,這對(duì)簡(jiǎn)化光電器件結(jié)構(gòu)具有重要意義。 本文圍繞HCGs的相位調(diào)制特性及其在光通信領(lǐng)域的潛在應(yīng)用展開研究工作,具體研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新成果如下： 1.研究了分析周期亞波長(zhǎng)光柵衍射特性的方法——嚴(yán)格耦合波分析法(Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA)及“雙�！狈治隼碚�。用嚴(yán)格耦合波分析法研究了周期HCGs的特性,包括寬帶高反射(寬帶高透射)特性,偏振選擇特性,及維度與波長(zhǎng)的可擴(kuò)展性。同時(shí),研究了分析非周期HCGs衍射特性的方法——有限元法(Finite Element Method, FEM),并較為詳細(xì)的介紹了有限元法的計(jì)算原理,并介紹了用COMSOL軟件分析光波衍射問題時(shí),仿真域的設(shè)置方法。 2.研究了對(duì)光波具有大角度偏轉(zhuǎn)功能的條形HCGs。設(shè)計(jì)了對(duì)1550nmTM垂直入射波高透并偏轉(zhuǎn)30°的非周期條形HCGs,數(shù)值計(jì)算顯示,光波的透射率為0.91,光波偏角為27.42°,這與理論設(shè)計(jì)的30°非常接近。該研究證明,基于相位調(diào)制原理設(shè)計(jì)的離散亞波長(zhǎng)光柵條可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的大角度偏轉(zhuǎn)。 3.從數(shù)學(xué)變換的角度提出了環(huán)形HCGs的設(shè)計(jì)方法,并根據(jù)此方法設(shè)計(jì)了直徑為29.788μm的環(huán)形亞波長(zhǎng)光柵匯聚反射鏡。數(shù)值仿真結(jié)果表明,當(dāng)1550nm的徑向極化波垂直入射到該環(huán)形HCGs上之后,反射波可以實(shí)現(xiàn)匯聚,反射率為0.9163,數(shù)值孔徑為0.8302。在焦點(diǎn)所在的匯聚面上,電場(chǎng)強(qiáng)度分布的半高寬(FWHM)為1.5548μm。 4.從數(shù)學(xué)極限的角度分析了環(huán)形HCGs與條形HCGs的等價(jià)性,并根據(jù)該等價(jià)性提出了用同心環(huán)形HCGs設(shè)計(jì)匯聚高透鏡(高反鏡)的方法。用該方法,設(shè)計(jì)了焦距為5μm的匯聚反射鏡。仿真表明,當(dāng)1550nm的徑向極化波垂直入射到該環(huán)形HCGs上之后,反射波可以實(shí)現(xiàn)匯聚,反射率為0.8538,數(shù)值孔徑高達(dá)0.9213。在反射波的匯聚面上,電場(chǎng)強(qiáng)度分布的半高寬(FWHM)為0.9845μm。 5.研究了二維塊狀HCGs。根據(jù)二維塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了二維塊狀非周期HCGs的設(shè)計(jì)方法,并用二維塊狀非周期HCGs陣列設(shè)計(jì)了對(duì)1550nm TE與TM混合波消偏振的透鏡(同樣的方法,也可以實(shí)現(xiàn)消偏振反射鏡)。仿真表明,當(dāng)入射光是1550nm的TE與TM混合入射波時(shí),透射率為0.8659,數(shù)值孔徑為0.535。在透射波的匯聚平面上,電場(chǎng)分布的平均半高寬為1.7515。在焦距確定的情況下,增大二維塊狀HCGs陣列的面積,可獲得更大的數(shù)值孔徑。另外,當(dāng)改變二維塊兩條邊的長(zhǎng)度時(shí),二維塊狀HCGs對(duì)TE波和TM波的反射特性(以及透射特性)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,故同時(shí)改變兩條邊的長(zhǎng)度就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種偏振態(tài)的調(diào)制�；谠撎匦�,我們提出了用二維塊狀HCGs陣列設(shè)計(jì)新型功分器、波分器以及偏振分束器的架構(gòu)。 6.設(shè)計(jì)了偏角為10°與20°的高反條形HCGs、焦距為15μm與20μm的高反條形HCGs、焦距為15μm與20μm的高反環(huán)形HCGs,且光柵的刻蝕制備工作已經(jīng)完畢。設(shè)計(jì)了測(cè)試光柵反射匯聚、透射匯聚、反射偏轉(zhuǎn)及透射偏轉(zhuǎn)特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并根據(jù)測(cè)試目的,較詳細(xì)的敘述了測(cè)試過程中的關(guān)鍵點(diǎn)與注意事項(xiàng)。 7.對(duì)條形偏轉(zhuǎn)HCGs的反射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的條形偏轉(zhuǎn)HCGs對(duì)光波可實(shí)現(xiàn)17.2°的反射偏轉(zhuǎn),與理論設(shè)計(jì)的20°較為接近。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN929.1;TH74

【參考文獻(xiàn)】

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1 馬長(zhǎng)鏈;黃永清;段曉峰;任曉敏;;High-transmittivity non-periodic sub-wavelength high-contrast grating with large-angle beam-steering ability[J];Chinese Optics Letters;2014年12期

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本文編號(hào)：2433990