本文關(guān)鍵詞：基于二元光學(xué)矢量理論的太赫茲亞波長(zhǎng)功能器件研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：太赫茲功能器件作為太赫茲系統(tǒng)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵,在太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建中的作用不可或缺,因此逐漸成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。目前已有基于光子晶體法、金屬微結(jié)構(gòu)法、液晶法等方法設(shè)計(jì)太赫茲濾波器、偏振分光器,波分復(fù)用器、光開關(guān)的報(bào)道,但研究手段主要集中在光子晶體方法,通過其他方法設(shè)計(jì)太赫茲功能器件的理論、設(shè)計(jì)和制作方法的研究力度仍有所欠缺,而且目前所設(shè)計(jì)的太赫茲功能器件都是采用比較復(fù)雜的人工結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)方法較為單一、制造加工難度大、成本較高�；诖�,本文圍繞太赫茲亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)功能器件理論設(shè)計(jì)及其應(yīng)用展開研究,結(jié)合二元光學(xué)矢量衍射理論與全局優(yōu)化算法,提出亞波長(zhǎng)二元簡(jiǎn)單周期結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)太赫茲偶數(shù)分束。研究結(jié)果表明,在合適的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置下,該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)零級(jí)有效抑制、高衍射效率、高均勻性的太赫茲偶數(shù)分束,突破標(biāo)量理論設(shè)計(jì)局限性,可降低器件制作難度和成本,可拓展到太赫茲濾波器、太赫茲吸收器、太赫茲調(diào)制器、太赫茲波帶片等太赫茲功能器件,應(yīng)用于未來太赫茲光通信和成像系統(tǒng)中。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究?jī)?nèi)容如下:1、研究亞波長(zhǎng)二元簡(jiǎn)單周期結(jié)構(gòu)的分束特性,提出運(yùn)用該結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)耦合輸出的偶數(shù)分束。以太赫茲波段為例,建立科學(xué)的目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù),結(jié)合二元光學(xué)矢量衍射理論和全局優(yōu)化算法,優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)(如占空比f、光柵周期d、槽深h),設(shè)計(jì)得到了多個(gè)波導(dǎo)耦合型偶數(shù)分束器,有效實(shí)現(xiàn)零級(jí)抑制下的高衍射效率均勻偶數(shù)分束。研究結(jié)果表明,在最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)下,硅基4分束器在太赫茲波段的分束總效率可達(dá)91.83%,零級(jí)衍射效率抑制在0.211%以下,均勻性誤差控制在1.52×10-4以內(nèi),各分束能量達(dá)到均勻分布,偶數(shù)分束性能非常好。在此基礎(chǔ)上,我們深入探究了本研究設(shè)計(jì)方法突破傳統(tǒng)標(biāo)量理論局限性的物理機(jī)理,其物理機(jī)制是:零級(jí)衍射光在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生共振效應(yīng)以及干涉相消效應(yīng)而無法透射,而其他非零級(jí)次上同時(shí)滿足干涉相長(zhǎng)條件,將更多的能量分配到其他非零級(jí)次上。該工作在論文第3章。2、研究二元簡(jiǎn)單周期介質(zhì)膜光柵結(jié)構(gòu)的分束特性,提出運(yùn)用該結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自由空間輸出的偶數(shù)分束。由于該結(jié)構(gòu)較波導(dǎo)耦合型增加了基底厚度這個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù),我們對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,給出了合適的權(quán)重因子。同樣以太赫茲波段為例,運(yùn)用二元光學(xué)矢量衍射理論與全局優(yōu)化算法,通過優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)(如占空比f、光柵周期d、槽深h1、基底厚度h2,設(shè)計(jì)得到了多個(gè)自由空間型偶數(shù)分束器,有效實(shí)現(xiàn)零級(jí)抑制、高衍射效率均勻分束,突破標(biāo)量理論設(shè)計(jì)局限性,降低器件制作難度和成本。研究結(jié)果表明,優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的最佳分束總效率可達(dá)99.50%,均勻性誤差控制在2.01×10-12以內(nèi);硅基4分束器分束總效率達(dá)到92.23%,零級(jí)衍射效率抑制在0.192%以下,均勻性誤差控制在6.51×10-6以內(nèi),各分束能量達(dá)到均勻分布。在此基礎(chǔ)上,我們探討該設(shè)計(jì)方法利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)及倏逝波傳播效應(yīng)消除零級(jí)衍射光及將能量分配到其他非零級(jí)次的物理機(jī)制。該工作在論文第5章。3、分析波導(dǎo)耦合型太赫茲偶數(shù)分束器的制作和測(cè)試冗余度,揭示了入射波長(zhǎng)λ、入射角θ、偏振角Ψ、脊寬a、槽寬b、槽深h、占空比f、陡直度φ以及孔徑(入射波束寬w、器件孔徑l)等參數(shù)對(duì)分束器性能的影響規(guī)律,解釋其中的物理機(jī)制。我們以硅基4分束器為例,分析了入射條件(入射波長(zhǎng)λ、入射角θ、偏振角Ψ)的改變以及分束器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)(脊寬a、槽寬b、槽深h、占空比f)以及陡直度φ的制作誤差對(duì)分束器性能的影響,給出了入射條件參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)及陡直度φ的冗余度:入射參數(shù)中的波長(zhǎng)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°,結(jié)構(gòu)參數(shù)中的脊寬a、槽寬b偏移量小于±2μm,槽深h誤差小于±6μm,陡直度φ偏移量小于1.3°時(shí),分束效果好。我們還分析了由于測(cè)試條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)變化導(dǎo)致器件分束性能變差的物理機(jī)制,其原因是:電磁場(chǎng)的邊界條件的改變之間導(dǎo)致嚴(yán)格耦合波理論求解的各級(jí)衍射級(jí)次能量的數(shù)值解與設(shè)計(jì)值之間的偏離�？紤]到實(shí)際應(yīng)用中器件的空間孔徑以及入射波束寬是有限的,我們還以硅基四分束器為例,運(yùn)用時(shí)域有限差分法研究了器件空間孔徑l和入射波束束寬w對(duì)器件分束性能的影響。研究結(jié)果表明,分束器的器件孔徑l的減小將引起低級(jí)次衍射效率的增大與高級(jí)次衍射效率的減小,導(dǎo)致分束均勻性劣化;入射波束寬w的減小將引起各衍射級(jí)條紋角寬度的增大,使得分束束斑增大;只有當(dāng)束寬w與器件孔徑l達(dá)到一定數(shù)值時(shí)(w=l350d),相對(duì)均勻性誤差和束斑才能保持在較小范圍內(nèi),器件性能接近于孔徑無限長(zhǎng)情況下的結(jié)果。據(jù)此我們給出了設(shè)計(jì)加工的器件孔徑大小,并運(yùn)用光刻和等離子體刻蝕工藝制作硅基4分束器,進(jìn)行表面形貌測(cè)試,討論制作誤差對(duì)器件性能的影響。該工作在論文第4章,對(duì)波導(dǎo)耦合型偶數(shù)分束器的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。4、分析自由空間型太赫茲偶數(shù)分束器的制作和測(cè)試冗余度,獲得其入射條件參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、陡直度及孔徑的冗余度。以硅基4分束器為例,分析了入射條件(入射波長(zhǎng)λ、入射角θ、偏振角Ψ)的改變及分束器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)(脊寬a、槽寬b、槽深h1、基底厚度h2、占空比f)以及陡直度φ的制作誤差對(duì)分束器性能的影響,給出了入射條件參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)及陡直度的允許偏差范圍:入射參數(shù)中的波長(zhǎng)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°,結(jié)構(gòu)參數(shù)中的脊寬a、槽寬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°,器件仍保持較好的分束性能;運(yùn)用時(shí)域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method,FDTD)初步分析了器件的孔徑冗余度。該工作在論文第5章。本文提出亞波長(zhǎng)二元簡(jiǎn)單周期結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)新型太赫茲偶數(shù)分束器,運(yùn)用二元光學(xué)矢量方法結(jié)合全局優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),突破了傳統(tǒng)標(biāo)量方法設(shè)計(jì)的局限性,有效地抑制了零級(jí)衍射,用二元簡(jiǎn)單周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了偶數(shù)分束;所設(shè)計(jì)和制作的太赫茲偶數(shù)分束器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可擴(kuò)展、制作方便,可望在未來太赫茲通訊與成像系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：二元光學(xué) 矢量理論 亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu) 太赫茲偶數(shù)分束器 全局優(yōu)化算法
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O436.1
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-23
• 1.1 太赫茲概述14-16
• 1.2 太赫茲功能器件研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)16-19
• 1.3 亞波長(zhǎng)器件功能及其特點(diǎn)19
• 1.4 課題來源、本文的主要研究?jī)?nèi)容、結(jié)構(gòu)及創(chuàng)新點(diǎn)19-22
• 1.4.1 課題的來源19
• 1.4.2 本文的主要研究?jī)?nèi)容和采用的研究方案及方法19-20
• 1.4.3 本文的結(jié)構(gòu)20-21
• 1.4.4 本文的創(chuàng)新點(diǎn)21-22
• 1.5 本章小結(jié)22-23
• 第2章 矢量理論與算法研究23-54
• 2.1 嚴(yán)格耦合波法（RCWA）23-43
• 2.1.1 TE模入射單層光柵25-32
• 2.1.2 TM模入射單層光柵32-33
• 2.1.3 任意偏振入射單層光柵33-38
• 2.1.4 TE模入射多層介質(zhì)膜光柵38-43
• 2.2 時(shí)域有限差分法（FDTD）43-50
• 2.2.1 特點(diǎn)及適用范圍44
• 2.2.2 理論模型與思路44-46
• 2.2.3 方法求解過程46-50
• 2.3 遺傳優(yōu)化算法（GA）50-52
• 2.4 模擬退火算法（SA）52-53
• 2.5 本章小結(jié)53-54
• 第3章 基于亞波長(zhǎng)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)波導(dǎo)耦合型太赫茲偶數(shù)分束器設(shè)計(jì)54-67
• 3.1 基于單層光柵嚴(yán)格耦合波程序編制及驗(yàn)證結(jié)果55-57
• 3.2 波導(dǎo)耦合型太赫茲偶數(shù)分束器設(shè)計(jì)基本原理57-61
• 3.2.1 模型58-59
• 3.2.2 評(píng)價(jià)函數(shù)的建立59-60
• 3.2.3 評(píng)價(jià)函數(shù)的優(yōu)化60-61
• 3.3 設(shè)計(jì)實(shí)例及結(jié)果61-64
• 3.4 突破標(biāo)量理論設(shè)計(jì)局限性的物理機(jī)理分析64-65
• 3.5 本章小結(jié)65-67
• 第4章 波導(dǎo)耦合型太赫茲偶數(shù)分束器冗余度分析及制作67-91
• 4.1 入射條件冗余度分析67-68
• 4.1.1 入射波長(zhǎng)67-68
• 4.1.2 入射角68
• 4.1.3 偏振角68
• 4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)冗余度分析68-70
• 4.2.1 脊寬和槽寬68-69
• 4.2.2 槽深69-70
• 4.2.3 占空比70
• 4.2.4 小結(jié)70
• 4.3 陡直度冗余度分析70-72
• 4.4 孔徑冗余度分析72-81
• 4.4.1 固定波束束寬時(shí)器件孔徑的影響73-75
• 4.4.2 固定器件孔徑時(shí)波束束寬的影響75-77
• 4.4.3 入射波束充滿器件孔徑且同時(shí)改變的影響77-79
• 4.4.4 物理機(jī)理分析79-81
• 4.5 運(yùn)用周期性邊界條件FDTD法驗(yàn)證RCWA的設(shè)計(jì)結(jié)果81-84
• 4.6 器件制作和表面形貌測(cè)試84-89
• 4.6.1 制作工藝簡(jiǎn)介及分束器制作84-87
• 4.6.2 分束器表面形貌測(cè)試87-89
• 4.7 本章小結(jié)89-91
• 第5章 基于亞波長(zhǎng)二元簡(jiǎn)單周期介質(zhì)膜光柵結(jié)構(gòu)自由空間型太赫茲偶數(shù)分束器設(shè)計(jì)及其冗余度分析91-105
• 5.1 設(shè)計(jì)理論與方法91-94
• 5.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例及結(jié)果94-96
• 5.3 物理機(jī)制分析96
• 5.4 冗余度分析96-103
• 5.4.1 入射條件冗余度分析96-98
• 5.4.1.1 入射波長(zhǎng)97
• 5.4.1.2 入射角97
• 5.4.1.3 偏振角97-98
• 5.4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)冗余度分析98-100
• 5.4.2.1 脊寬和槽寬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 小結(jié)99-100
• 5.4.3 陡直度冗余度分析100-101
• 5.4.4 孔徑冗余度分析101-103
• 5.4.4.1 周期性邊界條件FDTD驗(yàn)證RCWA設(shè)計(jì)結(jié)果101-102
• 5.4.4.2 FDTD分析入射波束充滿器件孔徑且同時(shí)改變的影響102-103
• 5.5 本章小結(jié)103-105
• 第6章 總結(jié)與展望105-108
• 6.1 論文的主要研究成果105-106
• 6.2 展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-115
• 致謝115-116
• 攻讀博士學(xué)位期間的研究成果116-117

  本文關(guān)鍵詞：基于二元光學(xué)矢量理論的太赫茲亞波長(zhǎng)功能器件研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：347772