本文關(guān)鍵詞：面向硅基光子集成的光柵器件研究

  更多相關(guān)文章： 硅基光子學(xué) 光柵 耦合效率 波前調(diào)控 等效折射率

【摘要】：光柵的研究與應(yīng)用有著悠久的歷史,隨著現(xiàn)代集成光學(xué)的發(fā)展,特別是硅基光子學(xué)的發(fā)展,新型的微納光柵器件由于其結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣、制作方便,在現(xiàn)代集成光學(xué)中占據(jù)了重要的地位。本論文以光柵為基本結(jié)構(gòu),基于等效折射率法和嚴(yán)格耦合波分析等方法,以光的傳輸方向、強(qiáng)度和波前形狀調(diào)控為主要目標(biāo),找到影響光波傳輸?shù)闹饕蛩丶捌渑c微納結(jié)構(gòu)的關(guān)系,提出并制備出了基于等效折射率法的折射率人工剪裁的切趾光柵耦合器,設(shè)計出了高效率垂直光柵耦合器和波前調(diào)控器等,具體工作如下:(1)基于等效折射率法,提出并制備出了折射率人工剪裁的切趾光柵耦合器,用于解決光柵耦合器e指數(shù)下降的衍射模式與光纖高斯模式之間的不匹配。采用矩形和圓形兩種表面微結(jié)構(gòu),獲得切趾光柵耦合器最高耦合效率分別達(dá)到47.5%和49.5%,3 dB帶寬67 nm和69 nm;對比均勻結(jié)構(gòu)光柵耦合器,測量得到的最高耦合效率分別為41.8%和45.2%,3 dB帶寬69 nm和73 nm。由于模式匹配,切趾光柵耦合器相對均勻光柵耦合器的耦合效率有了明顯提升。(2)分析了光柵垂直耦合時耦合效率的影響因素,設(shè)計了垂直耦合光柵耦合器結(jié)構(gòu),以解決垂直腔面發(fā)射激光器與光柵之間的垂直方向耦合,仿真結(jié)果顯示實(shí)現(xiàn)了垂直耦合效率達(dá)97.4%。進(jìn)一步的,深入研究基于光柵結(jié)構(gòu)的反射特性,設(shè)計出了基于亞波長高對比度光柵結(jié)構(gòu)的反射鏡兼垂直光柵耦合器,在1550 nm波長處獲得99%的反射率和0.3%的垂直耦合效率。本工作為硅基片上光源的實(shí)現(xiàn)提供了兩種可能性。(3)基于嚴(yán)格耦合波分析法,得出了光柵波前調(diào)控的方法,設(shè)計了具有凸透鏡、錐透鏡和閃耀光柵功能的三種亞波長光柵結(jié)構(gòu),透射率分別達(dá)到97%、97.9%和97.5%,以平面的方式設(shè)計出了微光學(xué)領(lǐng)域難于制備的具有良好的聚焦和閃耀效果的微納結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：硅基光子學(xué) 光柵 耦合效率 波前調(diào)控 等效折射率
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN25
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-31
• 1.1 引言9-10
• 1.2 硅基光子學(xué)的研究歷史與進(jìn)展10-17
• 1.2.1 硅基光子學(xué)的發(fā)展10-15
• 1.2.2 硅基光電子集成15-17
• 1.3 光柵概述17-20
• 1.3.1 光柵的基本性質(zhì)18-19
• 1.3.2 光柵的基本應(yīng)用19-20
• 1.4 硅基集成光柵器件的發(fā)展現(xiàn)狀20-28
• 1.4.1 光柵耦合器的發(fā)展現(xiàn)狀21-26
• 1.4.2 亞波長高對比度光柵的發(fā)展現(xiàn)狀26-28
• 1.5 本論文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)28-31
• 第2章 光柵的相關(guān)理論31-61
• 2.1 光波導(dǎo)理論31-37
• 2.1.1 光波導(dǎo)的模式32-33
• 2.1.2 波動方程33-34
• 2.1.3 模式色散34-37
• 2.2 亞波長結(jié)構(gòu)等效介質(zhì)理論37-41
• 2.2.1 亞波長結(jié)構(gòu)的等效介質(zhì)理論37-40
• 2.2.2 亞波長結(jié)構(gòu)的周期閾值40-41
• 2.3 光柵耦合器的衍射特性41-46
• 2.3.1 光柵耦合器的基本理論——Floquet-Bloch理論41-42
• 2.3.2 光柵布拉格條件與k空間波矢圖42-46
• 2.4 光柵的數(shù)值分析方法46-59
• 2.4.1 本征模展開法47-51
• 2.4.2 嚴(yán)格耦合波分析法51-55
• 2.4.3 時域有限差分法55-59
• 2.5 本章小結(jié)59-61
• 第3章 等效折射率人工剪裁的光柵耦合器61-83
• 3.1 引言61
• 3.2 等效折射率人工剪裁的寬帶高效光柵耦合器設(shè)計61-67
• 3.3 等效折射率人工剪裁的光柵耦合器制備與測試分析67-81
• 3.3.1 光柵耦合器的制備工藝流程74-77
• 3.3.2 光柵耦合器測試系統(tǒng)77-78
• 3.3.3 等效折射率人工剪裁的光柵耦合器的測試結(jié)果及分析78-81
• 3.4 本章小結(jié)81-83
• 第4章 面向硅基片上光源的垂直光柵耦合器和反射器83-111
• 4.1 引言83-84
• 4.2 垂直光柵耦合反射混合結(jié)構(gòu)的特性84-90
• 4.2.1 垂直光柵耦合反射混合結(jié)構(gòu)84-86
• 4.2.2 垂直光柵耦合反射混合結(jié)構(gòu)的特性分析86-90
• 4.2.2.1 耦合光柵參數(shù)對耦合特性的影響86-88
• 4.2.2.2 反射光柵參數(shù)對耦合特性的影響88-90
• 4.3 面向硅基片上光源的亞波長高對比度光柵垂直耦合和反射器90-110
• 4.3.1 亞波長高對比度光柵的反射特性91-104
• 4.3.1.1 亞波長高對比度光柵的解析分析92-99
• 4.3.1.2 亞波長高對比度光柵反射率解析解的收斂性99-101
• 4.3.1.3 亞波長高對比度光柵高反射的物理機(jī)制101-104
• 4.3.2 基于亞波長高對比度光柵的反射鏡和耦合器104-110
• 4.3.2.1 亞波長高對比度光柵參數(shù)對反射特性的影響106-108
• 4.3.2.2 亞波長高對比度光柵參數(shù)對耦合特性的影響108-109
• 4.3.2.3 亞波長高對比度光柵的制造誤差容限109-110
• 4.4 本章小結(jié)110-111
• 第5章 基于亞波長高對比度光柵的波前調(diào)控器111-119
• 5.1 引言111
• 5.2 亞波長高對比度光柵高透射的物理機(jī)制111-113
• 5.3 非周期性亞波長高對比度光柵的相位調(diào)控方法113-115
• 5.4 基于非周期性亞波長高對比度光柵的波前調(diào)控器115-118
• 5.5 本章小結(jié)118-119
• 結(jié)論119-121
• 參考文獻(xiàn)121-131
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的科研成果131-133
• 致謝133

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