亚波长金属偏振分束光栅设计分析

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点. 关键词： 亚波长金属偏振分束光栅 有效介质理论 薄膜光学 严格耦合波理论     

利用基于自动复形技术的二维光子晶体模型设计宽角度宽波长偏振分束器

基于自动复形技术，在148—152μm的近红外波段设计了可以实现全角度偏振分束（TM模透过，TE模反射）的波状膜层二维光子晶体结构.从能带角度解释了全角度偏振分束的原理.波状膜层倾角θ和a-Si单层膜厚T分别可以在38°—49°和014—015μm的范围内变动，不影响全角度的偏振特性.对波状膜层进行了变形，针对波长128—1 31μm设计了宽角度偏振分束的箭羽型二维光子晶体结构.对比两种结构的能带，阐明了二 维光子晶体偏振分束器光线入射角范围的拓宽与能带结构变化的关系.能带计算全部采用平 面波展开算法. 关键词： 偏振分束 平面波展开 完全禁带     

基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器

在金属-电介质结构的基础上提出了一种基于金属狭缝阵列的各向异性偏振分束器,并采用有限元法研究了横磁(TM)和横电(TE)偏振光入射后结构所表现出的负反射和镜面反射等特性.计算结果表明,当偏振光的入射角设定在20?—70?时,入射的TM光发生强烈的负反射,而TE光的负反射很弱,并随着波长的增加而急剧下降.分析可得偏振分束光栅的理想负反射点和反射面的完美对称响应效果.通过仿真得到了理想负反射点的取值范围.结合严格耦合波法软件,计算不同偏振光入射时负反射和镜面反射条件下的反射率,其消光比高达10~6.     

亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性

 采用严格耦合波理论并结合矩阵LU分解法,分析了亚波长介质光栅的刻槽深度、占空比、入射角、入射波长等参数对TE偏振和TM偏振0级衍射效率的影响。结果表明:在1 550 nm波长处,出现瑞利反常现象。由此提出利用瑞利反常现象设计工作波长为1 550 nm的偏振分束光栅,通过优化设计确定了最佳设计参数,即光栅周期为l0/2,瑞利入射角为30°,刻槽深为0.9l0,占空比为0.5。结果表明,参数优化后的偏振分束光栅可以使TE偏振0级反射波和TM偏振0级透射波同时达到近100%的衍射效率。     

集成光学 光电集成与器件

TN2562006054307一种亚波长偏振分波/合波器的研制=Development ofbroadband polarizing beamsplitter/combiner[刊,中]/张亮(武汉大学物理科学与技术学院.湖北,武汉(430072)),李承芳…//光学学报.—2006,26(7).—1048-1052针对传统偏振分束器窄波段、窄角度范围的不足,研制了一种在宽波段宽角度范围内具有180°分光功能的偏振分束器/耦合器。该器件基于线栅偏振器和亚波长光栅结构原理设计,利用半导体工艺的刻蚀技术制作。利用一维金属线栅对入射电磁波的偏振响应和亚波长光栅仅存在零级衍射的特性,实现了较宽的通带宽度与可接受角度范围…     

光子晶体全反射贯穿偏振滤波器的理论研究

 为了研究1维光子晶体中光的全反射贯穿效应及其偏振滤波特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波在大于全反射角入射1维光子晶体的透射率,发现在透射波中出现了全反射贯穿效应。研究了TE波和TM波的全反射贯穿效应随介质光学厚度和周期数的变化特征,表明：全反射贯穿峰的频率随介质光学厚度的增加而减少,全反射贯穿峰数与周期数相等。且全反射贯穿效应具有优良的偏振滤波特性,利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的1维光子晶体的偏振滤波器。     

亚微米光栅零级衍射特性的数值研究

用耦合波理论分析了亚微米光栅对光波场的衍射作用,给出了在TE和TM偏振入射条件下矩阵形式的耦合波方程,研究了光栅在TE偏振入射条件下可见光波段内的反射和透射零级衍射特性。亚微米光栅零级衍射效率是波长、偏振和入射角的函数,在不同照明、观察和光栅参数条件下,光栅零级衍射具有非常复杂的光谱结构,经过适当的优化光栅参数,零级衍射具有许多独特的衍射特性,在许多应用领域具有广泛的应用前景。     

非对称偏振分束光栅的矢量衍射优化设计

基于严格耦合波理论分析了一种非对称偏振分束光栅的设计。这种偏振分束光栅分别在1级和0级衍射级次上衍射TE和TM偏振波。介绍了利用遗传算法设计偏振分束光栅的方法,并给出了优化实例。仿真结果表明:在设计波长为1.55时,TE偏振波在1级的衍射效率大于93%,TM偏振波在0级的衍射效率大于99%,此时1级和0级的透射消光比分别达到了9914.1和46841.5。通过对设计结果的分析发现,该偏振分束光栅在设计波长附近100nm的波长范围内都具有较高的消光比(大于100),达到了较好的偏振分束效果。     

亚波长介质光栅的闪耀特性分析

采用严格耦合波理论与矩阵LU分解法,求解了亚波长矩形介质光栅的衍射场,给出了TE和TM偏振波的耦合波方程组及其矩阵形式.通过数值计算分析了TE和TM偏振波的入射角、刻槽深度、入射波长等参量对＋1级衍射波衍射效率的影响.结果表明,当Λ=0.5λ0,θ=55°,d=0.38λ0,λ=10.6 μm时可以实现对TE偏振波＋1级的闪耀,衍射效率达到近90%,同时具有较宽广的角度适应范围.     

金属-电介质微盘阵列红外吸收器的光学特性分析

根据亚波长微结构的异常光谱特性,提出了一种"圆形铝盘-圆形SiO_2盘-铝衬底"的二维周期性微结构可调谐红外吸波器.利用有限元算法对其红外光谱反射性质进行了数值模拟,发现该结构对入射的TE或TM光偏振态、在0°~60°大入射角范围内具有良好的吸波效果,共振波长调谐范围4~11μm.用局域等离子体激元共振理论解释了红外吸波机理,证明了所提出的多层微盘结构具有更宽的调谐特性和更好的吸收效率.     

Connecting-layer-based polarizing beam splitter grating with high efficiency for both TE and TM polarizations

We describe a novel polarizing beam splitter (PBS) of transmission connecting-layer-based grating, which can show high efficiency for TE polarization in the ?1st order and TM polarization in the 0th order. According to the modal method, grating duty cycle and period are prescribed to obtain high efficiency for TM polarization. Using the rigorous coupled-wave analysis, grating depth and thickness of the connecting layer are optimized to achieve high efficiency for TE polarization. The presented PBS has advantages of wideband properties for incident wavelength and angle. Most importantly, the efficiency is improved greatly for TE polarization compared with the reported PBS based on fused-silica grating.     

基于自准直效应的光子晶体异质结偏振分束器

基于光子晶体的自准直效应和禁带特性,提出了一种具有非正交异质结结构的光子晶体偏振分束器.无需引入缺陷或波导,可使光波在该结构中准直无发散地传输并实现分束功能,对制造工艺的要求大大降低.利用Rsoft软件,结合平面波展开法和二维时域有限差分法,对提出的偏振分束器进行了仿真研究.结果表明,该偏振分束器在一个较大的频率范围f=0.275—0.285(a/λ)内可实现横电(TE)和横磁(TM)模的大角度偏振分离,TE和TM模的透过率均在88%以上,偏振消光比分别大于26.57 dB和17.50 dB.该结构可应用到太赫兹波段的传输系统中,a=26μm,尺寸大小为572μm×546μm,在91—95μm波长范围内可实现TE和TM模的分离.利用该结构可设计用于光通信系统(n=3.48)的偏振分束器,a=426.25 nm,结构仅为9.38μm×8.95μm.本方案结构简单,易于集成,有望在集成光路的发展中发挥重要作用.     

A reflective surface-relief two-layer grating for splitting beams with the polarization-selective property

A polarization-selective beam splitter is presented based on a reflective surface-relief two-layer grating with a metal slab. The grating is composed of two dielectric layers and a metal slab on the substrate. For TE polarization, efficiencies of 97.58% can be diffracted into the reflective −1st order. For TM polarization, two-port output of 47.55% and 47.11% can be split into the 0th order and the −1st order, respectively. Such a polarization-selective beam splitter can be fulfilled by one grating in reflection. The grating depths of two layers are optimized by using rigorous coupled-wave analysis with the given duty cycle of 0.6 and period of 1100 nm. The performance for different incident conditions is investigated when the incident wavelength and angle deviate from the central wavelength and the Bragg angle, respectively. For TM polarization, good uniformity can still be achieved within the given incident wavelength and angle regions. For TE polarization, the reflective polarization-selective beam splitter can have merits of wideband for different incident wavelengths.     

Tunability of temperature-dependent absorption in a graphene-based hybrid nanostructure cavity

Enhanced absorption is obtained in a hybrid nanostructure composed of graphene and one-dimensional photonic crystal as a cavity in the visible wavelength range thanks to the localized electric field around the defect layers. The temperature-induced wavelength shift is revealed in the absorption spectra in which the peak wavelength is red-shifted by increasing the temperature. This temperature dependence comes from the thermal expansion and thermo-optical effects in the constituent layers of the structure. Moreover, the absorption peaks can be adjusted by varying the incident angle. The results show that absorption is sensitive to TE/TM polarization and its peak values for the TE mode are higher than the TM case. Also, the peak wavelength is blue-shifted by increasing the incident angle for both polarizations. Finally, the possibility of tuning the absorption using the electro-optical response of graphene sheets is discussed in detail. We believe our study may be beneficial for designing tunable graphene-based temperature-sensitive absorbers.     

填充率渐变型波状结构二维光子晶体

填充率渐变引起的能带结构和等频面结构的变化是填充率渐变型波状结构二维(2D)光子晶体(PC)产生光路转弯现象的根本原因,由于TM模和TE模在能带结构上存在差异,光路转弯现象就具有明显的偏振选择特性,能够实现归一化频率a/λ为0.29~0.33的偏振分束。利用时域有限差分(FDTD)法模拟了TM模的U型转弯波导,发现出射光位置对入射波长和入射角的变化很敏感,位移变化量分别达到0.38μm/10 nm和0.29μm/(°)。利用TM模的U型转弯波导构建了新型的平行平面谐振腔,并指出由填充率渐变型波状结构二维光子晶体和一维多层薄膜构成的混合结构在光分束和抑制光束发散方面的作用及其在平行平面谐振腔中的潜在应用。     

表层厚度渐变一维耦合腔光子晶体的反射相位特性及其应用

利用传输矩阵法研究了表层厚度渐变的一维非对称耦合腔光子晶体的反射相位特性. 研究表明, 光子禁带内(包括缺陷模附近)的反射率在98%以上, 且基本不受表层厚度影响, 特别是, 在非正入射情况下, 简并的缺陷模随着表层厚度的变化会发生分裂; 进一步研究发现, 在缺陷模分裂处附近, TE, TM偏振的反射相位以及它们之间的相位差均敏感地依赖于表层厚度的变化, 从而使得反射光的偏振态也随表层厚度的变化而敏感变化, 其物理机理在于缺陷模分裂所造成的剧烈相位变化. 基于上述特性, 设计了一种表层厚度呈二维周期变化的一维光子晶体结构, 从该结构反射的激光经透镜聚焦后, 在聚焦区域同时存在各种偏振态(包括沿不同方向的线偏振、左旋或右旋圆偏振、椭圆偏振等)的子光束, 它们叠加后在聚焦区域将产生具有无规相位和无规偏振态的光场. 以上结果能有效降低激光的相干性, 在激光核聚变等领域有潜在的应用价值.     

一维金属-介质周期结构的自准直特性和亚波长成像

计算了一维金属-介质周期结构(1DMD)的色散曲线，利用传输矩阵法模拟了该结构对入射高斯光束的自准直作用，着重讨论了金属层吸收的影响；对该结构在半波长厚度时近场成像特性进行了分析，单光源的成像分辨率为λ/8，达到亚波长分辨效果；分辨率随着光源逐渐远离近场范围而降低. 双狭缝的成像模拟进一步验证了1DMD结构的近场亚波长成像能力，分辨率达到λ/3.     

TE and TM defective bands splitting in one-dimensional coupled cavity waveguides

Transverse magnetic (TM) and transverse electric (TE) defective bands will split with different incident angles (wave-vectors) in the one-dimensional coupled cavity waveguide. Different defective band properties are shown, including the shift of pass-band frequency and the variation of defective band width resulting from different localization properties of the electric field in the defective layer. The critical splitting angle, at which splitting of the TE and TM defective bands emerges, will decrease with increasing dielectric index of the defective layer.     

线偏振光在手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性研究

从理论上分析了手征负折射介质中的横向位移特性,给出了线极化波入射条件下发生全反射时的横向位移随入射角的关系曲线。当入射角处于两个本征波的临界角之间时,TE和TM分量对应的横向位移方向相反。而当入射角大于全内反射角时,两个分量都将朝着正方向发生横向位移。通过比较发现手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性与常规介质和一般手征介质也有着很大的不同之处。