GeSi/Si异质结光波导光栅耦合器的设计与模拟

GeSi/Si异质结光波导是硅基光电集成(OEIC)领域一种重要的连接器件,研究其光的输入耦合,提高耦合效率有着重要的意义.通过分析导模-辐射模的耦合理论求得光栅耦合器的辐射损耗系数,设计分析了波导层厚度为2500 nm,入射波长为1300 nm的单模Ge0.05Si0.95/Si异质结波导光栅耦合器的周期、长度和槽深,得出从空气中输入角为75°(从衬底中入射角为16°)时,周期为0.512 μm,槽宽为0.256 μm,光栅长度为2.3 mm,从空气侧输入时耦合效率为22.5%,从衬底输入时耦合效率为46.3%,并对其输入、输出光场进行了数值模拟.     

基于达曼光栅的动态光耦合器

提出了一种基于达曼光栅的动态光耦合器,通过控制装置中达曼光栅位移参量,可实现入射光束的分束或合束以及两者之间的动态转换。适当选择达曼光栅类型可实现任意N×M的动态光耦合。实验中以1550 nm光波长为例,对1×8达曼动态光耦合器进行测量,测得其实现光开关功能时插入损耗为0.43 dB,实现光分束功能时均匀性达到0.03,单路插入损耗均值为10.5 dB。该实验装置易于调节、体积小、能耗低,且关键元件达曼光栅制作工艺成熟,易于批量化生产。特别是在实现中大规模光交换阵列时,该方案就具有更明显的优越性,有实用意义。     

基于亚波长光栅的VCSEL偏振控制研究

为了确定亚波长光栅在微电机械系统(MEMS)波长可调谐VCSEL不同位置(上DBR上表面、上DBR下表面以及内腔)中实现TE和TM偏振控制的光栅参数范围以及光栅在哪个位置时实现偏振控制最稳定,通过MATLAB建立MEMS波长可调VCSEL的模型,然后计算光栅在3种位置时上反射镜(包括空气隙和光栅)随光栅参数变化的反射率,以此来确定它们实现TE/TM稳定偏振的光栅参数范围(即高反射范围内的参数)。将各自的高反射所对应反射率减去相同光栅参数范围内TM/TE低反射对应的反射率,通过反射率差值确定光栅在哪种位置时MEMS波长可调谐VCSEL实现偏振是最稳定的。最后得出的结论是光栅在上DBR下表面几乎无法控制TM偏振,而将光栅放置于内腔中,无论是在TE偏振控制上还是TM偏振上都是最稳定的。在实现TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少10 cm~(-1);而在实现TM偏振稳定时,在TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少5 cm~(-1)。     

用于光纤光栅解调的波长敏感光纤耦合器

为了拓宽光纤耦合器的使用范围,开发光纤耦合器的新功能,采用熔锥技术制作波长敏感耦合器,该耦合器在分光的同时对波长敏感。通过耦合理论验证实验结果,实验数据与理论值相符合。实验中得到波长灵敏度最大值为17.86%/nm的耦合器。采用拉锥工艺制作波长敏感耦合器工艺简单,耦合比峰值对应波长控制易于实现。该耦合器可用于光纤光栅布拉格波长漂移解调。令待解调光纤光栅布拉格波长与耦合器波长灵敏度最大值对应的波长一致,当波长发生漂移时,耦合器输出耦合比发生变化。自制的波长敏感耦合器实现了对布拉格波长为1566.71 nm光纤光栅波长漂移的解调,波长漂移1.80 nm,耦合比变化20.34%。此种解调方式具有光路简单,易于与光纤匹配的优点,可以应用在大型建筑中光纤光栅的健康监测。     

一维增透亚波长光栅的研究

将具有高透射性的亚波长光栅置于微机械波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)的内腔当中可以提高波长的调谐范围,为了使波长调谐范围达到最优则必须优化高透射性的亚波长光栅使其透射率达到最大。利用严格耦合波法分析了亚波长光栅的占空比、周期、厚度和入射角对其透射率的影响并找出最优的光栅参数。通过计算分析可得,对于TE和TM偏振存在最佳的占空比使其透射率达到99.5%。在文中条件下,它们对应的占空比分别为0.23和0.80。而光栅厚度对于TE和TM偏振透射率的影响是周期性的,在一个周期内存在一个最佳值使其透射率达到最高。在文中条件下,TE偏振的厚度周期是150 nm,TM偏振的厚度周期是300 nm。当光栅参数不变时,无论是TE还是TM偏振光,它们的透射率只有在垂直入射光栅时(入射角为0°)才能达到最大。而通过等效介质原理可以得出,周期对透射率没有影响。最后计算了透射率在光栅厚度和占空比同时变化时的变化趋势,并从中得出最优的光栅参数。     

亚波长光栅调制的偏振稳定垂直腔面发射激光器研究

基于微光学技术设计得到了偏振稳定垂直腔面发射激光器结构, 将亚波长光栅结构集成在上分布布拉格反射镜表面, 光栅周期小于材料中光波长, 透射波和反射波中仅包含零级衍射, 避免了高级次衍射造成 的损耗. 集成光栅后不同偏振方向光阈值增益不同, 从而实现偏振控制. 实验结 果显示, 集成亚波长光栅结构后, 整个激射过程中偏振方向被固定在平行于光栅槽方向上, 获得偏振稳定激光输出, 正交偏振抑制比大于12 dB, 且阈值电流仅增大7.14%.     

闪耀型亚波长光栅透镜的柱矢量光聚焦优化和调控

柱矢量光束的紧聚焦在光学微操纵、光学存储、激光微加工、超分辨率成像和粒子加速等领域发挥着重要作用。亚波长光栅平凹透镜对柱矢量光束的紧聚焦的能力仍有提升空间,本文利用闪耀结构将光的能量从零级转移并集中到-1级,对亚波长光栅平凹透镜的聚焦性能进行优化。提高了透镜的衍射效率,增强了焦场的能量。通过调整高斯径向偏振光的形状参数,改变入射光振幅及入射区域半径实现对焦场能量的动态调控。进一步地,调控柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地横向调制焦场,获得多样化形貌的焦斑。本文的优化手段对于其他光栅透镜也具有参考意义,该研究结果在超分辨率成像以及光场调控等领域具有潜在的应用价值。     

亚波长金属光栅的衍射辐射特性研究

分析了亚波长金属光栅的双边衍射辐射机制和特性.利用运动电子激励亚波长光栅结构,研究了其产生的双边衍射辐射.通过三维粒子模拟软件仿真,得到了光栅上下空间的电场空间分布,结合结构辐射布里渊图,证明了亚波长对称光栅上下半空间的衍射辐射场分布同样可以由Smith-Purcell辐射公式来解释,即主要有电子运动速度和光栅周期决定,并分别研究了缝隙宽度、光栅厚度对上下半空间衍射辐射的影响.为进一步研究下半空间的衍射辐射场,采用了非对称的光栅结构,研究表明非对称光栅下半空间衍射辐射场不仅取决于电子运动速度和结构下表面的周期,同时也与电子运动激励起的上半空间的辐射频率范围密切相关.     

亚波长光栅的偏振闪耀特性

 使用琼斯矩阵的方法推导了连续结构亚波长光栅的衍射方程,给出了光栅衍射效率表达式,对偏振特性与衍射特性进行了研究。发现连续结构亚波长光栅仅存在３个衍射级,总衍射效率为100%,且衍射效率可在衍射级间任意分配,0级的偏振态与入射光的偏振态相同,±1级衍射光偏振态与入射光无关,－1级为左旋圆偏振光,＋1级为右旋圆偏振光。通过设置入射光偏振态与光栅相位延迟等参数,可使光栅具有闪耀特性,据此可用于设计高效偏振光分束器和偏振光开关。     

基于亚波长偏振光栅的偏振光分束器设计

利用琼斯矩阵和矢量傅里叶系数方法分析了二元亚波长偏振光栅的偏振特性和衍射效率,并给出了相应的数学解析式.研究发现,通过入射光的偏振可以控制不同衍射输出级的偏振态,且0级输入偏振态与输出偏振态始终相同,而其它级次除线偏光外都与入射偏振态相反.当二元亚波长偏振光栅的位相延迟分别设置为0.62π和π时,可以将二元亚波长偏振光栅设计为1→3或1→2的偏振光分束器,且分束器具有衍射效率高、宽带宽、对入射角的变化不甚敏感的特点.     

间隔叠合式双层亚波长光栅

提出了一种应用价值较高的防伪光栅结构-间隔叠合式双层亚波长光栅,可以展宽基本光栅的光谱峰值带宽、改善光谱线形和光变效果.分析了亚波长光栅光谱峰值带宽展宽和线形改善的原理,用矢量衍射理论验证了理论分析的合理性,并对特定防伪光变设计要求的双层光栅进行了参量优化和光变特性分析.结果表明,满足同相位条件的光谱线形与基本光栅相同,带宽为基本光栅的两倍;满足反相位条件的光谱线形为准矩形,带宽大于基本光栅;亚波长光栅在传统和非传统照明条件下倾斜均能产生彩色光变效果,且传统照明情况下的光变速率较大,利用这种光变速率差可以制作各向异性光变效果.     

一种提高OLED基底出光效率的亚波长光栅设计

为了提高OLED出光效率,在OLED基底表面设计了二维连续表面亚波长光栅。利用等高台阶逼近的方法近似连续表面光栅结构,并结合等效介质理论和薄膜光学原理,设计光栅参数:刻蚀深度0.29 μm,周期大小0.165 μm,底边直径与周期的比值等于1,可以实现宽光谱、广角度的高透射率。利用时域有限差分方法仿真计算了该光栅对OLED基底出光效率的影响,结果表明,出光效率最高可提高30%。     

亚波长光栅偏振分束器的研究

利用单层亚波长硅光栅结构设计出工作在近红外波段的偏振分束器。该偏振分束器在45°入射角附近对TE偏振光具有很高的反射率同时对TM偏振光具有很高的透射率,其设计原理是基于亚波长光栅的泄漏模共振效应以及类布儒斯特效应。利用散射矩阵方法和时域有限差分方法对偏振分束器进行设计和分析。模拟结果显示,该偏振分束器在1390～1600nm的波长范围内的反射与透射消光比大于100;同时该偏振分束器具有相对较大的入射角度容差,在有限尺寸高斯光束入射下能保持很好的性能。     

亚波长光栅偏振片的纳秒脉冲激光损伤特性

偏振片在诸多光学系统中有着重要的应用。亚波长介质光栅可用作正入射偏振片，在高能激光系统中有着广泛的应用前景。为了探究波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光对于亚波长全介质光栅的诱导损伤特性，使用了粒子群优化算法结合严格耦合波分析设计了光栅的几何参数，计算表明亚波长光栅偏振片在入射光波长1 064 nm附近带宽0.5 nm内，平均消光比为1 500。使用了紫外曝光配合离子束刻蚀的工艺制备了HfO₂光栅，并对其纳秒脉冲激光损伤阈值进行了测试。测试结果表明S光损伤阈值约为P光损伤阈值的5倍，且都大于5 J/cm2。结果表明亚波长全介质光栅偏振片可广泛用于正入射激光系统中。     

光折变长周期波导光栅耦合器的设计和分析

为了实现在一种稳定的材料上制作简单的光栅耦合器,提出了在钛扩散铌酸锂波导上制作光折变长周期光栅耦合器的方案。利用有效折射率法和耦合模理论,确定了耦合器的结构参数,包括光栅周期为74.28μm,两波导的分开距离为8μm以及100%耦合情况下光栅的最小长度为2.42 cm。分析了传输光谱,得到3 d B带宽为5.20 nm。模拟结果表明,当光栅长度和偏移距离的容差分别为0.37 cm和0.21 cm时,耦合效率可以达到90%以上。该耦合器有望应用于粗波分复用系统。     

双层交叉叠合式共振亚波长光栅

提出了一种防伪光栅结构-双层交叉叠合式共振亚波长光栅,其特点是可以展宽共振亚波长光栅的共振波长宽度,使得当将其应用于防伪时能得到更佳的光变效果。分析了半峰全宽展宽的原理,指出共振宽度值的大小依赖于耦合到光栅波导层内一级衍射光的能量。优化设计了此种光栅的结构参量。用矢量衍射理论对该结构的共振特性和制作工艺误差进行了研究。研究表明：这种防伪光栅的共振光谱峰值并不随着入射角的改变而降低,共振半峰全宽最大值约为同等条件下基本共振光栅结构的7倍,该结构的共振性能对光栅制作误差不是很敏感,是一种应用价值较高的防伪光栅结构。     

基于硅基砖砌型亚波长光栅的紧凑型模式转换器

亚波长光栅可以等效为均匀介质,具备可控的双折射、色散和各向异性等优势,有利于设计高性能的光子器件.尽管目前传统的亚波长光栅结构只需要单步刻蚀,然而通常需要100 nm及以下的制造分辨率,这对当前主流的晶圆级硅光子芯片制造技术来说比较困难.亚波长光栅的各向异性可以通过引入砖砌型拓扑结构来进一步设计,从而在设计中提供额外的自由度,同时还可以降低制造分辨率需求(> 100 nm).本文提出并研究了基于硅基砖砌型亚波长光栅的紧凑型TE₀-TE₁和TE₀-TE₂模式转换器,其中砖砌型亚波长光栅的最小特征,尺寸为145nm.实现了TE₀模式到TE₁模式和TE₂模式的转换,转换区域长度分别为9.39μm和11.27μm.测试结果表明,在68 nm (1512—1580 nm,受限于激光器调谐范围和光栅耦合器)带宽内,插损和串扰分别小于2.5 dB和-10 dB.