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亚波长光栅及其在光通信系统中应用的研究

马长链

  光栅是一个古老的研究课题,经过数代学者日复一日呕心沥血地潜心研究,光栅已被广泛应用于分束器、偏振器、传感器、激光器等重要光电器件中。近几年,一类特殊尺寸的光栅——高折射率差亚波长光栅(sub-wavelength High Contrast Gratings, HCGs),在光通信领域兴起,并取得科研人员的关注。HCGs不仅可以便捷的实现对来波的高反、高透,更能通过调制波前的相位实现对光波传播方向的控制,这对简化光电器件结构具有重要意义。 本文围绕HCGs的相位调制特性及其在光通信领域的潜在应用展开研究工作,具体研究内容及创新成果如下: 1.研究了分析周期亚波长光栅衍射特性的方法——严格耦合波分析法(Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA)及“双模”分析理论。用严格耦合波分析法研究了周期HCGs的特性,包括宽带高反射(宽带高透射)特性,偏振选择特性,及维度与波长的可扩展性。同时,研究了分析非周期HCGs衍射特性的方法——有限元法(Finite Element Method, FEM),并较为详细的介绍了有限元法的计算原理,并介绍了用COMSOL软件分析光波衍射问题时,仿真域的设置方法。 2.研究了对光波具有大角度偏转功能的条形HCGs。设计了对1550nmTM垂直入射波高透并偏转30°的非周期条形HCGs,数值计算显示,光波的透射率为0.91,光波偏角为27.42°,这与理论设计的30°非常接近。该研究证明,基于相位调制原理设计的离散亚波长光栅条可以实现对光波的大角度偏转。 3.从数学变换的角度提出了环形HCGs的设计方法,并根据此方法设计了直径为29.788μm的环形亚波长光栅汇聚反射镜。数值仿真结果表明,当1550nm的径向极化波垂直入射到该环形HCGs上之后,反射波可以实现汇聚,反射率为0.9163,数值孔径为0.8302。在焦点所在的汇聚面上,电场强度分布的半高宽(FWHM)为1.5548μm。 4.从数学极限的角度分析了环形HCGs与条形HCGs的等价性,并根据该等价性提出了用同心环形HCGs设计汇聚高透镜(高反镜)的方法。用该方法,设计了焦距为5μm的汇聚反射镜。仿真表明,当1550nm的径向极化波垂直入射到该环形HCGs上之后,反射波可以实现汇聚,反射率为0.8538,数值孔径高达0.9213。在反射波的汇聚面上,电场强度分布的半高宽(FWHM)为0.9845μm。 5.研究了二维块状HCGs。根据二维块的结构特点,提出了二维块状非周期HCGs的设计方法,并用二维块状非周期HCGs阵列设计了对1550nm TE与TM混合波消偏振的透镜(同样的方法,也可以实现消偏振反射镜)。仿真表明,当入射光是1550nm的TE与TM混合入射波时,透射率为0.8659,数值孔径为0.535。在透射波的汇聚平面上,电场分布的平均半高宽为1.7515。在焦距确定的情况下,增大二维块状HCGs阵列的面积,可获得更大的数值孔径。另外,当改变二维块两条边的长度时,二维块状HCGs对TE波和TM波的反射特性(以及透射特性)会发生相应的改变,故同时改变两条边的长度就可以实现对两种偏振态的调制。基于该特性,我们提出了用二维块状HCGs阵列设计新型功分器、波分器以及偏振分束器的架构。 6.设计了偏角为10°与20°的高反条形HCGs、焦距为15μm与20μm的高反条形HCGs、焦距为15μm与20μm的高反环形HCGs,且光栅的刻蚀制备工作已经完毕。设计了测试光栅反射汇聚、透射汇聚、反射偏转及透射偏转特性的实验系统。并根据测试目的,较详细的叙述了测试过程中的关键点与注意事项。 7.对条形偏转HCGs的反射特性进行了实验测试,测试结果表明设计的条形偏转HCGs对光波可实现17.2°的反射偏转,与理论设计的20°较为接近。……   
[关键词]:亚波长光栅(HCGs);光波汇聚;光波偏转;消偏振;相位调制
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:北京邮电大学2015年