手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

光通信系统中的新型高折射率差亚波长光栅的研究

张敏

  亚波长光栅由于其结构尺寸的亚波长量级(光栅周期小于入射光波长),具有传统光栅所没有的光学特性,同时其微型化的结构可以应用在集成光学领域,因此随着微纳技术的快速发展,亚波长光栅作为重要的微纳光学器件,在全息技术、光谱学、光通信和信息处理等多个领域都得到了广泛应用。在光通信系统中,高折射率差亚波长光栅(High Contrast Sub-wavelength Grating,HCG)是光栅条(高折射率材料)完全被低折射率材料包围的一种亚波长光栅。HCG通过改变光栅参数,可以制作成高性能反射镜、高透镜、偏振器、偏转器,分束器、滤波器等,成为光通信中的研究热点。本论文主要围绕应用于光通信系统中的高折射率差亚波长光栅,对其独特性能进行了理论和实验研究。论文的主要研究内容和创新如下:1、分析了三种分析光栅的方法,即严格耦合波分析法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)、模式匹配法(Model Method)和有限元法(Finite Element Method)。严格耦合波分析法能够更清晰地分析光波作用于光栅后,光栅表面的衍射特性,而模式匹配法则更适合分析光在光栅内部的作用情况。本论文研究的侧重点是光通过光栅以后的透射系数和透射相位,反射系数和反射相位,因此选择严格耦合波分析法更直观。2、研究了光通信系统中的HCG的特性,总结了 HCG在光通信系统中的应用;通过数学工具MATLAB,基于严格耦合波分析法,研究了 HCG的参数变化对其特性的影响。3、利用HCG的高反射特性和波前相位控制原理,完成了 TM偏振光垂直入射时的单层硅HCG会聚反射镜的结构设计。所设计的光栅厚度为1.2μm,总宽度为36μm。通过有限元分析方法,计算可得在波长为1.55μm时,反射率为74.1%,焦距为7μm,焦平面的半高宽(full-width-half-maximum,FWHM)为 0.65μm,实现了很好的会聚反射特性。4、重点研究了波长为1.55μm的TE偏振光垂直入射时的单层硅HCG会聚高透镜的结构设计方法,并针对研究TE偏振光垂直入射时的会聚高透镜设计时出现的“相位不连续”问题,提出了一种新的光栅参数选取算法解决“相位不连续”问题。这种参数选取算法不仅可以用来设计会聚反射镜、会聚透镜,而且也能设计偏转器。5、提出了一种双厚度HCG会聚透镜新结构,并完成了 TE偏振光垂直入射时的双厚度HCG会聚透镜的结构设计。这种会聚透镜结构采用单层硅HCG,厚度为1.3μm和1.2μm,总宽度为26μm。通过有限元分析方法,计算可得在入射波长为1.55μm时,总透射率为72%,焦距为7.2μm,焦平面的半高宽为0.8μm,实现了很好的会聚透射特性。6、在所设计的新型双厚度HCG会聚透镜的基础上,完成一种新型双厚度HCG分束器的结构设计。同时用前面所提出的光栅参数选取算法计算所设计光栅结构的参数,用有限元法对所设计的双厚度HCG分束器进行验证,得到所设计的光分束器结构总透射率达到77.5%,并可以实现功分比1:1的分束。7、完成了 TM偏振光垂直入射时的HCG会聚反射镜的制作,并搭建测试系统测试所制作的会聚高反镜的远场性能。实验测得焦距为11.86mm,当入射光波长为1.55μm时总反射率达到67.7%。……   
[关键词]:高折射率差亚波长光栅;HCG;偏振;会聚透镜;分束器
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:北京邮电大学2018年