硅基微納多齒諧振光柵的基礎(chǔ)設(shè)計研究.pdf

1、近年來，隨著微納光學(xué)和微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，利用光柵結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、制作工藝簡單等優(yōu)點，微納光柵在縮小光電子器件的尺寸、減小器件的功耗、提高光電器件的集成度和性能、實現(xiàn)功能豐富的大規(guī)模光電集成回路等方面發(fā)揮著日益重要的作用。其中，基于泄漏模諧振現(xiàn)象的微納光柵，由于它特有的衍射特性及其巨大的科學(xué)意義和使用價值，吸引了世界各國科研工作者的目光。與單齒均勻光柵相比，多齒光柵在設(shè)計自由度、控制光柵區(qū)域光場分布、控制光柵中泄漏模的衰逝、實現(xiàn)寬譜

2、及大角度響應(yīng)等方面具有巨大優(yōu)勢。鑒于此，論文在國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金國際合作與交流項目的資助下，主要圍繞硅基微納多齒諧振光柵，設(shè)計了幾種高效的光傳輸與控制器件，其可以廣泛的應(yīng)用于激光器、光探測、太陽能電池以及光通信系統(tǒng)中。
　　論文主要研究內(nèi)容與貢獻(xiàn)如下：
　　1.根據(jù)嚴(yán)格耦合波分析方法(RCWA)，結(jié)合論文研究實際，推導(dǎo)出了基于絕緣體上硅(SOI)材料系統(tǒng)的二維多層多齒光柵結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格耦合波法，數(shù)值分析表明，該方

3、法表現(xiàn)出了較好的數(shù)值穩(wěn)定性，它為研究二維多層多齒光柵結(jié)構(gòu)提供了基本理論基礎(chǔ)。
　　2.基于光子能帶理論，利用平面波展開法研究了多齒諧振光柵的色散特性，并設(shè)計出了具有寬帶特性的多齒諧振光柵慢光器件。隨后，使用平面波展開法對光柵參數(shù)與慢光的特性做了數(shù)值分析。最后給出了多齒諧振光柵實現(xiàn)寬帶慢光的一種方案，將多齒諧振光柵合理的進(jìn)行串聯(lián)可以實現(xiàn)以1550nm為中心的36nm帶寬的慢光。
　　3.根據(jù)嚴(yán)格耦合波分析方法并結(jié)合時域有限差分

4、算法，基于高折射率差材料以及多齒形狀調(diào)制光柵層，設(shè)計了一種高性能的亞波長多齒雙功能光柵偏振分束器。數(shù)值分析表明，在120nm(1.46~1.58μm)寬譜范圍內(nèi)，該器件TE偏振光的0級反射率大于97％，角度帶寬為27.6°；而在1.55μm波長處，此結(jié)構(gòu)對于TM偏振光能夠?qū)崿F(xiàn)50/50反射與透射光束比。此外，研究表明，該器件具有較好的工藝容差性能，有利于器件制作。
　　4.應(yīng)用多層光柵嚴(yán)格耦合波分析方法，設(shè)計和制作了一種基于多層多

5、齒諧振光柵結(jié)構(gòu)的高性能非偏振光柵反射鏡。得益于TE和TM波的泄漏模諧振的共存及相互作用，實驗分析表明，該器件在1.65~1.72μm較寬的頻譜范圍內(nèi)，具有0級反射率大于97%、角度帶寬約為24.6°、插入損耗(IL)小于0.25dB，以及偏振相關(guān)損耗(PDL)小于0.18 dB的優(yōu)越性能。另外，參數(shù)分析表明，此器件在現(xiàn)有工藝誤差范圍內(nèi)表現(xiàn)出比較好的工藝容差性，在較寬的波段范圍內(nèi)，其對器件反射譜的影響很小，有利于器件的制作。
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