导模共振光栅参量对共振波长和线宽的影响研究

为了能够设计出具有反射功能的导模共振光栅，采用光栅的等效介质理论、平面波导理论以及严格耦合波法，进行了理论分析和实验验证，设计了在TE偏振下波长850nm处具有反射共振的导模共振光栅。利用严格耦合波法，计算并分析了光栅参量、入射角以及波导层厚度对共振波长和线宽的影响。结果表明，随着占空比的增大，共振波长会红移，而共振线宽会随着占空比的增大先增后减，占空比为0.5时线宽能达到最宽；共振波长会随着光栅周期和波导层厚度的增大而增大，但线宽几乎不变，当周期从490nm增加到520nm时，共振波长红移了将近50nm，而当波导层厚度从217nm增加到251nm时，共振波长红移了将近25nm；光栅厚度变化对共振波长和共振线宽影响很微弱，当入射角是垂直入射时仅有一个共振峰，但是当入射角不为0°时会出现两个共振峰，并且两个共振波长随着入射角度的变大一个会蓝移而另一个则红移。该研究为实际制备反射导模共振光栅提供了理论指导。     

超窄线宽导模共振滤波器的设计

亚波长光栅导模共振滤波器,具有高峰值反射率、低旁带反射和窄带等特点,能够实现基于高低折射率介质的滤波器所无法达到的独特功能。设计了中心波长为852nm的带有间隔层、线宽可控的超窄线宽导模共振滤波器,并分析了主要参数对反射光谱的影响。选择弱调制的介质作为光栅层,并在光栅层和波导层之间插入一层低折射率的介质作为间隔层来减小光栅层和波导层之间的耦合强度,进而使导模共振滤波器的线宽达到0.02nm的超窄程度,并且该结构中的光栅厚度、占空比等对反射光谱的影响极小,均利于其工艺制备。     

锗亚波长周期薄膜的光谱特性(英文)

宽带反射器和带通滤光片可以利用厚度固定为3.20μm的锗亚波长周期薄膜实现。强折射率调制的锗亚波长周期薄膜使得泄漏模共振的带宽增大,因此泄漏模共振TE11、TE21和TE30能够发生相互作用。通过改变光栅深度,可以在波长λ=10.60μm附近形成高反射宽带和透射带。利用泄漏模共振TE11、TE21和TE30之间的叠加产生增强反射效应,从而形成具有高反射率的反射宽带。利用这些泄漏模共振边缘的叠加产生共振增强透射效应,从而获得具有高透射率的透射带。在这两种情况下分别研究了光栅的未刻蚀和过刻蚀效应,结果表明,为了获得良好的光谱性能,刻蚀过程中应该避免过刻蚀情况。     

部分填充手征负折射率介质的平行板波导

部分填充手征负折射率介质的平行板波导中电磁波传输的导模特性进行了研究,给出了导模的场分布公式,推导出导模的特征方程.数值计算了导模的色散特性曲线、功率曲线和能流分布,探讨了手征负折射率介质层的厚度、手征参数等对导模特性的影响,发现了导模的一些奇异特性,如存在表面波模、功率流动方向与相位传播方向相反的后向波、功率储存、传播常数三值、模式交叉等现象,还发现此波导中存在电磁波传播的禁带.     

1维高反射等腰三角形亚波长光栅的研究

为了能够更深入地理解等腰三角形亚波长光栅,采用严格耦合波法对其进行了理论分析和研究,得到了等腰三角形亚波长光栅数值模拟结果。分析了光栅周期、光入射角对等腰三角形亚波长光栅特性的影响,并从内在磁场分布角度解释了等腰三角形亚波长光栅所表现出的高反射特性。结果表明,不同光栅厚度的等腰三角形亚波长光栅会表现出不同的特性,当光栅厚度在0.54μm~0.57μm之间,等腰三角形亚波长光栅具有宽反射的反射带宽,而当光栅厚度在0.58μm~0.66μm之间,又会表现出导模共振特性。该研究能够为将来制备高性能等腰三角形亚波长光栅提供理论指导。     

InGaAsP/InGaP/AlGaAs大光学腔量子阱激光器的优化

本文对808nm InGaAsP/InGaP/AlGaAs材料的大光学腔结构激光器进行了理论优化.为确保激光器是单横模激射,我们使用传递矩阵的方法,分别计算了限制层和欧姆接触层厚度对TE2和TE0模式损耗的影响,对上下限制层和欧姆接触层的厚度进行了优化,其优化后的厚度分别为0.8,0.6和0.11μm.高折射率的欧姆接触层被低折射率的限制层和金属层包围形成了无源的次级波导,泄漏波在次级波导中形成了寄生模式.欧姆接触层厚度对模式损耗的影响是周期性的,当欧姆接触层厚度为该模式的λ1/4时发生第一次共振,发生共振的间隔为其垂直注入的泄漏波波长λ1的一半.     

入射角调谐的三基色导模共振滤光片

介绍一种入射角调谐红绿蓝三基色导模共振滤光片(GMRF)的实现方法。利用严格耦合波理论(RCWA)分析入射角对导模共振滤光片反射光谱的影响,用TM偏振波在斜入射下得到两个不同位置的共振峰,通过调节入射角,使两个共振峰分别落在可见光波段和红外波段,并通过调整角度实现对可将光波段滤波波长的调谐。通过对参数的优化、调整,设计并制作了周期为544 nm的红、绿、蓝三基色导模共振彩色滤光片,结果显示该结构在26.8°、39.6°、46.0°入射角得到了良好的红、绿、蓝三基色,效率均在80%左右,半峰全宽约为5 nm。当其作为蓝、绿两色滤光片工作时,与传统亚波长导模共振结构相比,其周期相对较长,从而大大降低光栅制作难度。实验结果实现导模共振结构在彩色滤光片方面的应用,并对大周期导模共振器件的制作提供了积极的指导。     

InGaAsP/InGaP/AlGaAs大光学腔量子阱激光器的优化

本文对808nm InGaAsP/InGaP/AlGaAs材料的大光学腔结构激光器进行了理论优化.为确保激光器是单横模激射,我们使用传递矩阵的方法,分别计算了限制层和欧姆接触层厚度对TE2和TE0模式损耗的影响,对上下限制层和欧姆接触层的厚度进行了优化,其优化后的厚度分别为0.8,0.6和0.11μm.高折射率的欧姆接触层被低折射率的限制层和金属层包围形成了无源的次级波导,泄漏波在次级波导中形成了寄生模式.欧姆接触层厚度对模式损耗的影响是周期性的,当欧姆接触层厚度为该模式的λ1/4时发生第一次共振,发生共振的间隔为其垂直注入的泄漏波波长λ1的一半.     

金属膜衬底上亚波长介质光栅结构的特性及传感应用

提出亚波长介质光栅-金属膜-石英玻璃衬底结构,根据等效介质理论该结构可等效为由金属-光栅-包覆层构成的单面金属包覆波导,在入射波长和入射角满足一定条件时,发生导模共振(GMR)从而产生光波全吸收现象。根据严格耦合波分析(RCWA)理论进行数值分析发现,等效波导中的TM1 GMR峰尖锐,并且对光栅包覆层的折射率变化非常敏感,角度灵敏度为127.87°/RIU(RIU为折射率单位),波长灵敏度为409.35 nm/RIU,在很大的折射率范围内线性度良好。与全介质GMR传感器和光栅型表面等离子体共振(SPR)传感器相比,该结构通过GMR实现较高灵敏度的同时,其较窄的共振峰使得检测精度更高。     

导模共振滤光片表面镀膜对其物理特性的影响

为了研究亚波长光栅表面上薄膜的生长特性,以及镀膜对亚波长光栅物理特性的影响,对亚波长正弦槽形光栅表面上镀的Au膜进行了实验研究和理论分析.实验发现,当光栅槽深为80 nm,Au膜为100 nm时,薄膜的生长是仿形生长,光栅的正弦槽形特征和周期都基本没有发生变化,但镀膜后,出现光栅的正弦占空比增加、槽的深度减小以及槽深的均匀性变差等现象.对引起这种现象的原因进行了分析.提出了由于光栅微结构而给薄膜生长带来的阴影效应现象,并分析了正弦占空比增加对导模共振滤光片光谱特性的影响.     

基于光栅波导共振耦合的传感器特性研究

该文设计了一种基于光栅波导共振角耦合的生物传感器,通过光栅波导模式谱变化检测传感器表面有效折射率变化的方式,实现了传感器表面附着物的精确检测。并在平板介质光波导理论基础上,推导了三、四层结构理论模型,实验得到了入射角与检测溶液折射率及入射角与分子膜层厚度间的变化关系。结果表明,光栅波导共振角耦合生物传感器入射角与待测溶液折射率存在良好的线性关系,并具有较高灵敏度,精度可达0.01(°)/nm。通过该方法制作出无标记的生物传感器,能广泛应用于生物分子检测,尤其适合蛋白质分子生物检测。     

Characteristics of cladding index modulated fiber gratings for ambient refractive index sensing

Characteristics of cladding index modulated fiber gratings for ambient refractive index sensing is studied in this paper. The modes propagation properties and coupling properties in cladding index modulated FBG are studied based on the classical coupling mode theory while considering interactions among multiple modes and developed on a three-layer step-index fiber geometry. Evolution of cladding mode resonance spectra of cladding index modulated FBG with the decreasing of fiber diameter is simulated and compared with the core grating. Sensing characteristics of cladding modes resonance of cladding index modulated FBG to the variation of ambient refractive index is detailed and emphasized for cladding modes resonances has a much narrower bandwidth. Results show that cladding index modulated fiber grating has better spectrum for ambient refractive index sensing applications under the same sensitivity with core index modulated fiber grating and may be applied to many field including biochemical sensing and environmental monitoring.     

基于倾斜光纤光栅及其表面等离子效应的折射率传感比较研究(英文)

介绍了倾斜光纤光栅作为折射率传感器的测量原理,给出它的倾斜角8°与中心波长1550nm的反射谱与透射谱,分析了具有表面等离子的倾斜光纤光栅传感机理。为验证折射率传感的可能性与优点,进行了蔗糖浓度溶液的裸倾斜光纤光栅与镀金的倾斜光纤光栅的折射率测量分析,证明镀金后的表面等离子效应倾斜光纤光栅折射率传感器其灵敏度大大增加。     

光通信C波段硅基导模共振窄带滤波器的模拟

结合严格耦合波理论和遗传算法对C波段硅基导模共振滤波器进行了模拟分析.从模拟结果出发详细讨论了光栅周期、填充因子、光栅深度和入射角度对滤波器反射特性的影响.导模共振对光栅周期、填充因子、光栅深度和入射角度都有很高的敏感性,利用这一特点可以设计性能优异的硅基滤波器件.导模共振滤波器的共振波长峰值反射率达到了98.9%,峰值半高宽小于密集渡分复用(DWDM)O.8 nm的要求.

Abstract：

Simulated are silicon-based guided-mode resonant grating filters with narrow bandwidth for C-band optical communication.The effects of the characteristics of grating period,fill factor,the grating depth,the thickness of SiO_2 layer and incident angle on the reflection mechanisms of the filters are analyzed in detail based on the simulation results.Guided-mode resonant effect is very sensitive to such characteristics,which can be used to optimize silicon-based filters.The reflectance of the resonant wavelength of this filter reaches 98.9%,and the FWHM (full width at half maximum) is less than 0.8 nm limited by the DWDM (dense wavelength division multiplication) system.     

Filter-response line shapes of resonant waveguide gratings

The line shape symmetry properties of planar dielectric resonant waveguide-grating filters are theoretically characterized for both TE and TM polarization. Classical antireflection theory is applied to the design of guided-mode resonance filters and it is shown that the symmetry of the line-shape response is determined by the location of the resonance relative to the minimum of the antireflection band. The conditions that allow a single dielectric layer to simultaneously function as both a waveguide grating and as an antireflection thin film are presented. Single-layer antireflection waveguide gratings are shown to yield highly symmetrical filter-response line shapes with suppressed sideband reflectivity and 100% reflectivity at the resonance wavelength. The parametric locations of the symmetrical line-shape responses are predicted approximately by solving the resonance-location equation with the grating thickness set equal to a multiple of a half-resonance-wavelength. Graphical representations of these solutions are provided. Symmetric waveguide-grating filters are shown to yield symmetrical line shapes with near-zero sideband reflectivity, whereas asymmetric filters produce symmetrical line shapes but suffer from increased sideband reflectance that increases as the asymmetry of the filter grows. Numerous calculated examples are presented to demonstrate that ideal reflection filters can be designed by combining thin-film antireflection effects and resonance effects in a single dielectric layer     

光学薄膜减散射特性研究

为了降低光学薄膜的表面散射损耗,依据微粗糙面的一阶微扰理论,在不考虑多重散射效应的情况下,利用电磁场边界条件给出的光学薄膜任一界面粗糙度引起的散射场在入射介质中的表达式,重点讨论了单层光学薄膜实现零散射的条件以及实现减散射的条件,理论研究结果表明:当膜层的光学厚度为/4的偶数倍时,单层薄膜要实现减散射就必须使单层膜的折射率大于基底的折射率,且空气-薄膜界面的微粗糙度必须小于薄膜-基底界面之间的微粗糙度。当膜层的光学厚度为/4的奇数倍时,单层薄膜的折射率小于基底的折射率,且膜层两个界面的粗糙度必须满足特定条件,才能实现减散射的效果。     

强吸收衬底上薄膜厚度和折射率的测量新方法

提出了一种同时测量强吸收衬底上薄膜厚度和折射率的方法。对生长于强吸收衬底上的透明薄膜,提出在该薄膜上镀一层薄金属,形成金属-薄膜-强吸收衬底的类波导结构。由于小角度入射光在强吸收衬底上具有较强的反射率,使该结构可容纳一系列共振模。利用自由空间耦合技术和导出的共振模模式本征方程,同时确定透明薄膜的厚度和折射率。实验中测量了硅衬底上制备的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜的折射率和厚度,测量的相对误差均小于10-3。该方法具有简便、可靠、可测量任意折射率薄膜的优点。     

光纤激光频谱组束的仿真研究

基于利用透射体布拉格光栅 准直透镜所设计的非相干组束方案,建立了光纤激光组束的理论模型.依据所建模型,对光栅的组束效果进行了分析.结果表明:最佳组束时,不同的光栅厚度须选择不同的光栅参数;随着光栅厚度的减小,满足最佳组束条件的空间频率和折射率调制将逐渐增大;在折射率调制和空间频率不变的情况下,随着光栅厚度的减小,角或谱的选择性逐渐增大;随着光束发散角和光谱宽度的增大,衍射效率逐渐减小.     

表面起伏对体积相位全息光栅衍射效率的影响

从理论上分析了重铬酸盐明胶经过全息曝光制作而成的体积相位全息光栅产生表面起伏时光栅介质层介电常数的变化。严格分析了体积相位全息光栅有表面起伏时所形成的既有折射率调制，又有浮雕调制的复合型光栅的衍射特性，并编制程序进行了计算。为了证明程序的正确性，还用所编制的程序计算了一种已知衍射效率光栅的衍射效率。并得到了满意的结果。进而分析了表面起伏、光栅介质层厚度、折射率调制度对体积相位全息光栅衍射效率的影响，并且对它们所产生的影响进行了比较，得出了在获得较大＋1级透射率的情况下，表面起伏、光栅介质层厚度、折射率调制度的误差容限，这对体积相位全息光栅的制作有一定的指导意义。     

窄带多通道滤光片的设计与制备

介绍了三种获得窄带多通道滤光片的方法。第一种方法是具有缺陷的多异质结结构，该结构能够展宽光子晶体的禁带同时实现多通道效应。第二种方法是多通道导模共振布儒斯特滤光片，此类滤光片可以采用单层膜结构来实现多通道效应，也可以采用具有相等折射率的双层膜结构来实现多通道效应。第三种方法是组合刻蚀法制备窄带滤光片列阵。该方法不仅可以制作单腔窄带滤光片列阵，还可以制作双腔窄带滤光片列阵。窄带多通道滤光片在光学领域中具有一定的应用前景。