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。     

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。     

基于氮化镓的导模共振滤波器仿真分析

根据严格耦合波理论和等效介质理论,提出了针对C波段、基于半导体材料氮化镓的亚波长导模共振滤波器结构及设计方法。详细探讨了在强调制光栅的高占空比作用下,光栅周期和入射波角度对滤波器反射谱共振波长的影响。在保持滤波效果为高衍射率(共振波长峰值反射率达到99.5%以上)、低旁带和窄线宽的条件下,利用其对入射波角度的敏感性,结合仿真数值提出了一种通过 MEMS(微机电系统)平面反射镜调谐入射角角度(0~4.07°),从而线性地控制共振波长输出(调谐范围为36 nm),实现峰值半宽高低于0.8 nm的C波段可调滤波器。     

双层等折射率浮雕结构共振布儒斯特滤光片的泄漏模特性

通过调整光栅的填充系数,获得具有均质层和光栅层等效折射率相等的表面浮雕结构共振布儒斯特滤光片.深入研究了这类滤光片的泄漏模特性,并讨论光栅参数和入射条件的变化对滤光片共振特性的影响.研究表明:入射角的改变对滤光片泄漏模特性的影响不明显,但填充系数、均质层厚度以及基底折射率的改变对滤光片泄漏模特性影响很大.当填充系数f→1和f＜0.6时,以及当基底折射率接近波导层折射率(n→1.63)时,导模共振效应趋于消失.此外,随着均质层厚度的不断增大,多模共振效应将被激发,从而在一定的波长或入射角范围内导致多个泄漏模共振效应的产生.     

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。     

波导层介质对二维光子晶体反射光谱的影响

构建了基底介质为SiO2、表面覆层介质为TiO2 的二维光子晶体,采用严格耦合波法分析了二维光子晶体的窄带光学传输特性。分析了二维光子晶体的晶格周期、波导层的折射率及厚度对其反射光谱的影响。分析结果表明:当光子晶体的晶格周期和波导层介质厚度为常数时,随着波导层介质折射率的增大,光子晶体的反射峰值波长红移,且波导层折射率与反射峰值波长呈线性关系。当光子晶体波导层介质折射率为常数时,波导层厚度增大或光子晶体晶格周期的增大都会引起光子晶体反射峰值波长增大,但这两个参数与反射峰值波长只是在一定的变化范围内为线性关系。此种结构的二维光子晶体覆层表面吸附分布不均匀的介质时,通过分析光子晶体的呈现光谱可获得其表面吸附介质的不均匀特性。     

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。     

一种多孔硅基导模共振滤波器的研究

提出了一种基于多孔硅的光栅导模共振滤波器,采用严格的耦合波理论分析方法,进行数值仿真并分析了多孔硅基导模共振滤波器的反射光谱特性.同时设计了工作在1550nm波长的窄带多孔硅硅基光栅滤波器的结构参数.研究结果表明,此滤波器具有非常高的反射率峰值,和边带抑制较高且带宽较窄的反射谱,是一种性能优异的光通信硅基滤波器件.     

楔形导模共振滤波片的光谱分析

针对通信波段设计并制作了楔形波导层的导模共振滤波片(GMRF),分析并研究了其光谱特性。采用三角掩模板的方法进行离子束刻蚀,刻蚀一定次数后获得楔形波导层。光栅线条方向分为平行于和垂直于楔形波导层变化的方向。实验结果表明,对于两种结构,共振峰的位置与滤波片上的位置呈近似线性关系。光栅刻槽平行于楔形层变化的方向时共振峰的半峰全宽较光栅刻槽垂直于楔形层变化的方向时大。最终在20mm的样品上,获得了线性渐变的Ta_2O_5楔形薄膜,其反射谱在1560~1600nm范围内近似于线性变化。     

亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构的研究

提出了一种亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构,在结构中可产生导模共振模式、表面等离子激元共振模式和局域表面等离子体模式,模式之间互相耦合,从而在反射光谱中形成两个窄带共振缺陷峰。通过研究共振缺陷峰处磁场分布和结构参数对反射谱的影响,分析了结构中的共振模式。根据导模共振原理和表面等离子体共振形成条件,建立共振缺陷峰波长与结构参数之间的关系模型,通过观察共振缺陷峰波长的漂移实现待测样本气体浓度的动态实时监测。以多孔硅为传感载体、甲醛气体为待测样本,分析传感器的品质因数和灵敏度。结果表明,两个窄带共振缺陷峰的品质因数分别可达42.3RIU-1和78.5RIU-1,灵敏度分别为466nm/RIU和628nm/RIU。     

基于氮化镓的通信波段可调DFB激光器的研究

为了利用悬空的周期可调光栅控制激光器的波长输出,采用了微机电系统技术中微驱动器与分布反馈激光器光栅相结合的结构,根据严格耦合波理论和介质平板波导理论,针对光通信的C波段,利用有限元软件COMSOL,建立了基于氮化镓的波长可调分布反馈激光器2维稳态模型。分析了1550nm处2维电场模式图以及激射波长线宽图,得到了激射波长与光栅周期的对应关系。结果表明,在光栅厚度、高度以及增益层厚度等结构参量一定的情况下,激射波长与光栅周期呈现与理论分析基本一致的似线性关系。该研究为该器件设计以及制备的后期工作开展提供了理论指导意义。     

石墨烯光栅太赫兹透射特性的研究

建立了石墨烯光栅模型,基于快速收敛傅里叶模型方法计算了太赫兹频段的石墨烯光栅透射率,讨论了费米能级、光栅周期、光栅占空比和弛豫时间对透射率的影响。研究结果表明,在正入射条件下,透射率随频率的增大先减小后增加,且费米能级、占空比和弛豫时间越高,透射率的最小值越小。在入射光频率为2 THz的条件下,透射率随入射角的增大先增加后减小,且透射率在入射角约为60° 时取得最大值。以上研究为石墨烯光栅的理论研究及其实际应用提供了有力指导。     

氧化锌单晶DFB半导体激光器的设计与分析

基于严格耦合波理论(RCWA)和介质平板波导理论,针对光通信中的1550 nm波长,设计了一种基于氧化锌(ZnO)单晶的分布反馈式(DFB)半导体激光器的光栅结构,分析了二维电场模式图以及激射波长线宽图,得到了光栅结构的变化对其单纵模传输的影响。仿真结果表明,当光栅的周期为489 nm,占空比为50%,光栅深度为400 nm时,全局电场能量达到了8.3×107 J,光谱线宽小于0.1 。该激光器具有很好的窄线宽输出以及波长选择特性。理论分析与仿真结果基本一致为后期进行该器件的制备提供了较好的参考。     

飞秒激光用超宽带金属介质膜光栅的优化设计和工艺容差分析

基于严格耦合波理论,提出了金属介质膜光栅（MMDG）的带宽评价函数和波长偏离评价函数,并对宽光谱MMDG结构参数进行优化。数值模拟分析表明,当MMDG的槽深为290nm、剩余厚度为10nm、占空比取0．28和入射角为60。时,对以1053nm为中心波长的TE波,其一1级衍射效率优于97％的带宽达到190nm。对结构参数...     

基于粒子群优化算法的透射滤光片设计

为了优化器件的结构参量,把光栅结构的周期、高度、占空比作为优化的粒子,采用粒子群优化算法和严格耦合波分析算法,对粒子群中粒子的适应值进行了比较,对金属-介质光栅滤光片结构进行了理论分析和仿真优化,在一定范围内找到最优参量。结果表明,根据MATLAB仿真结果进行优化,得到周期为0.300μm,金属光栅厚度为0.035μm,介质光栅厚度为0.400μm,光栅占空比为0.77;在TM光垂直入射时,该结构对波长为0.65μm的红光透射率达到80.27%,旁带透射效率不超过15%;该结构实现了特定波长光的高效透射,从而实现了滤光。该结构为亚波长光栅的设计、制备研究和实际应用提供了参考。     

亚波长光栅用于实现宽光谱消色散1/4波片的研究

基于严格耦合波理论 ,分析了共振区域矩形位相光栅的衍射特性 :位相延迟与光栅周期、占空比、槽深的关系 ,并设计出在 40 0～ 80 0nm范围内的消色散 1/4波片光栅 ,可以实现较为平坦的衍射效率和位相延迟曲线 ,其中位相延迟可保持在 90°左右 ,最大偏差小于 9% ,达到甚至优于普通二元复合消色散波片。通过对加工及安装误差的讨论 ,得到了影响消色散波片光栅性能的主要加工误差是槽深误差和占空比误差。     

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。     

Non-polarization and high-coupling-efficiency coupler using multilevel grating structure

A multilevel grating coupler based on silicon-on-insulator (SOI) material structure is proposed to realize the coupling between waveguide and waveguide or waveguide and fiber. This coupler is compatible with the current fabrication facilities for complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology with vertical coupling. This structure can realize coupling when the beams with transverse electric (TE) polarization and transverse magnetic (TM) polarization are incident at the same time. The influences of the grating coupler parameters including wavelength, the thickness of waveguide layer, the thickness of SiO₂ layer and the number of steps on the TE mode and TM mode coupling efficiencies are discussed. Theory researches and simulation results indicate that the wavelength range is from 1533 nm to 1580 nm when the TE mode and TM mode coupling efficiencies are both more than 40% as the grating period is 0.99 μm. The coupling efficiencies of the incident TE and TM modes are 49.9% and 49.5% at the wavelength of 1565 nm, respectively, and the difference between them is only 0.4%.     

基于表面等离子波耦合的流体波导光栅耦合器

提出了一种由金属光栅和流体光波导结构组成的,基于表面等离子波耦合的光栅耦合器。利用光栅的衍射效应,将金属光栅与介质分界面之间产生的表面等离子波耦合到流体光波导中,并且能够沿着流体光波导稳定地向前传播。通过采用基于有限时域差分算法的FDTD Solutions软件对光栅耦合器进行了参数优化及特性分析,通过优化使该结构在650 nm波长下的耦合效率达到56%。此外,由于该结构对TE偏振光和TM偏振光的选择比达到70∶1,因此具有偏振器的功能。同时由于TE偏振光耦合频谱的频带宽度仅为20 nm,该结构还具有窄带滤波的作用。此外,还研究了光栅结构参数、入射角以及流体折射率对耦合频谱的影响。