基于有限元法的激光横向刻蚀路径对片阻阻值影响的研究

应用激光对片阻阻值进行修调时,垂直于电流方向的横向刻蚀对片阻的阻值影响较大,合理设计横向刻蚀的起刻位置和刻蚀长度能够以较低成本提高激光调阻精度及调阻效率.应用有限元法可得激光横向刻蚀长度和横向起刻位置对片阻阻值影响的定性、定量结论.经实验验证:应用有限元法得到的横向刻蚀路径对阻值影响的定性结论与实验结论一致、定量结论的计算偏差不大于2%,能够为提高调阻精度和调阻效率提供控制依据.     

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。     

高深宽比金属光栅制备及中红外波段传感特性

利用纳米压印结合溅射和反应离子刻蚀工艺制备了具有高深宽比的金光栅,使用傅里叶变换红外光谱仪测得了反射谱线.测量结果显示,只在p偏振光垂直于光栅矢量方向入射条件下才存在共振反射峰,证明了“伪表面等离子体激元波”的存在.基于严格耦合波分析理论计算了金属光栅的反射率,研究了其作为中红外波段波长调制型表面等离子体共振传感器的可行性.数值计算表明负级次衍射光波对应的共振反射峰的移动能获得较高的波长灵敏度.对于深宽比为10的金光栅结构,+1级次和-3级次衍射光波对应的波长灵敏度分别为1600 nm/RIU和5000 nm/RIU,品质因子分别为20 RIU-1和60RIU-1.     

反应离子束刻蚀应用于光刻胶灰化技术研究

以AZl500光刻胶为例，将氧气作为工作气体的反应离子束刻蚀工艺用于光刻胶图形的灰化处理，以去除经紫外曝光-显影后光栅中的残余光刻胶。研究结果表明灰化速率有随束流密度呈线性增加的趋势。经过反应离子束刻蚀后，光栅槽底残余光刻胶被去除干净，同时线条的宽度变细，在一定程度上达到修正光刻胶光栅线条占空比的目的。用原子力显微镜检测，无光刻胶的K9基片表面在灰化工艺前后其粗糙度无明显变化。该工艺具有良好的可控性，解决了在厚基片上制作大口径衍射光学元件时残余光刻胶的去除问题。     

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。     

基于周期压力单模光纤长周期光栅的折射率传感特性研究

利用交替放置的两个相同周期性刻槽板,对放置于套管中的单模裸纤和待测媒质施力,形成了具有复合光波导结构的长周期光纤光栅(LPFG)。实验研究了不同折射率待测媒质对LPFG传输谱的影响。结果表明:复合波导光栅的光谱呈现双谐振峰现象,且中心谐振波长随待测媒质折射率增大向短波长方向移动;包层模阶次越高,其中心谐振波长移动量越大。当折射率从1.33变化到1.43时,LP14包层模的中心谐振波长变化了7.2nm,所对应的传感器折射率灵敏度约为2.78×10-4 RIU。     

基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅设计与制备

刻蚀衍射光栅作为波分复用/解复用器件,有望在光通信系统中得到广泛应用。在基于顶层硅厚度为220 nm的绝缘体上硅材料上设计并制作了一种新型刻蚀衍射光栅,该刻蚀衍射光栅引入六角晶格空气孔型光子晶体作为其反射镜。模拟结果显示,相较于传统的阶梯光栅反射镜的刻蚀衍射光栅,光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅在理论上可有效降低器件的制作工艺难度以及插入损耗,同时可以实现器件偏振的保持。随后仅利用一步电子束光刻工艺及一步电感耦合等离子体刻蚀工艺制作了该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅。测试结果表明:该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅片上损耗为9.51~11.86 dB,串扰为5.87~8.72 dB,后续可通过优化工艺条件和优化输出波导布局,进一步提高器件的性能。     

基于光刻胶热熔法的全息光栅表面粗糙度平滑处理

根据表面热动力学原理提出了一种成本低廉、制作周期短、易于实现的光刻胶热熔法,阐述了光刻胶热熔法的基本原理,探讨了光刻胶热熔对光刻胶光栅表面刻槽形状的影响。实验中,分别对经过和未经过热熔处理的光刻胶光栅做了离子束刻蚀。结果表明,利用表面张力作用可使熔融状态下的光刻胶光栅刻槽表面变得平滑,粗糙度降低,并且成功地在K9玻璃基底上得到了槽形较好的全息光栅。     

一种新型光纤光栅温度传感特性的实验研究

研制出一种具有微结构缺陷的新型光纤光栅,并对其温度特性进行了实验研究。该光栅是利用不同浓度的氢氟酸溶液对光纤布拉格光栅进行选择性刻蚀得到的,刻蚀区域改变了光纤的局部有效折射率,引入附加相移从而形成两个谐振峰。实验研究结果表明该新型光栅具有不同的温度灵敏系数,在20℃~90℃的温度范围内,随温度升高两谐振峰波长分别向长波方向移动了0.8127 nm和0.7329 nm,其温度灵敏系数分别为0.01161 nm/℃和0.01047 nm/℃,线性拟合度分别为0.991和0.998,新型光纤光栅两谐振峰随温度的变化呈现良好的线性关系。     

基于SOI材料的刻蚀光栅分波器的制作工艺

研究了基于绝缘材料上的硅(SOI)材料的平面波导刻蚀光栅分波器的主要制作工艺.利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)技术,在SOI材料上制作了垂直度大于89°的光滑的光栅槽面.氧化抛光后刻蚀侧壁的表面均方根粗糙度(RMS)有3nm的改善,达到7.27nm(采样面积6.2μm×26μm).通过采用集成波导拐弯微镜代替弯曲波导使1×4分波器的器件尺寸仅为20mm×2.5mm.测试结果表明器件实现了分波功能.     

全息彩虹滤色镜

我们知道，当白光透过衍射光栅时，在光栅后面将形成向两侧分开的彩带。如果光栅的刻槽垂直于入射光旋转，彩带也跟着旋转。全息彩虹滤色镜就是利用全息法在镜片上制成刻槽取向按一定角度分布的光栅。每一个小光栅产生一对彩带，许多光栅组台在一起就形成幅射状的彩角光环。为了使衍射花纹都聚焦在底片上，光栅的每毫米刻槽数是这样设计的，光栅的一级衍射角必须小于摄影镜头的孔径角。我们试制的全息彩虹滤色锕以应用于美术摄影或拍摄神话电影。     

硅光子中波分复用技术研究

介绍了硅光子互连中4种波分复用器及相关单片集成发射接收芯片,其中硅纳米线阵列波导光栅及刻蚀衍射光栅波分复用器单个芯片就可以成倍扩展通道数,非常适合大通道数密集波分复用,马赫-曾德尔结构及微环谐振型波分复用器芯片通道数增大时需要多个单元级联,波长准确性及间隔不易控制,比较适合通道数少的芯片应用。同时,给出了自主设计和制备的硅纳米线阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅,通过采用阵列波导展宽方法,有效抑制了阵列波导的串扰,实现串扰小于-15 d B;通过在刻蚀衍射光栅反射面引入二维光子晶体反射镜,降低了刻蚀衍射光栅的反射损耗,损耗比普通刻蚀衍射光栅减小了3 d B。     

透射式金属光栅耦合SPR传感器

用磁控溅射技术在双面抛光的蓝宝石衬底上沉积了20 nm Ti和100 nm Au的金属薄膜,通过标准光刻工艺制备出1.6和2.0μm两种周期结构的一维光栅表面等离子体共振(SPR)传感器。用时域有限差分算法(FDTD)模拟仿真并结合实验测试的透射光谱,研究分析了不同周期结构的金属薄膜光栅型SPR传感器的特性。基于金属光栅耦合,利用表面等离子体激元(SPP)的局域特性和光栅的选频特性,实现了SPR传感器的信号增强和滤波功能。研究结果表明,利用金属薄膜光栅表面介质的变化引起的光栅透射光谱中激发表面等离子体共振峰的位置变化,可以获得被测物体的物理、生物和化学等相关特征信息。     

线性啁啾相位掩模的研制

利用严格耦合波理论分析了线性啁啾相位掩模的衍射特性,得到只有当相位掩模的占宽比在0.37～0.50之间,槽形深度在242～270 nm之间时,才能保证零级衍射效率小于2%.同时正负一级的衍射效率大于35%.在此基础上,利用全息一离子束刻蚀和反应离子柬刻蚀相结合的新方法,制作了中心周期为1000 nm,啁啾率1 nm/mm,有效面积为100 mmX10 mm的线性啁啾相位掩模.发现先用短时间Ar离子束刻蚀对光刻胶光栅掩模槽形进行修正,然后采用CHF3反应离子束刻蚀,能得到更合适的占宽比,从而确定了刻蚀新工艺.实验测量表明其零级衍射效率小于2%,正负一级衍射效率大于35%,最大非线性系数为1.6%.理论分析表明该相位掩模能够满足制作线性啁啾光纤光栅的需要.     

钛扩散LiNbO_3晶体光波导长周期光栅

设计了一种钛扩散铌酸锂(LiNbO_3)晶体光波导结构,并在该基础上制作了长周期光栅.使用两步钛扩散方法在Z切LiNbO_3基片上制造了波导,它包括一个单模芯层和一个平面包层,之后用光刻胶光栅置于波导表面.实验证明用这种结构设计长周期波导光栅是可行的.对光波导制造工艺和波导结构的深入研究,为制作高速电光调制型光栅提供技术基础.     

含有平行铁氧体及介质片的异形波导传输特性

用直线法和横向共振相结合的方法来求含有平行铁氧体及介质片的异形波导的传输特性。计算结果表明,含有铁氧体的脊形波导具有宽频带特性,而含有铁氧体的槽形波导具有较大的差相移,适于做高优值移相器。     

长周期光纤光栅波导色散因子和有效折射率热光系数的测量

对串联的长周期光纤光栅(CLPFG)的透射谱特性进行了理论分析和实验研究。分析表明,长周期光纤光栅中纤芯模和包层模之间的马赫曾德尔干涉效应导致在长周期光纤光栅谐振峰内的梳状滤波结构特性;其峰值位置和峰间距同串联区光纤的长度以及光纤的波导色散因子有关。测量了长周期光纤光栅的透射谱,并研究了其温度特性。根据测量数据,得到对应于1554 nm波长处,所用单模光纤HE14模的波导色散因子γ为0.874;纤芯/包层有效折射率差的热光系数为4.8×10-5℃-1。并对这一测试方法和结果,以及长周期光纤光栅的应用进行了讨论。     

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。     

级联槽型腔表面等离子体滤波器

提出一种中心波长随槽型腔腔长线性变化、透射率随耦合距离可调的级联腔表面等离子体滤波器。该滤波器由输入波导、两个级联的介质槽型腔和输出波导组成。通过级联两个相同的槽型腔,共振模被分离从而实现窄带的双通道滤波器;进一步调节输出波导的位置,能够将双通道分离,实现单通道的滤波。通过时域有限差分法和耦合模理论对模型进行仿真分析,结果表明,该滤波器的最小半高宽低至20nm。同基于单槽型腔的滤波器相比,半高宽显著减小。     

基于金属周期槽阵列的太赫兹带阻滤波器

提出了一种结构简单的新型太赫兹带阻滤波器。滤波器结构为内表面刻有方型槽阵列的平行平板波导。太赫兹波入射时,在周期结构表面激发出只与表面几何结构有关的表面等离子波。有限元法仿真结果表明:平行平板波导中波导模式的基模转换为表面等离子模式,该模式和高阶波导模式之间产生能带间隙,频率在该间隙频段内的太赫兹波将无法在波导内传播,从而实现带阻滤波功能。通过错位法,可以对该结构进行改进,使该阻带与较高频阻带间的通带增大,使结构更符合带阻滤波器的要求。通过改变两板间距,槽宽和槽深各参数可以得到不同带宽和中心频率的阻带。