基于導(dǎo)模共振的亞波長光柵器件研究.pdf

1、亞波長光學(xué)元件具有傳統(tǒng)光學(xué)元件無法實(shí)現(xiàn)的特殊光學(xué)特性，其中亞波長光柵結(jié)構(gòu)由于只存在零級衍射波的特殊衍射特性而受到廣泛關(guān)注。亞波長光柵導(dǎo)模共振效應(yīng)具有高衍射效率、窄帶寬、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，已據(jù)此設(shè)計出了多種性能優(yōu)越的光學(xué)器件，例如濾波器、光束分束器、光調(diào)制器等。然而，這類光柵的周期通常為工作波長量級或亞波長量級，標(biāo)量分析方法無法對其衍射特性準(zhǔn)確計算，需要使用嚴(yán)格的矢量理論。本文介紹了分析亞波長光柵結(jié)構(gòu)常用的三種數(shù)值分析方法:使用等效介質(zhì)理論

2、對光柵衍射近似計算，使用嚴(yán)格耦合波理論與時域有限差分算法對光譜響應(yīng)精確求解。基于導(dǎo)模共振效應(yīng)，提出并研究了波長可調(diào)的窄帶濾波器和低閾值雙穩(wěn)態(tài)光柵兩種器件結(jié)構(gòu)。主要工作如下:
　　1.根據(jù)等效波導(dǎo)模型，將亞波長光柵層視為具有均勻折射率的平面介質(zhì)波導(dǎo)，通過計算其本征方程得到導(dǎo)模共振的位置，并使用嚴(yán)格耦合波理論與時域有限差分算法計算了不同光柵參數(shù)對光柵光譜響應(yīng)的影響。
　　2.提出了一種分離式光柵濾波器結(jié)構(gòu)，其波導(dǎo)層被一個空氣薄層

3、所隔開。計算了不同間隔層厚度時，該濾波器的光譜響應(yīng)。結(jié)果表明，間隔層厚度對共振位置有控制作用。通過對光柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在1515～1558nm波長范圍實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧。同時采用淺調(diào)制光柵設(shè)計使得在該波長范圍內(nèi)，半高全寬均小于0.6nm。
　　3.設(shè)計了一種低閾值雙穩(wěn)態(tài)光柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)波導(dǎo)層是由兩個高折射率層中間填充一個低折射率薄層組成的三明治結(jié)構(gòu)，光柵層采用強(qiáng)調(diào)制的淺刻蝕光柵，非線性材料選用具有高非線性系數(shù)的硅材料作為光柵層和波導(dǎo)層介質(zhì)。

4、該結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)層由于邊界條件的緣故，在TM偏振態(tài)入射的情況下，光場會被強(qiáng)烈地束縛在中間的低折射率層并獲得局域增強(qiáng)，從而提高該結(jié)構(gòu)的非線性特性，降低了交換閾值。計算結(jié)果表明，該雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的交換閾值相比傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)光柵降低了約一個數(shù)量級。另外，還對不同的低折射率層厚度進(jìn)行了分析，得出了交換閾值隨光柵厚度的變化趨勢，并從光場分布的角度解釋了這一趨勢。
　　本文提出的兩種亞波長光柵器件結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的性能，具有一定的理論價值和實(shí)際意義。其中，