基于導模共振的亞波長光柵器件研究.pdf

1、亞波長光學元件具有傳統(tǒng)光學元件無法實現(xiàn)的特殊光學特性，其中亞波長光柵結構由于只存在零級衍射波的特殊衍射特性而受到廣泛關注。亞波長光柵導模共振效應具有高衍射效率、窄帶寬、結構簡單等特點，已據(jù)此設計出了多種性能優(yōu)越的光學器件，例如濾波器、光束分束器、光調制器等。然而，這類光柵的周期通常為工作波長量級或亞波長量級，標量分析方法無法對其衍射特性準確計算，需要使用嚴格的矢量理論。本文介紹了分析亞波長光柵結構常用的三種數(shù)值分析方法:使用等效介質理論

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

3、所隔開。計算了不同間隔層厚度時，該濾波器的光譜響應。結果表明，間隔層厚度對共振位置有控制作用。通過對光柵結構優(yōu)化，在1515～1558nm波長范圍實現(xiàn)了可調諧。同時采用淺調制光柵設計使得在該波長范圍內，半高全寬均小于0.6nm。
　　3.設計了一種低閾值雙穩(wěn)態(tài)光柵結構，該結構波導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構，光柵層采用強調制的淺刻蝕光柵，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層介質。

4、該結構的波導層由于邊界條件的緣故，在TM偏振態(tài)入射的情況下，光場會被強烈地束縛在中間的低折射率層并獲得局域增強，從而提高該結構的非線性特性，降低了交換閾值。計算結果表明，該雙穩(wěn)態(tài)結構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構具有優(yōu)異的性能，具有一定的理論價值和實際意義。其中，