亚波长硅光栅应用的研究

论文摘要

新近研究发现的亚波长高折射率对比光栅（HCG）,不仅具有尺寸小巧、结构简单、与标准微纳加工工艺相兼容、易于与集成光路集成的优势,而且HCG呈现出了诸如偏振相关、宽带高反射等新特性,使得HCG具有广泛的应用前景。本论文中介绍的HCG均以硅材料作为高折射率光栅材料。我们主要就HCG的三方面应用进行了研究。首先,我们设计了一种应用于光纤-波导耦合的,全刻蚀均匀周期光栅耦合器。这种光栅耦合器,结构简单周期均匀易于加工,不需要浅刻蚀所要求的额外的直写步骤。并且可实现定向耦合,通过设计抗反射沟槽和高反射沟槽,使其耦合效率更高。设计方法灵活简便。然后,我们设计了两种聚焦HCG反射镜,其中一种反射镜光栅条的高度不同,另一种光栅条的深度不同,在TE偏振光垂直入射下,两者分别到达了94%和91%的高反射率,并且达到了相同的高聚焦效果,两者焦平面上的场强分布的半高宽都为0.9?m、接近衍射极限。第三,我们设计了一种聚焦HCG透镜。这种透镜是镂空的硅光栅条结构,整个光栅厚度均一,制作工艺简便,克服了传统透镜制作困难、不易于集成的缺点。并且这种透镜可以达到89%的高透过率,以及0.75的数值孔径值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 传统意义上的光栅及其应用
• 1.2 硅材料及其应用[1]
• 1.3 亚波长高折射率对比光栅（HCG）概述
• 1.4 本文主要研究内容及结构安排
• 第二章 光栅耦合器
• 2.1 集成光学中的耦合问题
• 2.2 传统光栅耦合器原理
• 2.3 全刻蚀均匀周期光栅耦合器的设计方法
• 2.3.1 光束入射角
• 2.3.2 光栅周期和占空比的确定
• 2.3.3 抗反射光栅沟槽
• 2.3.4 渐变波导
• 2.4 总结与讨论
• 2.4.1 研究意义
• 2.4.2 关于提高光栅耦合器耦合效率的讨论
• 2.4.3 调制光栅
• 2.5 本章小结
• 第三章 TE偏振垂直入射下的聚焦HCG反射境
• 3.1 引言
• 3.2 HCG的反射特性分析
• 3.2.1 理论概述
• 3.2.2 一些相关说明
• 3.2.3 TM偏振入射
• 3.2.4 TE偏振入射
• 3.2.5 HCG的 100%反射机制
• 3.3 TE偏振入射下具有相同聚焦效果的两种形式的HCG反射镜
• 3.3.1 TE偏振垂直入射的HCG反射谱
• 3.3.2 聚焦HCG反射镜的设计
• 3.3.3 模拟计算结果及讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 平板聚焦HCG透镜
• 4.1 显微透镜
• 4.2 HCG的 100%透射机制
• 4.3 TE偏振垂直入射的聚焦HCG透镜
• 4.3.1 TE偏振垂直入射的HCG透射谱
• 4.3.2 聚焦HCG透镜的设计
• 4.3.3 模拟计算结果及讨论
• 4.4 倾斜入射情况下HCG的性质
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果