三角形面形亚波长光栅的衍射特性研究

运用等效介质法 (EMT)和基于严格电磁场理论的傅立叶模式理论 (FMT)分别讨论了三角形浮雕型的亚波长位相光栅的衍射特性 ,并对以上两种方法的数值模拟结果进行了比较研究。发现了等效介质法的局限性 。

面形误差对亚波长金属光栅偏振器性能的影响

基于严格耦合波理论分析了光栅面形误差对亚波长金属光栅偏振器偏振性能的影响.通过对数值结果的分析发现,光栅圆角误差、光栅侧壁倾斜误差和光栅表面粗糙误差对光栅的TM透射效率影响不大,但它们使得光栅的消光比明显降低.因此,面形误差使得光栅的偏振性能明显降低.理论分析表明,顶角为直角、侧壁垂直和表面光滑的理想矩形光栅结构的偏振性能最好.

795 nm亚波长光栅耦合腔垂直腔面发射激光器的超窄线宽特性

基于共振耦合腔理论,提出并设计了基于亚波长光栅耦合腔的795 nm垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL),利用COMSOL软件有限元方法对多光腔耦合线宽压窄机制和影响因素进行了详细分析,研究发现,当光子在多耦合腔中进行谐振时,通过合理设计光栅耦合腔参数,精确调控激光器多耦合腔相位匹配,极大地促进了光谱线宽共振压窄效应,并最终获得了高光束质量795 nm VCSEL 激光器的超窄线宽输出.理论结果表明,当耦合腔间隔层厚度为180 nm时,反射光谱冷腔线宽Δλ_(c)可以达到7 pm,为实现VCSEL激光器kHz量级光谱线宽输出奠定了理论基础.

具有高对比折射率的亚波长光栅反射镜面

超薄、高反射率镜面的发展可以大幅度地降低下一代DVD播放器中产生激光的成本。

亚波长介质光栅的制作误差分析

利用严格耦合波理论 (RCWA )分析了方向误差和面形误差对亚波长光栅衍射效率的影响 通过分析发现 ,方向误差和图案边缘钝化对光栅的衍射效率影响不大 ,而刻蚀过程中由于侧壁倾斜而产生的面形误差对光栅的衍射效率影响非常大 在制作亚波长光栅时 ,可以通过选取合理的刻蚀系统或增大占空比的方法来避免基底型误差的出现 该结论对于制作亚波长光栅具有重要的指导作用 同时根据得出的结论 ,选用专门用于硅深刻蚀的等离子体辅助刻蚀系统制作出了红外30 μm亚波长抗反射光栅 ,检测结果显示 。

二维抗反射亚波长周期结构光栅的设计分析

利用严格耦合波理论(RCWA)和等效介质理论(EMT)研究了二维抗反射亚波长周期结构光栅的设计问题。以立方体和柱状单台阶网格光栅和金字塔形及圆锥形多台阶光栅为例,主要研究了占空比和表面面形对反射率的影响。通过计算发现,当光栅周期足够小的时候,光栅面形对反射率没有影响,同时占空比严重影响着光栅的特性,这对设计制造抗反射光栅非常有用。同时也研究了等效介质理论的适用性。

940 nm VCSEL高折射率对比度亚波长光栅反射镜的设计

研究了一种940 nm GaAs基VCSEL的高折射率对比度亚波长光栅反射镜(HCG),采用GaAs/AlOx光栅结构,讨论了TE偏振时光栅结构中各参数对反射光谱的作用规律,分析TE、TM不同偏振时反射镜的结构特点,及形貌误差对高反射带的影响。设计的TE-HCG的高反射带中心为940 nm,在0.888~0.985μm波长范围内,TE波反射率大于99.5%,TM波反射率低于90%,高反射带宽97 nm,Δλ/λ_(0)>10%。该反射镜可以与VCSEL采用一次性外延生长技术制作,且具有结构简单,制作容差大,且偏振稳定的优势,不仅有利于改善器件性能,且大大降低VCSEL的制作难度和成本。

工作波长为1050 nm高透亚波长光栅的设计

高透射性的亚波长光栅可扩大微机电可调谐垂直腔面发射激光器的波长调谐范围,而使波长调谐范围达到最优,就需要亚波长光栅的透射率最大,这需要优化光栅参数。利用严格耦合波方法,结合遗传算法,设计了一种1050 nm波长亚波长光栅结构。计算分析得出:对于TE偏振,在光栅周期为204 nm、占宽比为0.19、槽深为142 nm的结构参数下,透射率可高达99.99%;对于TM偏振,在周期为169 nm、占宽比为0.72、槽深为138 nm的结构参数下,透射率可高达99.99%。通过分析结构参数对光栅透射率的影响,证明该光栅结构对周期、占宽比、槽深具有优良的工艺容差。该设计方法的运用简单快速,能够避免陷入局部最优,且具有较强的通用性,可为其他类似光栅的优化设计提供借鉴。

亚波长光栅调制的偏振稳定垂直腔面发射激光器研究

基于微光学技术设计得到了偏振稳定垂直腔面发射激光器结构,将亚波长光栅结构集成在上分布布拉格反射镜表面,光栅周期小于材料中光波长,透射波和反射波中仅包含零级衍射,避免了高级次衍射造成的损耗.集成光栅后不同偏振方向光阈值增益不同,从而实现偏振控制.实验结果显示,集成亚波长光栅结构后,整个激射过程中偏振方向被固定在平行于光栅槽方向上,获得偏振稳定激光输出,正交偏振抑制比大于12 dB,且阈值电流仅增大7.14%.

应用于VCSEL的GaAs/AlO_(x)高折射率对比度亚波长光栅反射镜的设计和制备

基于严格耦合波理论,分析GaAs/AlO_(x)高折射率对比度亚波长光栅(HCG)反射镜的偏振和反射特性,设计了横电(TE)偏振的HCG。当入射光由衬底垂直入射时,HCG在940 nm附近的最高反射率接近1。分析了光栅形貌误差和入射角偏差对其反射特性的影响。采用金属有机化合物气相沉积技术进行外延生长,通过电子束曝光、干法刻蚀、湿法刻蚀以及湿法氧化等方法制备出HCG,并进行理论与实验结果的对比分析。实验测试了入射光由光栅表面垂直入射的反射率,其中TE偏振光的最高反射率达到84.9%,与86.5%的理论值比较接近,且横磁(TM)偏振光的反射率低于40%,反射谱的变化规律也与理论结果基本一致,这验证了理论结果的合理性。该反射镜可以作为垂直腔面发射激光器的超薄反射器,具有低损耗、偏振稳定和单模工作的特性。

GaSb基垂直腔面发射激光器P面反射镜优化设计

针对当前2. 0μm GaSb基垂直腔面发射激光器发展中由于传统的P面分布布拉格反射镜(P-DBRs)带来的高电阻和严重光吸收这一瓶颈问题,采用严格耦合波方法仿真设计了含高对比度亚波长光栅(HCG)的P面反射镜.实验结果表明,这种制备工艺简单的反射镜在2. 0μm中心波长附近,TM波入射时反射率超过99. 5%的高反射带宽为278 nm,反射率99. 9%以上的高反射带宽达到148 nm,完全能够满足VCSEL对谐振腔镜的要求,且能有效避免因异质外延等造成反射镜衍射特性劣化等问题.

一种具有低折射率的高对比度光栅反射镜的设计

设计并研究了一种工作于2μm波段的Ga Sb基亚波长高对比度光栅反射镜,其具有低折射率光栅层结构。通过严格耦合波理论优化结构,以最大限度地满足VCSEL腔面反射镜对反射率带宽的要求。反射镜对2μm波段的TM模式具有优良的反射效率,带宽与设计波长之比达15%(反射率R>99%),在反射率R>99.9%的部分Δλ/λ_0>9.5%,带宽中心波长为2.003μm,与此同时TE模的反射率不超过70.20%。该反射镜结构中几个参数的制作容差较大,且厚度低于1.1μm,有利于在垂直腔面发射半导体激光器上的单片集成。

一维TiO_(2)亚波长光栅的衍射异常现象及其结构设计

研究了一维TiO_(2)亚波长光栅(SWG)的衍射异常现象,具体表现为泄漏模共振效应和瑞利异常。研究表明,一定参数条件下的横磁波(TM偏振)和横电波(TE偏振)入射均会出现瑞利异常和泄漏模共振效应。在TM偏振光情况下,会出现传统的窄带、高衍射效率泄漏模共振效应,而在TE偏振光情况下,由于多个接近的泄漏模共振峰相互叠加,故会形成宽带、高衍射效率的反射谱。采用严格耦合波理论计算了一维TiO_(2)SWG的衍射效率,研究了光栅周期、高度和占空比对光栅反射率的影响。当光栅周期为0.49μm,高度为0.25μm,占空比为0.34时,SWG具有TE偏振选择性,在0.52μm波段处的反射率接近1,且高反带(反射率达到99.9%以上)宽度为26 nm。优化各结构参数,得到光栅周期、占空比、高度的制作容差分别为1.6%、8.3%、2.0%,故SWG理论上可以作为垂直腔面发射激光器的反射镜。

导模共振滤光片表面镀膜对其物理特性的影响

为了研究亚波长光栅表面上薄膜的生长特性,以及镀膜对亚波长光栅物理特性的影响,对亚波长正弦槽形光栅表面上镀的Au膜进行了实验研究和理论分析。实验发现,当光栅槽深为80nm,Au膜为100nm时,薄膜的生长是仿形生长,光栅的正弦槽形特征和周期都基本没有发生变化,但镀膜后,出现光栅的正弦占空比增加、槽的深度减小以及槽深的均匀性变差等现象。对引起这种现象的原因进行了分析,提出了由于光栅微结构而给薄膜生长带来的阴影效应现象,并分析了正弦占空比增加对导模共振滤光片光谱特性的影响。

具有偏振分束功能的894nm垂直腔面发射激光器

垂直腔面发射激光器是先进光学信息系统的关键器件之一,具有低成本、低发散角、窄线宽等优点。为满足垂直腔面发射激光器在微型原子钟、军事通信等领域的应用,优化激光器的结构参数来改善腔模位置以及在顶层集成光栅改善出光信号的光场分布就变得尤为重要。基于增益腔模失谐技术以及光栅优异的光束会聚、偏振分束功能,提出一种基于非周期性亚波长光栅的894 nm垂直腔面发射激光器。利用光栅的偏振分束功能,可使器件输出端口的消光大于30 dB。通过改善腔模位置以及氧化孔径,器件在20~90℃范围内基本工作性能保持稳定,在85℃环境下工作波长满足微型原子钟的要求,输出光功率为2 mW,为下一代微型原子钟、军事通信等的发展提供了良好的理论基础。