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。

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。

基于亚波长高对比度光栅的波前调控器设计

基于严格耦合波分析法分析了亚波长光栅波前调控的方法,设计了具有凸透镜、锥透镜和闪耀光栅功能的三种亚波长光栅结构,以平面方式制备了具有聚焦和闪耀效果的三种微纳结构波前调控器.计算了不同光栅厚度、光栅齿和光栅槽宽度下的光栅透射率,通过选择合适光栅参数组合,得到三种波前调控器透射率均在97%以上.硅基平面结构与常规结构器件性能相比,平面和常规透镜、锥透镜在聚焦效果上,焦斑的半高全宽近似相等,峰值强度提高了1.64和2.35倍;平面相对常规闪耀光栅的峰值强度提高了3.77倍.

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。

与GaAs基VCSEL同材料体系高对比度亚波长光栅的设计

设计了一种用于850 nm GaAs基VCSEL的高折射率对比度亚波长光栅(HCG),整体结构采用GaAs材料体系,包含光栅层及为缓解其应力问题而设计的应力缓冲层和以AlGaAs或AlAs氧化后形成的AlOx低折射率亚层。通过Rsoft软件对HCG的反射特性进行仿真研究,分析了不同光栅参数对反射谱的作用规律,重点探究了应力缓冲层和低折射率亚层对光栅特性的影响。设计了中心波长850 nm的TM模HCG,反射率大于99. 9%的带宽可达91 nm,与中心波长之比达到10. 7%,同时TE模的反射率不超过90%,显示出了良好的偏振选择性。该结构可以替代VCSEL中的P型分布式布拉格反射镜,提供高反射率、宽带宽,并改善由不同材料体系所导致的应力问题,提高器件稳定性。

基于亚波长光栅结构的折射率传感研究进展

新一代片上传感系统提出了微型化、集成化、低成本等发展需求,硅基集成波导器件适应其发展趋势,其中亚波长光栅结构因独特的模场分布特性在折射率传感领域备受青睐。文章首先对亚波长光栅波导的工作原理进行了介绍,阐述其在折射率传感领域的优势,然后按器件结构分类梳理了亚波长光栅结构折射率传感的最新研究进展,并分析和总结了不同器件结构的优缺点,最后展望了基于亚波长光栅结构的折射率传感未来的发展方向。

高衍射效率亚波长结构Dammann光栅的设计

传统的Dammann光栅是基于标量衍射理论设计的二值相位等光强分束器件,其衍射效率的典型值为80%左右.基于严格耦合波分析理论和遗传算法,提出了一种设计亚波长结构Dammann光栅的新方法,且该新型二值相位光栅具有较高的衍射效率.同时利用自编的仿真程序包设计了多个光栅,并分析了制作误差对其衍射效率和光强均匀性的影响.仿真结果表明,用该方法所设计的Dammann光栅的衍射效率超过92%.

液晶调控下的亚波长金光栅反射相位

空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)是实现光场调控的关键器件。本文研究了一种将亚波长金光栅嵌入硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)构成的SLM(G-LCoS)器件模型的反射相位特性,该器件模型以ITO透明导电层和液晶构成G-LCoS中亚波长金光栅的非对称边界。首先运用散射矩阵原理给出了亚波长金光栅反射相位的计算表达式,其次给出了下表面液晶的有效折射率计算公式。在此基础上,利用TechWiz 3D软件模拟加电情况下金光栅下表面液晶指向矢的变化,给出金光栅下表面液晶有效折射率的变化值。将得到的有效折射率数据导入到FDTD Solutions软件,对该器件结构开展了相关的仿真实验和结果分析。综合考虑了上表面的ITO色散情况、金光栅高度变化以及不同电压下液晶有效折射率值,实现了可见光范围内多波长的近2π相位调制。本文研究的器件也为AR/VR显示系统以及全息视频显示的优化提供了一种新思路。

亚波长光栅的模态特性与衍射效率及其应用

采用模态理论研究了TE偏振与TM偏振入射光在一维亚波长光栅区域的模式特性,分析了不同传播模态的有效折射率及其差值与入射条件、光栅周期、光栅深度及光栅填充比之间的关系,使用干涉法得到了在考虑光栅凹槽深度的情况下两种模态的光栅衍射效率。应用亚波长光栅的模式特性与光栅衍射效率设计了一种偏振分束器,其特性是在利特罗入射的条件下,单色光波在0级衍射处为TM偏振,在-1级处为TE偏振。

Si/SiO_2高对比光栅参数对反射率的影响

为解决850 nm波长VCSEL表面的Ga As/空气材料的高对比亚波长光栅(HCGs)稳定性差的问题,设计了基于Si/Si O2材料的高对比亚波长光栅。研究了850 nm波长高稳定、高反射率(>99.5%)的高对比亚波长矩形光栅参数的变化对反射率的影响。利用有限元分析软件计算了Si/Si O2高对比亚波长光栅的高度、填充因子、周期、刻蚀深度及光栅倾角等各个参数的变化对850 nm的反射率影响。计算结果表明:当波长为850 nm的TE光从Si O2正入射到矩形HCGs且只有在光栅的倾角大于88°的小范围内变化时,HCGs的反射率才大于0.995,而光栅的其他参数对HCGs反射率的影响可以忽略不计。

基于非周期高折射率差亚波长光栅的光功分器（英文）

提出了一种新的基于非周期高折射率差亚波长光栅（HCG）的光功分器（OPS）。该光功分器在实现光功率均分的同时保持高反射率。为实现上述功分器，通过严格耦合波理论分析（RCWA）周期性亚波长光栅在不同的周期和占空比下的反射率和相位分布，从而挑选合理的参数用于设计非周期亚波长光栅以获得特定的反射相移。最后借助于有限元法（FEM）进行数值分析，经计算光功分器的插入损耗为3.27 dB,波长变化范围为1.50~1.60 μm，且很容易与半导体器件集成。

基于双层金属光栅的高消光比高透过率太赫兹偏振器

本文设计了一种基于双层金属亚波长光栅的太赫兹偏振器,其可以实现高透过率和良好消光比的特性.该偏振器是通过微加工技术在薄石英衬底的上下表面上制备而成的.实验和模拟结果均表明,双层金属光栅具有与单层金属光栅相近的透过率、更高的偏振度和更高的消光比.在0.3~2.0 THz的频率范围内,测量的透过率在83.4%到62.7%之间,偏振度大于99.7%,消光比大于29 dB.此外,设计的两种双层金属光栅偏振器件成功地应用于太赫兹时域光谱(TeraHertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)系统中,获得了超过96.2%的偏振度和超过17.1 dB的消光比.通过调整金属亚波长光栅的参数(例如间距、线宽和金属膜厚度),可以进一步提高透过率、偏振度和消光比等特性.

一维亚波长光栅等效折射率描述光栅光谱特性的有效性研究

运用有效媒质、薄膜干涉及耦合波理论,结合数值寻优算法,采用不同形式的等效折射率来描述一维亚波长光栅的光谱特性。借助光谱误差函数及耦合波折射率,分别针对TE和TM模,对其他等效折射率在描述亚波长光栅时的有效性加以分析比对。研究结果表明:在光栅结构参数已确定的情况下,当归一化光栅周期Λ/λ<0.30时,TE模的二级近似折射率和精确近似折射率能够对其光谱特性给出高精度的描述;而对于TM模,由于光栅层中高级次谐波影响效应的显著性,导致用相应等效折射率描述其光谱特性时精度下降。此外,在采用不同形式的等效折射率计算亚波长光栅光谱特性随光栅深度变化关系时,除TE模情形的二级近似折射率以及精确近似折射率外,其他情形采用等效折射率计算得到的光谱均可能与实际光谱产生较大偏差。

基于TiO_(2)的近红外大数值孔径、高聚焦效率、高透射率会聚透镜

利用相位调控原理设计了一种基于TiO_(2)材料的具有非周期同心圆环形高折射率差亚波长光栅结构的会聚透镜,可实现大数值孔径、高聚焦效率、高透射率、低损耗特性,同时具有体积小、易集成的优点。采用时域有限差分法对提出的透镜结构进行仿真和分析,工作波长为850 nm时,该透镜透射率为90.5%,焦距约为10.4μm,焦斑的半高全宽为0.61μm。通过对仿真得到的数据进行分析,可得数值孔径为0.92,聚焦效率高达91.07%,损耗为0.41 dB,平衡了高数值孔径与高聚焦效率之间的矛盾,可在小器件直径下接近衍射极限实现点会聚效果。

亚波长消反射光栅

为了降低消反射光栅的偏振敏感性 ,将等效介质理论推广到二维亚波长结构 ,对一种特定的矩形柱状结构进行了分析。构造了一种分析方法 ,然后利用光栅结构的有关表达式得到这种二维结构的近似等效系数。并设计了适用于 10 .6 μm红外波段的二维亚波长消反射光栅 ,用二元光学的制作工艺在Si衬底上进行了实验制备。测试结果表明 :对中心波长为 10 .6 μm的红外光 ,这种光栅象单层消反射膜一样 ,具有很好的增透效果。

亚波长周期结构抗反射介质光栅的衍射特性

用严格耦合波理论(RCWA)计算了当折射率取一系列离散值时的二维亚波长周期结构介质光栅出现一级衍射透射波的周期值,进而利用最小二乘法拟合出临界周期点随折射率的变化规律;利用一维单台阶和多台阶光栅在TE、TM偏振状态以及二维单台阶圆柱状光栅和二维金字塔结构多台阶光栅进行验证,发现它们同样满足临界周期点的变化规律。结果证明,对于任意面形的亚波长周期结构介质光栅的一级衍射效率都有这一规律。

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.

二维金属矩形光栅的偏振控制及其透射特性

基于一维亚波长金属光栅结构的双折射效应,将等效介质理论(EMT)推广到二维亚波长结构,对一种特定的金属矩形光栅结构进行了分析,实现输入线偏振到输出任意偏振态的控制。利用时域有限差分(FDTD)算法对输出光偏振态及其透射特性进行了仿真。仿真结果表明:通过空间角调制的方法,得到输出光的偏振态理论上可实现全庞加莱球覆盖,并具有较高的透射率。