硅基片上的中波红外铝线栅偏振器设计北大核心

设计了一种Si基片上的Al线栅偏振器,在Al线栅和Si基片间引入一层低折射率SiO介质层,适用于3.0-5.0μm的中波红外波段。采用有限时域差分（FDTD）方法,对SiO介质层和金属线栅材料（Al,Au,Ag,Cu和Rh）分别进行了优化。SiO介质层的引入削弱了Al线栅和Si基片之间界面上激发的表面等离子体激元,横磁（TM）偏振光的透过率提高,横电（TE）偏振光的反射增强,消光比上升。对Al,Au,Ag,Cu和Rh五种金属线栅材料分析表明,Al是最合适的材料。当SiO介质层厚度为300 nm、线栅周期为400 nm和占空比为0.5时,Al线栅偏振器在4.0μm波长处的TM偏振光的透过率达到94.8%,消光比为28.3 dB,在3.0-5.0μm波段具有良好的偏振性能。     

基于二氧化硅薄膜夹层式亚波长金属光栅的宽波段太赫兹偏振分束器

设计出一种结构新颖的宽波段太赫兹偏振分束器,这种偏振分束器由夹层式亚波长金属光栅制成。亚波长金属光栅偏振分束器可以将入射的任意自然光分成两束偏振状态垂直的线偏振光。其中,TE模反射而TM模透射。设计的偏振分束器在3.5~5.5 THz波段可以达到很高的衍射效率与消光比。但是,在光栅的实际制作过程中,加工技术的缺陷引起的误差大大影响了光栅的性能,比如衍射效率,消光比等。因此文中对一些结构参数进行了计算,从计算结果可以看出这种偏振分束器也有很好的工艺容差。当覆盖层厚度D1与底层介质厚度D3的变化范围分别为1~1.2 m和2.8~3 m时,T0TM大于96.9%,R0TE大于98.7%。Tc和Rc分别大于31 dB和33.4 dB。结果显示,设计的偏振分束器在2 THz的带宽10的大角度范围内,衍射效率高于90%,消光比大于20 dB。因此文中设计对于太赫兹调制器件的研究,以及太赫兹通信系统的集成都有很大的参考价值。     

基于Bragg光栅的超高消光比SOI波导偏振器设计

波导偏振器是片上集成相干光学系统中的关键器件之一,超高消光比、低损耗、紧凑型波导偏振器的设计一直是研究的热点。基于绝缘体上硅平台的倾斜Bragg光栅被用于实现超高消光比波导偏振器结构。利用一维光子晶体能带理论分别计算TE和TM模式光的能带结构分布,选择TE模式禁带与TM导带重叠带隙设计光栅,可实现TM模式低损传输,而TE模式被Bragg光栅高效反射,从而产生超高偏振消光比。3D FDTD仿真表明:16 μm倾斜Bragg光栅波导偏振器可在中心波长1550 nm附近70 nm的带宽内,实现大于37 dB的超高消光比,器件的损耗小于0.64 dB;进一步增加光栅周期数,当长度为25 μm时,消光比可提高至46 dB。Bragg光栅倾斜角与刻蚀宽度偏差仿真表明:设计的结构加工误差容限较大,同时该结构仅需一次曝光刻蚀,工艺流程简单。     

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.     

红外宽波段亚波长金属线栅偏振元件的研制

基于亚波长结构对光场的调控作用,研制了单层金属线栅偏振元件。利用等效介质和严格耦合波分析(RCWA)理论确定了结构参数,使用有限时域差分(FDTD)法优化设计了Si基底Al金属线栅结构,并通过多层减反射膜与金属线栅结构的匹配,降低了基底剩余反射率,提高了横磁(TM)波透过率。采用间歇镀Al法减少了辐射温度导致的胶栅形变,制备了具有高偏振性能的亚波长元件。经测试,所制备的线栅偏振元件在中波红外3～5μm波段的TM波透过率为89.1%,消光比为21.9 dB。     

具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器

针对亚波长光栅偏振分束器无法实现垂直出射光 、集成耦合效率低的问题,本文设计了 一种具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器,可实现偏振分束且能获得垂直出射光。器 件上 层采用光栅衍射理论设计了可实现偏振分束的周期亚波长光栅,下层通过严格耦合波法与波 前相 位控制理论设计了具有光束偏转功能的非周期亚波长光栅。基于有限元软件COMSOL对设计 的器 件进行仿真分析,结果表明该器件可分开TE与TM混合偏振光且能实现光束垂直出射,两种 偏振 光的总透射率在1550nm处超过了76.5%,偏振 消光比为14.0 dB。因此通过该偏振分束器不但可 以获得垂直出射的单偏振光,而且能有效提高垂直耦合型器件的工作效率,有望应用在面向 光纤通信的集成光电器件中。     

消色差偏振旋转器

消色差偏振旋转器是一种可以改变入射偏振光偏振方向的光学元件,在较宽波长范围内线偏振光通过该系统获得相同的旋转是偏振旋转器的优化设计目标。文中提出了两种结构的消色差偏振旋转器,一种是由6片波片组成的,另一种是由4片波片组成的。利用TechWiz LCD 1D软件进行模拟,其中由4片波片组成的偏振旋转器透过率可以达到99.75%以上,漏光率低于0.15%;由6片波片组成的消色差偏振旋转器的透过率可以达到99.8%～99.95%;漏光率低于0.12%。并且波片厚度在一定范围内变化时,透过率不受影响。结果表明这种消色差偏振旋转器可以实现入射线偏振光在正交方向的变化,且结构设计,参数设置较简单,消色差性能良好,符合消色差偏振旋转器的基本要求。     

基于表面等离子波耦合的流体波导光栅耦合器

提出了一种由金属光栅和流体光波导结构组成的,基于表面等离子波耦合的光栅耦合器。利用光栅的衍射效应,将金属光栅与介质分界面之间产生的表面等离子波耦合到流体光波导中,并且能够沿着流体光波导稳定地向前传播。通过采用基于有限时域差分算法的FDTD Solutions软件对光栅耦合器进行了参数优化及特性分析,通过优化使该结构在650 nm波长下的耦合效率达到56%。此外,由于该结构对TE偏振光和TM偏振光的选择比达到70∶1,因此具有偏振器的功能。同时由于TE偏振光耦合频谱的频带宽度仅为20 nm,该结构还具有窄带滤波的作用。此外,还研究了光栅结构参数、入射角以及流体折射率对耦合频谱的影响。     

一种新型有效的侧面抽运耦合技术

抽运耦合技术是获得高功率激光器的关键技术之一.针对国外最新提出的一种利用二元金属衍射光栅进行侧面抽运耦合双包层光纤(DCF)激光器的方法,利用严格的矢量衍射理论,证明了这种二元金属衍射光栅虽然对TM偏振模有近94.4%的衍射效率但是对TE偏振模最大只有35%的衍射效率,因此对入射光存在严重的偏振依赖性.在综合考虑了对不同入射偏振光均具有较高衍射效率以及多层金属衍射光栅的工艺制作难度的前提下,提出了一种新型的三层阶梯状的金属光栅结构,该结构对入射的TE偏振光最大能达到72%的耦合效率,并且对TM偏振也保持较高的耦合效率,而且随着阶梯层数的增加,耦合效率将进一步增大.同时给出了金属衍射光栅的周期与厚度对 1阶和-1阶后向衍射波的衍射效率的影响.     

消偏振二维二元闪耀光栅设计

为减小成像光谱仪的偏振敏感度并提高其定量化探测精度,提出一种透射式消偏振二维二元闪耀光栅。它在两个正交方向上都具有周期性槽形单元,每个槽形单元包含7个子周期。每个子周期的介质占空比在两个方向上是独立的,可同时调制TE和TM偏振态的等效折射率,以此优化光栅偏振特性。本文将等效介质理论拓展到二维情况,设计了以熔石英为基底,工作波段为0.6~0.8μm的高衍射效率消偏振二维二元闪耀光栅。光栅两正交方向周期分别为3.31μm和0.473μm。仿真结果表明,在参考波长0.7μm处TE和TM偏振态衍射效率分别为79.5%和79.6%,0.6~0.8μm波段范围内TE和TM偏振态衍射效率均高于70%,偏振敏感度低于2.6%。与一维二元闪耀光栅相比,二维二元闪耀光栅具有高衍射效率、低偏振敏感度和易制作的优势。所得结论可用于指导实际应用中透射式二元闪耀光栅的设计,可望在光栅型高光谱成像仪中得到应用。     

消偏振二维二元闪耀光栅设计（英文）

为减小成像光谱仪的偏振敏感度并提高其定量化探测精度,提出一种透射式消偏振二维二元闪耀光栅。它在两个正交方向上都具有周期性槽形单元,每个槽形单元包含7个子周期。每个子周期的介质占空比在两个方向上是独立的,可同时调制TE和TM偏振态的等效折射率,以此优化光栅偏振特性。本文将等效介质理论拓展到二维情况,设计了以熔石英为基底,工作波段为0.6～0.8μm的高衍射效率消偏振二维二元闪耀光栅。光栅两正交方向周期分别为3.31μm和0.473μm。仿真结果表明,在参考波长0.7μm处TE和TM偏振态衍射效率分别为79.5%和79.6%,0.6～0.8μm波段范围内TE和TM偏振态衍射效率均高于70%,偏振敏感度低于2.6%。与一维二元闪耀光栅相比,二维二元闪耀光栅具有高衍射效率、低偏振敏感度和易制作的优势。所得结论可用于指导实际应用中透射式二元闪耀光栅的设计,可望在光栅型高光谱成像仪中得到应用。     

1.3μm钛扩散铌酸锂波导薄膜偏振器

本文报道用于1.3μm 钛扩散铌酸锂(Ti∶LiNbO_3)波导 MgO/Al 薄膜偏振器,简述了工作原理,偏振器 TM 模消光比大于40dB 和可忽略 TE 模附加损耗。     

800 nm亚波长夹层式金属偏振分束光栅

为获得高性能的偏振分束光栅,设计了一种亚波长夹层式金属光栅结构,通过严格耦合波分析和遗传算法优化出最佳光栅结构。所设计的光栅在波长为800 nm时,0级衍射级次上TM偏振波的透射率和TE偏振波的反射率分别为98%和96.5%。在波长747 nm 854 nm,以及入射角-27 27范围内,光栅的透射和反射消光比都大于20 dB,达到了高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度的要求,数值分析表明该光栅对周期、槽深、覆盖层厚度具有优良的工艺容差。该光栅结构简单,性能稳定,对入射光损耗低,偏振分束效果明显,在光学偏振器件、激光器系统、偏振成像等领域具有广泛的应用前景。     

基于复合光栅镜的角向偏振光产生研究

为了得到角向偏振光输出,采用严格耦合波分析方法,设计了一种复合光栅镜。先通过对Ge光栅的伪博世工艺刻蚀特性的研究,得到了高深宽比的无定型Ge光栅。然后在栅槽底部引入了随机分布的Ge纳米针,在该光栅上依次镀金膜和介质保护膜,得到介质-金属复合光栅镜。最后将该复合光栅镜用作轴快流CO2激光器谐振腔尾镜,得550W角向偏振光输出。结果表明,纳米柱及金栅脊的引入使得该复合光栅镜具有很高的偏振选择性。     

质子交换LiNbO_3低损耗高消光偏振器

采用Ti内扩散和质子交换法在X-切LiNbO_3上制出TE偏振的集成光学偏振器,工作在λ=0.8-0.85μm的偏振器展示0.2dB的额外插入损耗和大于50dB的偏振消光比测量极限。这些数据是对以前发表结果的重大改进。     

液晶光谱偏振系统的透射谱研究

为了研究液晶光谱偏振系统的透过率特性,在可见光波段下的对透射谱分布进行仿真分析。基于Berreman矩阵获得液晶旋光器透射光谱,同时结合Lyot型可调谐滤光片以及液晶相位延迟器,分析了不同偏振态入射光在垂直入射和斜入射两种条件下系统的透射光谱。结果表明,垂直入射情况下在540~680nm出现谷值,斜入射情况下在520~640nm出现谷值,斜入射情况相对垂直入射情况光谱发生一定蓝移。当不同入射光通过系统时,圆偏振光在谷值区域透过率接近0,而线偏振光在谷值区域透过率约为0.25。通过对液晶偏振光谱系统的透射谱研究,有利于分析入射光构成,为深入研究系统以及提高系统性能奠定理论基础。     

倒梯形双层金属光栅式偏振分束器

为获得高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度容差的光栅结构，提出了一种在近红外波长区域工作的倒梯形双层金属光栅结构的偏振分束器。该结构引入了一层高折射率介质层，并且将光栅区的光刻胶斜切成倒梯形结构，新的设计增大了光栅的透射效率和消光比。使用严格耦合波分析方法，模拟和优化了偏振分束器的结构参数。结果表明，横磁波及横电波在1 290~1 840 nm波长范围内的透射效率和反射效率分别超过97%和95%。透射和反射的最大消光比分别为33 dB和53 dB。在波长为1 550 nm，入射角为-40~40时，光栅的透射和反射消光比都大于22 dB，达到了高性能偏振分束器的要求。相较于双层金属矩形光栅，所提出的倒梯形双层金属结构表现出更高的透射性与反射性，同时具有更好的设计灵活性。     

用亚波长正弦介质光栅设计1/4波片

采用扩展边界条件法,得出亚波长正弦介质光栅正入射反射型1/4波片的结构参数。发现在一定精度范围内TE波与TM波的相位差能够在一段较大的槽深区域满足设计要求,从而降低了实际控制刻蚀深度的难度。讨论了线偏振光转化为圆偏振光的方位角问题。     

液晶消色差偏振旋转器

液晶消色差偏振旋转器是一种可以改变入射偏振光状态的光学元件。为了在不移动偏振器件的情况下,实现偏振光在正交方向的转变,并在宽波段具有良好的消色差特性,本文提出了一种由3个低扭曲向列相液晶盒组成的消色差偏振旋转器,通过施加电压来控制液晶分子分布从而控制偏振光的状态。用TechWiz LCD 1D软件进行模拟,在不加电压和平行偏光片情况下,消色差偏振旋转器在450～650nm范围内的漏光率小于0.01,可见光范围内的漏光率低于4.5%,与传统的一个扭曲向列相液晶盒组成的旋转器相比漏光率较低。施加电压之后,透过率可达到97.9%以上,并且液晶盒厚度在2.2～2.5μm之间变化时,消色差特性几乎不受影响,这种结构的消色差偏振旋转器的对比度较高,消色差性能良好,响应时间快,达到了偏振旋转器件的要求。     

Y型光子晶体偏振光分束器

基于偏振模式不同的光波在二维光子晶体中的传播特性不同,设计出一个支路半径相同的Y型二维光子晶体偏振光分束器.通过时域有限差分法对该分束器进行数值计算与模拟分析.结果表明,该分束器能够实现TE模和TM模平行、高效分束.当波长为1.55μm的高斯脉冲入射时,TE模透射率可达97%,TM模透射率可达93.5%,且该结构尺寸仅有6.3μm×6.8μm.这些特性使其在未来的集成光路中具有很好的应用前景.