双光栅结构薄膜太阳能电池的优化

为了提高单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和转换效率, 采用在单晶硅薄膜太阳能电池正背面分别集成硅介质光栅和铝金属光栅的方法, 并利用有限时域差分法软件仿真研究了两种光栅的周期、厚度、占空比对单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和光转换效率的影响。结果表明, 通过优化可得当正背面光栅都处于最优值时(介质光栅占空比F=0.8、介质光栅周期P=0.632μm、介质光栅厚度h_g=0.42μm; 金属光栅占空比F₁=0.9、金属光栅周期P=0.632μm、金属光栅厚度h_m=0.005μm), 短路电流密度可达35.15mA/cm2, 转换效率为43.35%;将最优光栅单晶硅薄膜太阳能电池与传统单晶硅薄膜太阳能电池对比, 无论是光程路径还是吸收效率, 光栅单晶硅薄膜太阳能电池都有显著的提高。这为以后制备高性能薄膜太阳能电池提供了理论指导。     

深紫外光栅反常偏振器件的设计与分析

为实现金属光栅偏振器件在光刻机偏振照明系统中的应用,基于共振域光栅的反常偏振效应,提出一种以二氧化硅为基底、铝与氟化镁作为栅线材料的介质-金属光栅偏振器。与传统的亚波长金属光栅偏振器相比,该偏振器的光栅周期接近入射波长(0.19～0.20μm),表现出透射TE偏振光、反射TM偏振光的反常特性。由时域有限差分算法(FDTD)的数值模拟结果可得,当波长为0.193μm的光垂直入射时,该光栅偏振器对TE偏振光的透过率大于60%,偏振消光比大于180。与具有相同结构参数和栅线材料的单层金属光栅偏振器相比,该介质-金属光栅偏振器在深紫外波段具有良好的偏振性能,TE偏振光透过率提升了约10%,偏振消光比提升了4.5倍左右(在0.193μm波长下)。     

硅表面太赫兹抗反射亚波长结构设计

亚波长结构是特征尺寸小于工作波长的连续阵列浮雕结构,可看成是一层折射率均匀的介质层,仅存在零级的透射和反射衍射。基于等效介质理论和严格耦合波理论介绍了亚波长抗反射结构。为提高111μm波长太赫兹辐射(2.7THz)的透过率,在硅表面设计了亚波长抗反射结构。该结构的透射率和反射率由其浮雕结构的周期、高度和占空比确定。利用等效介质理论和严格耦合波理论对其结构参数进行了优化设计。当周期为27μm、高度为13μm、占空比为0.75时,得到了99.05%的太赫兹辐射透过率。     

量子阱红外探测器双面金属光栅设计优化

提出了一种增强量子阱红外探测器耦合效率的双面金属光栅结构。采用三维时域有限差分算法（3D-FDTD）对GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器双面结构金属光栅进行了仿真分析。通过对比不同周期、占空比、金属层厚度结构参数下探测器的电场分布及相对耦合效率,确定了4.8 m 探测器优化的双面金属光栅结构。与顶部和底部单层金属光栅结构比较,双面金属光栅结构探测器相对耦合效率提高到3 倍以上。探测器相对耦合效率随光栅周期变化的双峰曲线特性体现了双面金属光栅结构在双色量子阱红外探测器光耦合方面的潜力。同时该结构还可以应用于单色、双色及多色量子阱焦平面红外探测器。     

多层金属-介质镀膜光栅的聚焦特性

结合等离子金属光栅原理和多层膜理论,提出一种金属-介质-金属多层光栅结构以增强透射光的聚焦效应。利用时域有限差分(FDTD)法对该多层结构的聚焦特性进行模拟仿真,得到多层结构的聚焦特性随金属-介质膜层数和凹槽数目的变化特性。结果表明,通过控制金属-介质层层数或者凹槽数目,焦距明显改善,焦距可达9.15μm,最大焦深约为26.38μm,相对于传统金属光栅,聚焦效应得到了明显增强。     

1.5μm波段硅基金属光栅单向透射的研究

为了在硅衬底上制作全光逻辑元件,实现1.5μm波长的单向透射性,设计了一种基于硅衬底的复合金属光栅,利用光子在不同方向上入射到金属光栅表面时,耦合成表面等离子体的条件不同,通过FDTD数值仿真和优化,通过对光栅结构的优化和调节复合光栅的参数,实现了在1.5μm波段单向透射,正向入射光的透射率可达39%,对应的透射对比率可达9.4。这一研究成果可以应用于全光逻辑回路和全光二极管的设计。     

利用高对比度光栅实现光束大角度偏转

为了分析高折射率对比度光栅(HCG)参量和入射波长对光束偏转角的影响,采用严格耦合波法设计了透射光束可偏转非周期三角HCG,并通过时域有限差分法证明了所设计的非周期三角HCG可实现30.3°的透射光束偏转。结果表明,当低折射率介质材料折射率从1增加到1.4时,透射光束偏转角可实现11°的调谐;当入射波长从波长1.5μm增加到1.6μm时,该非周期三角HCG可实现3.527°的透射光束偏转角调谐。这一研究结果可对将来制备高性能光束偏转光栅提供理论指导。     

缺陷为增益介质的光子晶体光放大特性的研究

为了研究含缺陷层为增益介质的三元1维光子晶体的光学特性,采用光学传输矩阵的方法进行了理论分析。结果表明,增益缺陷层厚度及光学常数的变化对于红外区的禁带结构影响不大,增益介质层主要对中心波长为1.8μm所处的透射带带边波长的放大效应特别明显。还研究了增益介质缺陷层的厚度、光学常数的变化对于红外区透射带边(2.1869μm)波长的光放大效应;当增益介质厚度为0.0101μm,n=5.03+0.124i时,可以获得在波长2.1869μm处透射系数为428的光放大。在红外区,光放大波长随着中心波长的变化而变化,但该波长都是在中心波长所处透射带的带边处。该结果可为以光子晶体作为激光增益介质的研究提供理论指导。     

光通信波段亚波长光栅偏振器的设计与分析

亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊特性。基于矢量衍射理论-耦合波分析法对矩形亚波长光栅的衍射效率进行了理论计算,针对光通信中的1 550nm波长设计了一种基于SOI衬底的亚波长偏振光栅,分析了光栅周期、光栅深度、占空比和光栅结构的变化对其偏振特性的影响。仿真结果表明,当光栅的周期为960nm,槽深为230nm,占空比为24%时,可使TM模式的透射率大于95%,TE模式的透射率小于5%,且矩形的光栅结构相对于三角形和圆形的光栅结构具有更好的偏振性能,可有效用于光开关、光隔离器、激光器、光探测器等半导体光电子器件。     

透射式金属光栅耦合SPR传感器

用磁控溅射技术在双面抛光的蓝宝石衬底上沉积了20 nm Ti和100 nm Au的金属薄膜,通过标准光刻工艺制备出1.6和2.0μm两种周期结构的一维光栅表面等离子体共振(SPR)传感器。用时域有限差分算法(FDTD)模拟仿真并结合实验测试的透射光谱,研究分析了不同周期结构的金属薄膜光栅型SPR传感器的特性。基于金属光栅耦合,利用表面等离子体激元(SPP)的局域特性和光栅的选频特性,实现了SPR传感器的信号增强和滤波功能。研究结果表明,利用金属薄膜光栅表面介质的变化引起的光栅透射光谱中激发表面等离子体共振峰的位置变化,可以获得被测物体的物理、生物和化学等相关特征信息。     

金属光栅提高蓝光LED提取效率的研究

为了提高发光二极管(LED)的光提取效率，并比较不同光栅形状对LED光提取效率的影响，采用严格耦合波法优化了与矩形、等腰三角形、等腰梯形光栅分别集成的倒装LED，使它们出光面透射率达到最优，随后使用有限时域差分法模拟计算它们的光提取效率。经过模拟计算和理论分析可得3种不同结构LED最优光栅参量(光栅占空比f、光栅周期p、光栅厚度h)和过渡层厚度d分别是:f=0.35, p=150nm, h=80nm, d=190nm; f=0.45, p=175nm, h=80nm, d=190nm; f=0.7, p=150nm, h=80nm, d=190nm。结果表明，3种最优的LED结构在波长0.4μm~0.5μm范围内，矩形光栅倒装LED和等腰三角形光栅倒装LED出光面透射率相同，等腰梯形光栅倒装LED出光面透射率最低; 由于光透射率最低，导致等腰梯形光栅倒装LED光提取效率较低，最高仅为58.07%，但是由于等腰三角形光栅倒装LED特殊的光栅形状加上高的光透射率，其光提取效率可以达到77.75%。此研究可以为制备高光提取效率LED提供理论方法指导。     

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。     

975nm分布反馈激光器一级光栅的制备

优化设计了975 nm分布反馈激光器的一级布拉格光栅结构.将纳米压印技术与干法刻蚀工艺相结合制备周期为148 nm的光栅结构,通过优化调整刻蚀气体流量比、腔室压强和偏压功率等参数,得到了合适的光栅刻蚀工艺参数.扫描电子显微镜测试显示,光栅周期为148 nm,占空比接近50％,深度合适,表面形貌、连续性和均匀性良好.将所制备光栅应用于975 nm分布反馈激光器中,激光器输出性能良好,波长随温度漂移系数小,光栅对波长的锁定效果良好.     

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。     

Proposal for Compact Optical Filters Using Large Index Step Binary Supergratings

Compact optical filters are proposed using an aperiodic grating of fixed element size [i.e., a binary supergrating (BSG)] with a large refractive index step. These filters allow for almost arbitrary wavelength filtering, yet they are more compact than previous demonstrations of BSG. The filters are designed using a combination of Boolean particle swarm optimization (B-PSO) and a one-dimensional transfer matrix method. To demonstrate the compact device size, several 50-mum-long single-wavelength transmission filters are demonstrated theoretically, each having a different wavelength while using the same structural parameters. A multiwavelength filter is also proposed in an 80-mum-long structure to show the versatility of the large refractive index step BSG. A genetic algorithm is substituted for the B-PSO; however, B-PSO shows better performance here. This work may be applied to produce compact optical filters for intrachip optical networks and compact tunable lasers, while using existing single-step photolithography processes.     

免偏振敏感消色差超构镜设计研究

超构透镜作为一种灵活调控空间光场相位、振幅及偏振的有效选择,在超分显微成像中受到了广泛的关注。为了提高多波长显微成像的分辨率,解决传统光学系统结构厚重、设计复杂等问题,基于相位补偿理论,运用传输相位法以及粒子群优化算法,设计了一种基于二氧化钛纳米单元柱的反射式消色差超构透镜,在500~550 nm之间实现了恒定聚焦,且该透镜具有偏振不敏感的特性。与数值孔径相同但有色散的超构透镜的对比结果有效证实了该超构透镜的消色差功能。所设计的透镜可应用于多波长显微成像系统中并提高成像的分辨率。此外,该消色差透镜在数码相机和光学仪器等领域中也有较好的应用价值。     

激光修锐砂轮工艺参量的预测和优化算法

为了找到一种适用于激光修锐砂轮工艺参量预测和优化的方法,采用神经网络和粒子群算法,建立了激光修锐砂轮工艺参量优化模型。首先构建了工艺参量与工件表面粗糙度之间映射关系的神经网络模型,然后基于预测模型采用粒子群算法实现工艺参量优化,最后采用粒子群算法优化获取的5组工艺参量进行了激光修锐试验。结果表明,样本值与神经网络仿真输出值的相对误差小于3%,试验值与期望值的相对误差控制在6%以内。综合说明该优化模型具备良好的优化能力。     

Special Apodized Fiber Bragg Grating for Flat—top Band—pass Reflectivity Filter

The characteristics of special apodized fiber Bragg grating (FBG) in flat--top pass--band as reflectivity filter are presented. This special apodized FBG was designed by the particle swarm optimization algorithm. Compared with conventional apodized FBG, the special apodized FBG presented was more robust in the flat—top pass——band characteristic even if the strength of grating is very week. This technology is very interesting in designing the filter for wavelength division multiplexing system.