正交级联液晶偏振光栅的收发分离结构设计

正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转,在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景,其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光,如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题,文中根据1/4波片、1/2波片以及液晶偏振光栅理论推导了线偏振光源经过被动液晶偏振光栅层以及正交级联液晶偏振光栅后偏振态的变化,验证了出射光偏振态与光束偏转角度的可逆性。采用偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、正交级联液晶偏振光栅等器件设计了一种可实现发射光与接收光偏转与分离的光学结构,构建了测试系统,最后通过测试结果证明了理论的正确性与结构的适用性。     

使用亚波长光栅器件产生圆柱型矢量光束

基于严格矢量衍射理论,分析了亚波长光栅将圆偏光转化为线偏光的机理。根据分析的结果提出了一种利用光栅空间分布控制出射光偏振态分布的方法,并使用该方法规设计了一类光栅区域呈多带环形分布的偏振器件。通过改变该型器件的环形光栅区域数量,可以得到不同的偏振光束。通过对出射光束使用Richards-Wolf矢量衍射法进行数值分析,得到了在大数值孔径条件下,聚焦光束在焦点附近的归一化光强分布。其中大多数出射光束的焦点光强分布为平顶光斑,光斑的最大径向半高全宽达到了1.541 。与同数值孔径下线偏光、径向偏振光及角向偏振光的聚焦光强分布具有明显区别。     

基于反射会聚的亚波长光栅多路功分器

针对目前可实现多路分光的亚波长光栅功分器层 数多不容易制备、无法平均分束的 问题,本文设计了一种基于光束反射会聚的单层亚波长光栅功分器,可实现多束分光且便于 制备。通过严格耦合波理论与波前相位控制理论,设计了四个完全相同的可实现光束会聚的 亚波长光栅,接着将四个亚波长光栅依次紧密拼接进而获得了四路功分器。基于有限元软件 COMSOL对设计的器件进行仿真分析,结果表明该器件可以将一束波长为1550 nm的TM入射光分 成四束,每束光的功率都相等,且都能实现反射会聚。因此基于波前相位控制原理设计的功 分器不仅能实现多束平均分光,还能使每束光都实现了会聚,从而有效提高了光探测器阵列 的工作效率,有希望被广泛应用于光通信集成系统与空间光耦合等领域。     

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。     

基于亚波长偏振光栅的空间光桥接器设计

为了研究自由空间的相干光探测,基于亚波长偏振光栅的衍射和偏振特性,提出了一种新的24的90空间光桥接器。该桥接器主要由一个亚波长偏振光栅、两个/2波片和两个偏振分束器构成。结果表明,通过亚波长偏振光栅将信号光束和本振光束进行空间光桥接,通过左旋和右旋圆偏振光在偏光分离时的相位性质实现所需的相位关系,避免了传统空间光桥接器中对分光元件的相位要求,易于实现稳定的相位输出,在空间激光相干探测系统中有潜在应用。     

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。     

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)。     

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。     

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 ℃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2mW ,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。     

一种微纳多齿谐振光栅偏振分束器

微纳光学器件是光路集成、片上光电转换和检测的重要基础器件,基于硅基微纳多齿谐振光栅,设计了一种高性能的微纳多齿谐振光栅偏振分束器(PBS),应用光栅对于TE和TM偏振光表现出不同的衍射性质,从而实现偏振分束的目的, 通过严格耦合波理论分析?研究了光栅PBS的性能。结果表明,在1.53 ~ 1.62μｍ(90ｎｍ)的宽带光谱上,该PBS的衍射效率大于97％,消光比(ER)大于16ｄＢ,以及角度带宽为8°等的优越性能。此外,还研究了结构参数对光栅PBS性能的影响,数值分析表明,该装置具有良好的工艺容差,可广泛应用于通信系统的路由和交换设备。     

GaN基蓝光LED单偏振输出及高光提取效率的实现

为了提高倒装发光二极管（LED）光提取效率的同时实现单偏振光输出，建立了正装、倒装和集成金属亚波长光栅倒装LED 3种模型，采用RSOFT软件进行仿真对比及器件优化，并进行了理论分析和模拟验证。结果表明，倒装LED虽然可以提高光提取效率但对P-GaN层厚非常敏感，无法单偏振光输出；集成了金属亚波长光栅的倒装LED可以不受P-GaN层厚影响，实现单偏振光输出，但要输出稳定偏振光，受光栅参量和介质过渡层厚度影响非常显著；优化后的结构可以实现57.63%的光提取效率，偏振消光比达到25.8dB。该研究对制造高性能蓝光LED具有一定的指导作用。     

Design of a 1 × 2 novel optical switch based on polarization converters and splitters

In this paper, a 1?×?2 optical switch based on two TE/TM polarization converters, one 1?×?2-polarization beam splitter and a hybrid 2?×?2-polarization beam splitter/combiner is designed and discussed. The novelty of this work resides in the design of a 2?×?2-hybrid polarization beam combiner/splitter, operating as a 2?×?2 polarization optical switch through the combining and the splitting of polarized signals issued from two TE/TM polarization controllers. The novel hybrid splitter/combiner can route an optical signal either to a bar or a cross port with an extinction ratio higher than 90 dB, thanks to the feature of polarization splitting used in this device to suppress undesired polarization states and minimize the polarization-dependent loss. We have used polarization beam converters to switch between two orthogonal modes in order to facilitate the routing of these signals through the 2?×?2-hybrid polarization splitter/combiner. We changed the polarization states of signals, in our simulation via OptiSystem, through polarization controllers, by modifying only their phase shifts between 0 rad and π rad. The proposed 1?×?2 optical switch presents an average insertion loss of 3.5 dB.

     

Design and fabrication of an embedded wire-grid nanograting

An embedded wire-grid nanograting was designed and fabricated for using as a broadband polarizing beam splitter to reflect s-polarized light and transmit p-polarized light. A protected cladding layer of the same material as the grating's was deposited on the ridge, whereas the wire-grid is deposited in the grating trenches, which makes it more firm during application. High polarization extinction ratios of above 40 and 20 dB for transmission and reflection, respectively, with a broad wavelength range for the whole optical communication bandwidth (850-1700 nm) and a wide angular tolerance (> ±20°) are obtained by optimization of the designed structures, and the grating period is 200 nm.     

用光栅作为分束器的激光光栅干涉仪

本光栅干涉仪用光栅作为分束器,使双光束发生干涉。特点是既可用来观察位相物体,也可把干涉条纹调制在位相连续变化的物体上进行测量。     

亚波长线栅太赫兹偏振分束器的研究

为了提高工作在太赫兹波段偏振分束器的性能,采用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺衬底上制作了亚波长周期金属线栅太赫兹偏振分束器,并以返波振荡器作为太赫兹辐射源搭建了偏振分束特性测试系统。当入射波频率为340GHz、入射角为45°时,测得在入射波偏振在0°～180°变化过程中,该偏振分束器具有良好的偏振分束特性,透射和反射的消光比分别为27.3dB和10.5dB,插入损耗分别为0.13dB和0.32dB;用太赫兹时域光谱系统测得偏振分束器在0.2THz～1.5THz频域内透射消光比大于18dB。结果表明,测试结果与时域有限元方法模拟结果基本吻合。     

基于超表面的宽波带光束聚焦研究

超颖表面是一种基于亚波长结构的光学平板膜层,可在亚波长传输范围内调控入射光束的相位、振幅和偏振。为了代替传统的曲面光学元件,采用传输相位调控理论和广义折反射定律,设计了一种新型的超颖表面,并进行了程序模拟,取得了此亚波长结构对光束聚焦调控的数据。结果表明,当增加超颖表面的椭圆基元的长短轴长度时,材料的等效折射率增加,并且适用的波长范围增加到0.7μm~1.2μm;通过优化超表面结构参量,可实现在宽波带范围内的相位调控,进而获得聚焦光场的优化,在一定程度上可以代替传统光学元件实现光学聚焦。该研究结果在超分辨率成像及光刻等方面有一定参考价值,在一些特殊的需要亚波长结构调控光束的情况下可以使光路简单化,并且比传统的光学元件有着厚度方面的优势。     

双芯光纤的偏振分束特性研究

偏振分束器是光学中的重要器件,它将入射光按其偏振特性进行分离,它主要应用于需要对偏振态进行有效控制的光学系统中。微型化光波导偏振分束器已成为光通信领域的研究趋势。双芯光纤偏振分束器承接了双芯的特殊优势,是一类基于模式干涉的偏振分束器,根据耦合长度的不同将两种偏振态分离开来,这一类的分束器具有设计灵活、体型小、价格低廉、应用广泛等优点。本文基于椭圆芯双芯光纤,先从理论方面介绍了偏振分束的原理,再利用Rsoft软件模拟分析了x、y方向的耦合长度及其x、y方向的耦合长度差值随纤芯长短轴比例、入射光波长、纤芯包层折射率差、纤芯间归一化距离的变化趋势。最后,通过优化设计,获得了长度为22.29cm、消光比可以达到20dB以上的偏振分束器。     

Proposal for a Grating Waveguide Serving as Both a Polarization Splitter and an Efficient Coupler for Silicon-on-Insulator Nanophotonic Circuits

A grating waveguide is introduced and designed to serve as both a polarization splitter and an efficient vertical coupler between a fiber and a silicon-on-insulator (SOI) nanophotonic waveguide. Through this grating waveguide, the light from the fiber can be efficiently coupled into an SOI chip where the two orthogonally polarized waves are separated to travel towards the opposite directions along the waveguide. According to our simulations, the optimized structure can give a high coupling efficiency of about 50% for both polarizations, as well as a large bandwidth of over 70 nm and a very low polarization crosstalk below ${-}$22 dB at the output ports.      

一种用于DWDM系统的薄膜型微小偏振分束器

讨论了一种用于DWDM系统中的光开关、偏振无关隔离器等单元器件中的微小薄膜型偏振分束器制造的关键技术.光学膜层采用数学多重优化设计方法;采用Monte Carlo允差分析原理分析膜层的容差,以便选择更易制备的膜系;计算膜层的Macleod极值灵敏度,得到所选膜系各个膜层的误差要求;模拟光学监控过程,以制定相应的膜厚监控策略.设计了实用的棱镜胶合装置,得到了较高技术指标的PBS棱镜.结果表明,棱镜的光学冷加工,是器件制造的基础;光学薄膜的设计与制备是器件制造的关键,也是难点;棱镜的胶合是器件不可忽视的环节.