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一维非偏振导波模共振光栅特性与应用研究

作　者: 郑丹丹
导　师: 白本锋
学　校: 清华大学
专　业: 仪器仪表工程
关键词: 一维光栅导波模共振偏振光学滤波器傅立叶模态法 C方法
分类号: TN25
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

导波模共振（Guided-mode resonance，GMR）光栅是一种全介质共振型光栅，可用作高性能的光学滤波器，近些年得到了广泛的研究。在某些特定应用（如光信号偏振特性不可知或非偏振的滤波应用）中，需要使用对入射波偏振状态不敏感的滤波器。前人通常设计二维光栅或复杂入射条件下的一维多层GMR光栅来实现非偏振滤波。本文研究了垂直入射下的一维单层非偏振GMR光栅的结构设计、光学特性及其滤波应用，揭示了这种最简单的一维光栅结构实现非偏振滤波应用的可行性。具体研究内容包括：基于近似平板波导模型，研究了全介质单层一维GMR光栅表现出非偏振依赖的导波模共振特性的可能性和基本原理。利用光栅严格矢量数值计算方法，对三种类型的一维GMR光栅进行了研究分析和优化设计：正弦面形光栅以及两种矩形光栅。针对正弦面形光栅和Ⅰ型矩形光栅，分别用坐标变换法和傅立叶模态法分析了各结构参数对共振峰位置及半高全宽的影响，得到了在850nm波长处实现非偏振共振的各结构参数之间的近似关系式，并据此设计了非偏振GMR光栅结构。与芬兰阿尔托大学和清华-富士康纳米研究中心合作，利用光致聚合物形变﹑原子层沉积和电子束直写技术制备了光栅样片。测试结果表明：正弦面形光栅在900nm波长处可实现近似非偏振的GMR效应，其TE和TM共振峰之间的偏离约为15nm；Ⅰ型矩形光栅的TE和TM共振峰位置几乎均在840nm处，两者相差仅2.4nm；TE共振峰半高全宽为30nm，TM共振峰半高全宽为38nm。理论和实验结果表现出的共振特征（如共振峰半高全宽、衍射效率等）彼此吻合得非常好。为了证明非偏振共振波长选取的普遍性，分别针对532nm、633nm、1300nm和1550nm共振波长的Ⅰ型矩形光栅设计了非偏振GMR结构参数。此外，通过研究和计算光栅中导波模色散曲线，解释了光栅实现非偏振依赖的GMR效应的物理机制。针对更易实现大规模生产的Ⅱ型矩形光栅，设计了在850nm波长处实现非偏振共振的光栅结构。与东芬兰大学合作，利用电子束刻蚀技术、纳米压印技术和原子层沉积技术完成了光栅样片的制备。测试结果表明：TE和TM共振峰的位置几乎均在840nm处，两者相差仅1.4nm，表现出非常好的非偏振共振特性；但两偏振态的共振峰半高全宽相差较大，旁瓣也没有得到很好的抑制。为了进一步提高非偏振GMR光栅的滤波性能，基于多层膜和光栅结合的混合结构，优化设计了正入射时在850nm共振波长处实现非偏振的反射型和透射型GMR光栅滤波器，使其旁瓣值控制在10%以内，共振峰半高全宽控制在2nm以内。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第1章绪论  8-18
  1.1 导波模共振光栅概述  8-10
  1.2 非偏振导波模共振光栅的研究现状  10-16
    1.2.1 二维光栅  11-12
    1.2.2 正入射下的多层一维光栅  12-13
    1.2.3 全锥面入射下的多层一维光栅  13-14
    1.2.4 经典入射下的双层一维光栅  14-15
    1.2.5 小结  15-16
  1.3 本论文的研究目标及主要内容  16-18
第2章一维非偏振导波模共振光栅的理论基础  18-28
  2.1 本章引论  18
  2.2 GMR 光栅的近似波导模型  18-25
    2.2.1 等效均匀媒质近似  18-19
    2.2.2 平板波导理论  19-24
    2.2.3 近似模型计算结果  24-25
  2.3 光栅严格矢量理论的发展  25-28
    2.3.1 傅立叶模态法简介  26-27
    2.3.2 坐标变换法（C 方法）简介  27-28
第3章单层一维非偏振导波模共振光栅的设计、制作与检测  28-49
  3.1 本章引论  28-29
  3.2 正弦形光栅  29-37
    3.2.1 非偏振 GMR 光栅结构设计  29-31
    3.2.2 光栅结构参数对共振特性的影响  31-35
    3.2.3 样片加工及检测  35-37
  3.3 Ⅰ型矩形光栅  37-46
    3.3.1 非偏振 GMR 光栅结构设计  37-39
    3.3.2 光栅结构参数对共振特性的影响  39-44
    3.3.3 样片加工及检测  44-46
    3.3.4 Ⅰ型矩形光栅形成非偏振共振效应的物理机制分析  46
  3.4 Ⅱ型矩形光栅  46-49
    3.4.1 非偏振 GMR 光栅结构设计  47
    3.4.2 样片加工及检测  47-49
第4章一维非偏振导波模共振滤波器的优化设计  49-57
  4.1 本章引论  49
  4.2 一维非偏振反射型 GMRF 的优化设计  49-51
  4.3 一维非偏振透射型 GMRF 的优化设计  51-57
第5章结论与展望  57-59
  5.1 论文总结及创新点  57-58
  5.2 工作展望  58-59
参考文献  59-62
致谢  62-64
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  64

一维非偏振导波模共振光栅特性与应用研究

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