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C波段偏振无关光栅的研究

【摘要】:波分复用器是光通信系统的关键元件之一,它的性能对提高系统的容量和传输质量起到重要作用。衍射光栅作为一种重要的波分复用器件,具有并行解复用、低插入损耗、通道间隔窄和器件尺寸小等优点。光在光纤内传播的过程中偏振态会发生改变,常规光栅的衍射效率与偏振态密切相关,如果直接对非偏振光进行色散分光,能量损失很大,通常需要增加转换装置将入射光的偏振态先进行转换。本论文通过设计,使光栅在任意偏振态下都能获得高衍射效率,可避免使用偏振转换装置。高效率偏振无关光栅对提高光通信能量利用率具有非常重要的意义。本文对两种C波段偏振无关光栅———金属-介质膜光栅(MMDG)和多层介质膜光栅(MLDG)开展研究,给出了相应的设计方案,并进行理论分析计算,主要工作内容如下:(1)基于严格耦合波理论对光栅在TE和TM偏振光入射下进行分析,得到衍射效率的计算公式,并编写了光栅衍射效率的计算和优化程序;(2)对1200lines/mm金属-介质膜光栅进行研究,分别采用Ag和Au作为基底高反射材料,光栅层为双层结构,对采用不同折射率材料的光栅进行结构优化,研究了相应的角谱和光谱特性;优选出基于Au基底的Si/Si02复合结构,实现了 C波段内TE和TM波的衍射效率均大于95%,二者效率之差小于3.1%的仿真计算结果。在此优化结构基础上,分析了占空比、槽深和匹配层厚度对-1级反射衍射效率的影响,同时考虑了梯形光栅齿下衍射效率随底角和底部占空比的变化情况。(3)以Si和Si02双层结构作为光栅齿,改用多层介质膜作为反射层,对1200 lines/mm的多层介质膜光栅开展研究。构建了包含工艺容差在内的评价函数,采用遗传算法对多个结构参数进行优化,获得了 C波段内平均衍射效率大于98.9%,TE和TM偏振下衍射效率差值小于1%的理论研究结果。容差分析表明:此光栅在Si刻蚀深度230-330 nm,占空比0.48-0.61范围内,可实现中心波长高于90%的衍射效率;Si02齿深控制在330-520 nm,平均衍射效率将大于90%;相较于MMDG光栅,降低了对侧壁陡直度的要求。(4)开展Si/SiO2双层MLDG的制备工作。在玻璃基底上镀制光栅的膜层结构,然后使用全息光刻技术制作光刻胶掩模,最后采用ICP刻蚀将槽形转移到下面的SiO2和Si层中,完成光栅制备实验。

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