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《亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性_赵华君》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第20卷第10期强激光与粒子束Vol.20,No.102008年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2008文章编号:1001-4322(2008)10-1629-04＊亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性赵华君(重庆文理学院电子电气工程学院,重庆402160)摘要:采用严格耦合波理论并结合矩阵LU分解法,分析了亚波长介质光栅的刻槽深度、占空比、入射角、入射波长等参数对TE偏振和TM偏振0级衍射效率的影响。结果表明:在1550nm波长处,出现瑞利反常现象。由此提出利用瑞利反常现象
2、设计工作波长为1550nm的偏振分束光栅,通过优化设计确定了最佳设计参数,即光栅周期为λ0/2,瑞利入射角为30°,刻槽深为0.9λ0,占空比为0.5。结果表明,参数优化后的偏振分束光栅可以使TE偏振0级反射波和TM偏振0级透射波同时达到近100%的衍射效率。关键词:二元光学;亚波长介质光栅;衍射特性;严格耦合波理论;偏振分束器;瑞利反常中图分类号:O436.3;O636.1文献标志码:A偏振光分束器是光开关网络、光存储器、光环形器、光隔离器等光学组件中的核心器件,在光纤通信、光学[1-3]计算、图像处理等领域有着
3、广泛的应用。传统的偏振光分束器通常由双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质构成,这些器件通常体积大、效率低,无法满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求。近年来,随着电磁理论和微加工技术的深入发展,研究人员逐渐发现亚波长光栅(入射波长小于光栅周期)具有优良的[1-5]偏振衍射特性,可以实现偏振、分束、增透、高反、窄带滤波等功能,且具有体积小、效率高、易集成等优点,受到人们的广泛关注。[6]分析亚波长光栅的衍射问题必须采用严格矢量衍射理论,常用的严格矢量理论主要有积分法、微分[7][8][9-11]法、模式法和耦
4、合波法(RCWA)等。耦合波法也称严格矢量耦合波理论,由M.G.Moharam于1981[9]年提出,目前已广泛应用于分析光栅的衍射问题。本文采用严格耦合波法,研究了亚波长介质光栅分别对TE偏振(电矢量平行于光栅刻槽)和TM偏振(电矢量垂直于光栅刻槽)的衍射特性,并针对通信系统中广泛使用的1550nm波长设计亚波长偏振分束光栅,分析了光栅刻槽深度、占空比(光栅脊宽度与光栅周期的比)、入射角、入射波长等参数对衍射效率的影响,得出了最佳光栅设计参数。1理论分析本文采用的亚波长介质偏振分束光栅,结构模型如图1所示。设平面
5、波以入射角θ入射,并由光栅衍射产生各级反射波和透射波,其中d为光栅刻槽深度。入射区(区域Ⅰ)和透射区(区域Ⅲ)的折射率分别为n1和n2,光栅区(区域Ⅱ)包含了光栅脊和光栅槽两种介质的周期分布,其折射率分别为nr,ng。入射区和透射区的电场分布由Rayleigh展开式可得,光栅区的电场[10-11]分布由耦合波方程组给出。对于TE偏振光,光栅反射区与透射区的各级衍射波的衍Fig.1Geometryforthesubwavelength射效率表示为dielectricgratingdiffractionproblem＊
6、k1,zi＊k2,ziEri=RiRiRe(),Eti=TiTiRe()(1)图1亚波长介质偏振分束光栅结构模型k0n1cosθk0n1cosθ式中:Ri和Ti分别为第i级后向衍射(反射波)和前向衍射(透射波)的归一化电场振幅;k0为入射光在真空中的波矢;k1,zi和k2,zi为相位匹配常数,表示为2221/2kl,zi=(k0nl-kxi)l=1,2(2)＊收稿日期:2008-07-14;修订日期:2008-10-15基金项目:重庆市教育委员会项目(KJ071205)作者简介:赵华君(1974—),男,硕士研究生
7、,主要研究衍射光学与非线性光学;zhaohjcu@163.com。1630强激光与粒子束第20卷式中:k1,zi和k2,zi只能取正实数或负虚数;kxi=k0[n1sinθ-i(λ0/Λ)],Λ为光栅周期,λ0为设计光栅工作波长。对于无损耗光栅,由能量守恒定律可得,透射和反射的衍射效率总和应为1,即∞∑(Eri+Eti)=1(3)i=-∞式(3)常用来判别光栅衍射场计算结果正确与否的依据,然而,满足能量守恒并不能确保计算的正确性,衍射效[9]率的正确性还依赖于计算时所保留的空间谐波数。对于TM偏振,其衍射波的衍射效
8、率为＊k1,zi＊n1k2,ziEri=RiRiRe(),Eti=TiTiRe(2)(4)k0n1cosθk0n2cosθ＊＊式中:Ri和Ti分别为Ri和Ti的共厄。由耦合波方程组和光栅的边界条件可以求解Ri和Ti,求解时通常采用计算矩阵本征值和本征向量的方法。当采用矩阵法求解时,当光栅刻槽较深、周期较小时可能出现奇异矩阵,直接求逆得不到正确的结果,因此需要
