【摘 要】
:
随着光子集成电路的发展,由于器件中衬底与波导之间高折射率差导致的传输常数差异大会引起偏振相关的色散和损耗,使波导的偏振态随机变化,这是波导应用中的难题。偏振旋转器、偏振功率分配器和偏振分束器等偏振器件能够实现偏振态的调控,在光子集成电路中对偏振控制有着重要的地位,是光子集成电路中不可或缺的核心器件。然而,偏振器件的研究存在尺寸大、偏振消光比低、损耗高等问题。基于表面等离子体波导的偏振器件具有消除高
论文部分内容阅读
随着光子集成电路的发展,由于器件中衬底与波导之间高折射率差导致的传输常数差异大会引起偏振相关的色散和损耗,使波导的偏振态随机变化,这是波导应用中的难题。偏振旋转器、偏振功率分配器和偏振分束器等偏振器件能够实现偏振态的调控,在光子集成电路中对偏振控制有着重要的地位,是光子集成电路中不可或缺的核心器件。然而,偏振器件的研究存在尺寸大、偏振消光比低、损耗高等问题。基于表面等离子体波导的偏振器件具有消除高折射率对比的优点,是目前偏振器件的研究热点。3~5μm的中红外光谱区域是检测和分析空气分子的一个重要窗口,对提高信号传输能力,增加通信容量十分重要,因此本文主要研究中红外波段的偏振器件特性。本文围绕中红外表面等离子体波导的偏振器件开展了一定的基础研究工作,研究内容主要包括:1.设计了一种基于表面等离子体波导的中红外偏振旋转器。首先利用有限元方法(finite element method,FEM)对表面等离子体波导的模式特性进行了分析,研究了波导中的两种偏振模式PM 1和PM 2的有效折射率随参数的变化规律。其次,对偏振旋转器的传输特性和偏振旋转特性进行了优化,当波导尺寸W1(=H1)=1500 nm,W2(=H2)=300 nm,W3(=H3)=50 nm时,偏振转换效率(polarization conversion efficiency,PCE)达到最优值。在工作波长为3.5μm,器件长度为104μm时,PM 1之间PM 2的偏振转化效率可高达99.9%。最后,提出了一种可行的制备方法,并对其制造容差进行了分析,在±10 nm的容差范围内,波导的偏振转化效率没有明显下降,表明器件的制造容差较大,具有一定的制备可行性。此偏振旋转器的设计和研究为实现集成偏振波片提供了理论支持,可为其在集成光学的应用奠定基础。2.设计了一种基于表面等离子体波导的中红外偏振功率分配器。首先对该偏振功率分配器的设计进行了分析,对波导的基本结构以及该功率分配器设计的性能指标进行了分析。其次对偏振功率分配器的传输特性进行了优化,当工作波偏振功率分配器长为3.5μm,波导尺寸为W1(=H1)=1500 nm,W2(=H2)=70 nm,Lc=12μm时,该偏振功率分配器的TM和TE模式的输出功率比为1:1。最后对偏振功率分配器的性能指标偏振消光比和插入损耗进行了分析,该偏振功率分配器的消光比高达32 d B以上,插入损耗很小,几乎接近于0 d B。这种高性能,紧凑型的偏振功率分配器结构为紧凑型的偏振分束器结构奠定了基础。3.设计了一种基于表面等离子体波导的中红外偏振功率分束器。首先研究了两个波导中存在的TE和TM模式的的光场分布。其次通过相位匹配原理优化波导几何参数,当W1=1.2μm,W2=1.05μm,输入端口TE和TM模式的有效折射率实部为2.413和2.576,相邻的Ga As波导的TE和TM模式的有效折射率为2.409–0.001i和2.091-0.007i,此时,TE模式相位匹配,TM模式相位失配。最后分析了偏振分束器的模式特性和偏振分束特性。当工作波长为3.5μm,器件长度为25μm,波导几何尺寸为W1=1.2μm,W2=1.05μm时,TE模式因为相位匹配经过耦合在相邻的波导中传输,消光比和插入损耗分别为19.78 d B和2.64 d B,而TM模式因为相位不匹配直接从输入波导中传输,消光比和插入损耗分别为7.78 d B和2.64 d B。基于表面等离子体波导的偏振分束器为实现集成波片奠定了基础,在分子检测和增强信号传输量的光通信技术中具有潜在的应用前景。本文设计的偏振旋转器的偏振转化效率高达99.99%,器件长度仅为104μm。PM 1和PM 2的偏振消光比和插入损耗分别为17.49、10.95和4.7、4.6 d B。工作带宽高达600nm。偏振功率分配器在实现功率均分的同时器件长度仅为12μm,偏振消光比高达32d B,损耗接近于0 d B。偏振分束器的器件长度仅为25μm,TE和TM的消光比和插入损耗分别为19.78,7.78,2.64和2.64 d B,工作带宽高达400 nm。偏振旋转器、偏振功率分配器和偏振分束器为解决偏振敏感问题提供了新的偏振分集方案。通过对以上工作的研究,本论文对中红外表面等离子体波导器件进行了理论研究,满足了目前应用领域的尺寸小、高消光比和低损耗的需求,为中红外偏振器件的实际应用提供了理论基础。
其他文献
随着激光技术的飞速发展,水下激光通信、海洋勘探和水下强激光应用等已成为热门研究领域。通常情况下,激光在海水中会受到不同介质的吸收、折射和散射等,当激光足够强时,尽管蓝绿波段激光在海水中的衰减较小(“蓝绿窗口”),但由于海水中不仅含有无机盐在内的大量无机物,同时也包括叶绿素、糖类以及氨基酸等有机物,将会产生较强的非线性光学现象(非线性吸收、非线性折射),导致激光远程传输能量密度的下降。海水有机物中叶
研究发现,自然环境中的可见光和其他波段的光谱可能被大气中的云层、杂质等物质吸收,波长在3-8微米的热红外线一般是不会被这些物质所吸收的,所以这种红外技术具有勘测距离远、隐蔽性好、抗电磁干扰能力强等众多优点,在很多军事设备中应用极其广泛,如隐形飞机、军事手枪瞄准镜、导弹系统中。早期预测小目标的位置是至关重要的。因此,空中红外小目标检测便成为军事领域研究中的关键技术之一。与此同时,红外图像受到周围环境
随着现代移动通信技术的发展,无线通信设备的应用也越来越广泛,但设备中应用到的天线在传统的电磁辐射理论下,其尺寸受工作波长限制,在甚低频段尺寸会相对较大。甚低频电磁波具有传播距离远、低衰减和穿透性强等特点,被广泛应用于对潜、透地通信等重要军事和民用领域。因此甚低频频段天线的小型化问题也是目前电磁场领域的研究热点。本课题研究了一种磁电式机械天线,它是利用压电材料与磁致伸缩材料组成的层状磁电复合材料设计
电阻抗成像技术(Electrical impedance tomography,EIT)是一种通过向被测场域注入电流,在被测场域边界上获取电压响应,然后经过逆问题反演得到场域内电导率变化分布信息的新型可视化技术。目前已有在检测肺气肿、乳腺癌、脑出血等方面的EIT相关研究。传统的医学检测技术如计算机断层扫描成像和核磁共振成像等,虽然可以对病情进行准确诊断,但是设备庞大、费用高昂,且不能实现颅脑疾病的
氧化亚氮(N2O)是重要的温室气体,水稻土是农田土壤N2O排放的重要来源。水稻土中各种氧化还原反应交替进行,有机碳和铁氧化物的转化均可通过生物和非生物反应影响N2O的产生,而目前关于有机碳和铁氧化物共同作用对水稻土N2O排放影响的研究较少。本文以红壤性水稻土为对象,通过室内培养试验,探究了碳铁耦合作用对N2O排放通量和微生物群落的影响,采用q PCR技术对反硝化功能基因(nir S、nir K、n
侵蚀是导致全球土壤退化、土壤质量降低的原因之一。土壤中有机质颗粒、矿物质及其相关污染物等的剥离、运移和沉积过程通常会加剧土壤侵蚀的程度,从而造成水库的水质污染,引起降低水库储水量、使用效率和年限等一系列问题。丹江口库区作为南水北调中线的水源,其水库周围的土壤侵蚀状况直接决定着水质的好坏。随着人类活动干预的增加,其土地利用方式发生巨大的改变,从而间接对库区周围的土壤侵蚀程度产生一定的影响。因此,从土
作为水稻种植模式之一,再生稻对改善耕地矛盾和粮食增产具有十分重要的意义。叶绿素含量是评估作物长势状况的重要指标之一,对作物长势监测、生产管理具有重要意义。近地面遥感具有获取信息速度快、无破坏性等优点,是实现农作物叶绿素含量反演的有效途径。然而,很少有研究关注再生稻的叶绿素含量反演,也较少有学者对不同近地面遥感的叶绿素含量反演结果进行比较分析。基于此,文章以再生稻叶片叶绿素含量(Leaf chlor
土壤侵蚀所造成的水土流失已对人类社会发展构成严重威胁,是全球所共同关注的生态环境问题之一。植被在土壤侵蚀的发生与发展过程中具有重要影响,表现为拦截降雨、调节地表径流、增加降雨入渗以及改良土壤性状等作用。植被冠层的降雨分配过程能够削减雨滴动能减少产流从而有效防止土壤侵蚀。植被垂直结构是指植被垂直方向上的形态结构与层次构成,是影响土壤侵蚀的重要因素。与天然植被相比,作物受人为影响大,生长周期短,生育期
时空地统计方法旨在利用多时期样点数据,对地理属性时空分布进行插值,已被应用于多个领域。但目前的地统计软件大多只支持空间地统计方法,缺乏时空建模与插值的相关功能,使得时空地统计方法的应用较为困难,难以推广。基于上述背景,本研究通过Visual Studio 2019平台,基于C#语言开发时空克里格插值软件,实现时空样点数据读取、基本统计分析、时空试验变异函数计算、时空理论变异函数模型拟合和时空克里格
无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术通过电磁场耦合等方式,能够实现电能的非接触式传输。根据传输的方式,WPT技术可大致分为:电磁辐射式、电场耦合式及磁场耦合式(Magnetic field Coupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)。其中,MC-WPT由于灵活、损耗低、功率适应范围宽等优点,成为国内外学者研究的重点。MCWP