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光电子集成器件中高折射率差亚波长光栅的研究

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光电子集成器件中高折射率差亚波长光栅的研究

作者：张明北京邮电大学

学位级别：硕士

因为结构简单、设计灵活等特点,衍射光栅自从出现以来,就在光学中占有重要地位,成为一种常见的光学器件。随着研究的不断进展,光栅的发展也日新月异,高折射率差亚波长光栅在这样的基础上以其独特的优势在滤波器、激光器、探测器等光电... 详细信息

因为结构简单、设计灵活等特点,衍射光栅自从出现以来,就在光学中占有重要地位,成为一种常见的光学器件。随着研究的不断进展,光栅的发展也日新月异,高折射率差亚波长光栅在这样的基础上以其独特的优势在滤波器、激光器、探测器等光电器件中都得到着广泛的应用。通过对亚波长光栅结构参数的合理设计,不仅可以获得所需的反射率和带宽,还可以实现对光束传播方向的控制,因此亚波长光栅可以用来设计各种不同功能的器件。本论文主要以高折射率差亚波长光栅的相位调控特性为重点研究进行展开,研究了亚波长光栅的理论分析方法和设计方法,并基于二维汇聚光栅的设计对整个过程中发现的问题进行展开讨论实现优化。具体研究内容和创新性成果如下:1、依据高折射率差亚波长光栅的光场调控机制,设计了具有聚焦功能的非周期条形高折率差亚波长光栅和偏振不敏感非周期二维高折率差亚波长光栅,并提出了二维光栅的优化设计方案。2、发现了亚波长光栅焦距会随着光栅尺寸的不同而发生改变的现象。仿真结果表明,由于衍射效应的存在,一个较大的汇聚光栅,当光栅中心与边缘的相位差大于3 π时,光栅焦距才能趋于稳定,与设计值接近。该研究对以后光电子集成器件中汇聚光栅的精准设计具有一定的指导意义。3、设计并制备了偏振不敏感的二维亚波长光栅汇聚反射镜,光栅反射镜的尺寸为10.5 μmX 10.5μm,焦距为6 μm。搭建了测试系统,测试结果表明在1.55 μm的光照下,反射光能够实现汇聚,数值孔径为0.66,焦距处光场的半高全宽为1.338 μm,汇聚效率达82%。

关键词：高折射率差亚波长光栅相位调制反射汇聚镜

光通信系统中的新型高折射率差亚波长光栅的研究

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光通信系统中的新型高折射率差亚波长光栅的研究

作者：张敏北京邮电大学

学位级别：硕士

亚波长光栅由于其结构尺寸的亚波长量级(光栅周期小于入射光波长),具有传统光栅所没有的光学特性,同时其微型化的结构可以应用在集成光学领域,因此随着微纳技术的快速发展,亚波长光栅作为重要的微纳光学器件,在全息技术、光谱学、光通... 详细信息

亚波长光栅由于其结构尺寸的亚波长量级(光栅周期小于入射光波长),具有传统光栅所没有的光学特性,同时其微型化的结构可以应用在集成光学领域,因此随着微纳技术的快速发展,亚波长光栅作为重要的微纳光学器件,在全息技术、光谱学、光通信和信息处理等多个领域都得到了广泛应用。在光通信系统中,高折射率差亚波长光栅(High Contrast Sub-wavelength Grating,HCG)是光栅条(高折射率材料)完全被低折射率材料包围的一种亚波长光栅。HCG通过改变光栅参数,可以制作成高性能反射镜、高透镜、偏振器、偏转器,分束器、滤波器等,成为光通信中的研究热点。本论文主要围绕应用于光通信系统中的高折射率差亚波长光栅,对其独特性能进行了理论和实验研究。论文的主要研究内容和创新如下:1、分析了三种分析光栅的方法,即严格耦合波分析法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)、模式匹配法(Model Method)和有限元法(Finite Element Method)。严格耦合波分析法能够更清晰地分析光波作用于光栅后,光栅表面的衍射特性,而模式匹配法则更适合分析光在光栅内部的作用情况。本论文研究的侧重点是光通过光栅以后的透射系数和透射相位,反射系数和反射相位,因此选择严格耦合波分析法更直观。2、研究了光通信系统中的HCG的特性,总结了 HCG在光通信系统中的应用;通过数学工具MATLAB,基于严格耦合波分析法,研究了 HCG的参数变化对其特性的影响。3、利用HCG的高反射特性和波前相位控制原理,完成了 TM偏振光垂直入射时的单层硅HCG会聚反射镜的结构设计。所设计的光栅厚度为1.2μm,总宽度为36μm。通过有限元分析方法,计算可得在波长为1.55μm时,反射率为74.1%,焦距为7μm,焦平面的半高宽(full-width-half-maximum,FWHM)为 0.65μm,实现了很好的会聚反射特性。4、重点研究了波长为1.55μm的TE偏振光垂直入射时的单层硅HCG会聚高透镜的结构设计方法,并针对研究TE偏振光垂直入射时的会聚高透镜设计时出现的“相位不连续”问题,提出了一种新的光栅参数选取算法解决“相位不连续”问题。这种参数选取算法不仅可以用来设计会聚反射镜、会聚透镜,而且也能设计偏转器。5、提出了一种双厚度HCG会聚透镜新结构,并完成了 TE偏振光垂直入射时的双厚度HCG会聚透镜的结构设计。这种会聚透镜结构采用单层硅HCG,厚度为1.3μm和1.2μm,总宽度为26μm。通过有限元分析方法,计算可得在入射波长为1.55μm时,总透射率为72%,焦距为7.2μm,焦平面的半高宽为0.8μm,实现了很好的会聚透射特性。6、在所设计的新型双厚度HCG会聚透镜的基础上,完成一种新型双厚度HCG分束器的结构设计。同时用前面所提出的光栅参数选取算法计算所设计光栅结构的参数,用有限元法对所设计的双厚度HCG分束器进行验证,得到所设计的光分束器结构总透射率达到77.5%,并可以实现功分比1:1的分束。7、完成了 TM偏振光垂直入射时的HCG会聚反射镜的制作,并搭建测试系统测试所制作的会聚高反镜的远场性能。实验测得焦距为11.86mm,当入射光波长为1.55μm时总反射率达到67.7%。

关键词：高折射率差亚波长光栅 HCG 偏振会聚透镜分束器

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应用于光探测器的高折射率差亚波长光栅研究

应用于光探测器的高折射率差亚波长光栅研究

作者：周顾人北京邮电大学

学位级别：硕士

随着通信容量的快速增长,光通信系统对器件的要求越来越高。一方面,传统的光探测器作为光通信系统中的关键器件之一,材料、结构和工艺的限制使其已无法完全满足新一代信息技术发展的需要。另一方面,基于新型微纳结构的光电子集成器件已... 详细信息

随着通信容量的快速增长,光通信系统对器件的要求越来越高。一方面,传统的光探测器作为光通信系统中的关键器件之一,材料、结构和工艺的限制使其已无法完全满足新一代信息技术发展的需要。另一方面,基于新型微纳结构的光电子集成器件已经成为新一代信息技术发展的趋势之一,亚波长光栅作为一种新型微纳结构,应用于高性能光电子器件的研究开始得到人们极大的关注。因此,我们尝试在光探测器中也引入亚波长光栅结构来获得更优的器件性能。为了合理的将亚波长光栅与光探测器两者结合起来,有必要对亚波长光栅结构进行进一步深入研究。本论文主要研究可以应用于光探测器的高折射率差亚波长光栅(High Contrast Gratings,HCG)。这种亚波长光栅的光栅层与周围介质有较大的折射率差,具有高反射率和相位调制的新特性。这些新特性正是我们设计的新型光探测器所需要的。本论文将围绕高折射率差亚波长光栅的高反特性和相位调制特性进行展开,研究如何设计出符合要求的光栅结构,主要的研究成果和创新点如下:1、掌握了分析高折射率差亚波长光栅的方法,包括严格耦合波分析方法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)和模态分析法,结合基于有限元法(Finite Element Method,FEM)的商业软件COMSOL对非周期的亚波长结构进行分析。2、利用高折射率差亚波长光栅的高反特性,设计高折射率差亚波长光栅宽光谱高反镜。提出了一种迭代优化算法,快速求解最佳的二维块状亚波长光栅结构参数。设计的光栅对1439nm到1621nm光谱范围内的垂直入射光实现了超过99%的反射效率,并且偏振不敏感。值得注意的是,这种求解块状光栅最佳结构参数的算法也可以广泛应用于求解圆柱形、十字形等任意对称形状的二维光栅表面结构参数。3、利用高折射率差亚波长光栅的相位调制特性,设计两种具有汇聚功能的亚波长光栅反射镜:第一,设计了一种非周期的环形亚波长光栅结构,对于垂直入射的1550nm波长的径向偏振光,光栅反射镜的焦距是6微米,焦距处光场的半高全宽为0.89微米,在数值孔径0.93的范围内达到了 92%的反射率;第二,设计了一种非周期的块状二维亚波长光栅结构,面积为10.5j* 10.5微米,对于波长为1550nm垂直入射光,光栅反射镜的焦距是6微米,焦距处光场的半高全宽为1.338微米,数值孔径为0.66,且偏振不敏感。4、制备了基于SOI晶片的高折射率差亚波长光栅反射镜,搭建了测试宽光谱高反镜的实验测试系统,通过实验验证了高折射率差亚波长光栅的宽光谱高反特性。

关键词：高折射率差亚波长光栅宽光谱高反反射汇聚 SOI晶片光探测器

基于TiO_(2)的近红外大数值孔径、高聚焦效率、高透射率会聚透镜

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聊城大学学报（自然科学版） 2024年第1期37卷 16-22页

作者：李真牛慧娟高松范鑫烨段晓峰黄永清聊城大学物理科学与信息工程学院山东聊城252059 聊城大学山东省光通信科学与技术重点实验室山东聊城252059 北京邮电大学信息光子学与光通信重点实验室北京100876

利用相位调控原理设计了一种基于TiO_(2)材料的具有非周期同心圆环形高折射率差亚波长光栅结构的会聚透镜,可实现大数值孔径、高聚焦效率、高透射率、低损耗特性,同时具有体积小、易集成的优点。采用时域有限差分法对提出的透镜结构进... 详细信息

利用相位调控原理设计了一种基于TiO_(2)材料的具有非周期同心圆环形高折射率差亚波长光栅结构的会聚透镜,可实现大数值孔径、高聚焦效率、高透射率、低损耗特性,同时具有体积小、易集成的优点。采用时域有限差分法对提出的透镜结构进行仿真和分析,工作波长为850 nm时,该透镜透射率为90.5%,焦距约为10.4μm,焦斑的半高全宽为0.61μm。通过对仿真得到的数据进行分析,可得数值孔径为0.92,聚焦效率高达91.07%,损耗为0.41 dB,平衡了高数值孔径与高聚焦效率之间的矛盾,可在小器件直径下接近衍射极限实现点会聚效果。

关键词：高折射率差亚波长光栅非周期同心圆环形结构会聚透镜高聚焦效率

新型亚波长光栅特性研究及其在光电探测器的应用

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新型亚波长光栅特性研究及其在光电探测器的应用

作者：于传洋聊城大学

学位级别：硕士

在当今信息化的时代大趋势下,光通信系统的快速发展对光电子器件的性能提出了更高的要求,促使光电子器件朝着高性能、小体积、易集成的目标发展。高折射率差亚波长光栅结构具有体积小、功能强、衍射效率高等优点,对促进多功能集成器件... 详细信息

在当今信息化的时代大趋势下,光通信系统的快速发展对光电子器件的性能提出了更高的要求,促使光电子器件朝着高性能、小体积、易集成的目标发展。高折射率差亚波长光栅结构具有体积小、功能强、衍射效率高等优点,对促进多功能集成器件发展具有极其重要的意义。本论文提出采用湿法氧化工艺实现AlGaAs与AlO交替排布的新型高折射率差亚波长光栅结构,基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对其开展设计优化,通过对主要结构参数仿真与选取,实现具有偏振分束、功率分束和反射功能的新型高折射率差亚波长光栅结构,并将新型高折射率差亚波长光栅反射镜与光电探测器集成,实现了高性能谐振增强型光电探测器。本文主要研究内容和研究成果如下:1、提出一种新型AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构,该结构由AlGaAs和AlO交替排布组成。基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对光栅结构进行分析和设计,分别实现偏振分束和功率分束的功能。偏振分束器在800-880nm的宽光谱范围内对TE模式偏振光的反射率大于95%,对TM模式偏振光的透射率大于96%,在850nm波长时偏振消光比可达41.37d B,此外,对入射光具有8°的角度容忍性,且具有20nm的工艺容差。功率分束器在850nm波长TM模式偏振光入射条件下,4路分光由左至右与入射光的功率效率依次为21.05%,19.36%,19.32%,21.01%,总体透射率可达81%,具有良好的1×4分束效果。2、提出一种基于AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅的谐振增强型光电探测器。将AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构设计为反射镜,该结构具有偏振不敏感特性,对TE模式偏振光反射率达到99.8%,对TM模式偏振光反射率达到99.1%。将该反射镜与PIN光电探测器进行集成,实现谐振增强型光电探测器,基于传输矩阵理论方法和数值计算方法对整体器件进行仿真。仿真结果表明,该谐振增强型光电探测器量子效率达到了90.6%,半高全宽接近于0.2nm,在反偏电压为3V,光源的光功率为1m W的情况下,该结构的带宽可达34.54GHz,带宽效率积为31.3GHz。

关键词：高折射率差亚波长光栅偏振分束器功率分束器谐振增强型光电探测器量子效率响应带宽

光通信系统中的新型高性能RCE光探测器的研究

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光通信系统中的新型高性能RCE光探测器的研究

作者：王厚增聊城大学

学位级别：硕士

当前,新一轮科技革命和产业变革深入发展,以5G、千兆光网为代表的宽带网络加速融合创新,相对应的高性能光探测器也在快速发展。传统的垂直型PIN光探测器的量子效率和带宽之间的制约限制了其在高速光纤通信中的应用。多年来,对于光探测... 详细信息

当前,新一轮科技革命和产业变革深入发展,以5G、千兆光网为代表的宽带网络加速融合创新,相对应的高性能光探测器也在快速发展。传统的垂直型PIN光探测器的量子效率和带宽之间的制约限制了其在高速光纤通信中的应用。多年来,对于光探测器性能的提高一直是学者们研究的热点,谐振腔增强型光探测器(Resonant Cavity-enhanced Photodetector,RCE)是对传统PIN光探测器带宽和量子效率之间矛盾的平衡方式中最有效果的方式之一。另外,高折射率差光栅(High Contrast Grating,HCG)具有良好的光场调控特性,经设计后可以具备高反射率、相位偏转、高透射率等功能,相比于传统RCE PD中的分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg reflection,DBR),高折射率差光栅结构简单、更易于制备,且可与硅基器件进行集成。因此,基于亚波长光栅的光探测器也备受研究者关注。本文以提高光探测器的综合性能为主要优化目标,将带宽效率积当作主要参数。首先,通过外延层结构的设计、优化,设计了一种镜像型PIN光探测器。其次,根据光探测器尺寸,基于RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)算法设计了具有反射会聚双功能的亚波长光栅。接着,对集成的亚波长光栅镜像型PIN光探测器,即镜像型RCE光探测器的带宽和量子效率等主要性能进行综合仿真。最后,对镜像型RCE光探测器的三台面后工艺制备进行了设计,并进行了测试平台的搭建及可靠性验证。本文主要研究内容和研究成果如下:1、设计了一种镜像型PIN光探测器,在器件层结构优化方面,整体结构采取了关于N接触层的对称结构,形成并联结构,两个独立的吸收层产生光电流,同时被导出到外电路形成合电流;在本征吸收层和N接触层之间设计N掺杂且对光无吸收的间隔层,在薄本征吸收层下减小了结电容,增加了由RC时间常数限制的带宽;在本征吸收层与P接触层之间增加了梯度掺杂吸收层,梯度掺杂的情况可以实现平滑能带的功能,吸收层产生的电子和空穴可以无障碍的漂移向对应的电极,还增加了光的吸收,大大提升了带宽。最终实现了在-3V偏压下41.3GHz的带宽和63%的量子效率。2、设计了一种同时具有高反射率和会聚功能的高折射率差非周期性亚波长光栅,通过严格耦合波分析法和有限元分析法进行计算,对光栅的周期、占空比、高度进行分析和优化,该光栅在SOI衬底上生长,光栅层材料为Si,在3.5μm焦距上实现了94.1%的反射率。3、设计了镜像型RCE光探测器,该探测器在16μm直径下,实现了41.3GHz的带宽和92%的量子效率,带宽效率积达到38GHz。下反射镜为所设计高折射率差亚波长光栅,利用反射会聚进一步提高器件的量子效率,同时保持器件较高的带宽,相比于镜像型PIN光探测器,整体性能提升了46%。4、设计了镜像型RCE光探测器的三台面后工艺制备流程,与普通光探测器的后工艺制备相比,多刻蚀一个台面,实现两个P电极的连接及与N电极的隔离。在高速通信系统测试平台上对PIN光探测器的3d B带宽进行了测试。

关键词：高反射率反射会聚谐振增强镜像型光探测器高折射率差亚波长光栅

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集成光子器件中二维亚波长光栅的设计与研究

集成光子器件中二维亚波长光栅的设计与研究

作者：王烁北京邮电大学

学位级别：硕士

随着人们对通信容量需求的提升,光通信系统对器件性能的要求不断提高,促使光电子器件朝着具有易集成、高性能、低功耗、小体积的方向发展。基于衍射光学(例如,光栅、菲涅耳透镜)和薄膜光学(例如,介质滤波器,布拉格反射器)的平面组件已... 详细信息

随着人们对通信容量需求的提升,光通信系统对器件性能的要求不断提高,促使光电子器件朝着具有易集成、高性能、低功耗、小体积的方向发展。基于衍射光学(例如,光栅、菲涅耳透镜)和薄膜光学(例如,介质滤波器,布拉格反射器)的平面组件已经存在几十年。但近年来随着表面元理论的不断完善和微纳制造技术的不断提升,让平面元件再次成为研究的热点。其中,亚波长光栅是一种新型的微纳结构的光栅,通过调控光栅的结构和尺寸可以控制光的基本属性(幅度,相位,极化),基于这一原理可以实现对光电子集成器件灵活的设计。本论文主要以亚波长光栅应用于光电子集成器件的设计与研究为出发点,重点研究了圆柱型亚波长光栅对光场的调控特性;设计了具有偏振不敏感、高反射率和汇聚特性的圆柱型亚波长光栅;对比分析了具有正四边形和正六边形排布方式的圆柱型亚波长光栅对光场调控的特性;研制并测试了具有角度偏转功能的非周期亚波长光栅反射镜。具体研究内容和创新性成果如下:1、提出了一种具有偏振不敏感、高反射率和汇聚特性的圆柱型亚波长光栅。这一圆柱型亚波长光栅采用正六边形阵列的排布方式,对波长为1550nm的入射光可实现焦距为6μm反射汇聚,焦斑的半高全宽为1.14μm,焦深为1.73μm,反射率为61.3%。从微观上圆柱结构具有旋转对称性,相比于此前提出的二维块状结构的亚波长光栅,基于圆柱型亚波长光栅设计的器件更易实现偏振不敏感的特性。2、对比分析了具有正四边形和正六边形排布方式的圆柱型亚波长光栅对光场调控的特性。本论文分别以正方形和正六边形阵列设计了两种基于圆柱型亚波长光栅的平面汇聚反射镜,对比分析了排布方式对汇聚效果的影响,并得出圆柱型亚波长光栅采用正六边形阵列的汇聚效果更好的结论,特别是在汇聚平面能量峰值上采取正六边阵列排布是采取正方形阵列条件下的1.64倍。这一结论将对圆柱型亚波长光栅阵列的设计具有指导意义。3、研制并测试了具有角度偏转功能的非周期亚波长光栅反射镜。由于“一镜斜置三镜腔”光探测器的顶部需要集成一个具有小角度偏转功能的反射镜,而能够实现角度偏转功能的非周期亚波长光栅平面反射镜恰好是一个好选择。基于一维亚波长光栅设计、制备并测试了具有角度偏转功能的平面反射镜,实验测得该反射镜可实现17°左右的偏转反射。

关键词：高折射率差亚波长光栅相位调制反射汇聚

用于WDM系统中的高性能长波长光探测器的研究

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用于WDM系统中的高性能长波长光探测器的研究

作者：张可睿北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,随着新一代互联网技术的蓬勃发展,以社交网络、电子商务为代表的新兴互联网业务逐渐地融入了人们的生活,同时也创造出了前所未有的海量数据,为了满足人们日益增长的网络带宽需求,建设更大容量、更高速率的宽带光纤通信系统已经... 详细信息

近年来,随着新一代互联网技术的蓬勃发展,以社交网络、电子商务为代表的新兴互联网业务逐渐地融入了人们的生活,同时也创造出了前所未有的海量数据,为了满足人们日益增长的网络带宽需求,建设更大容量、更高速率的宽带光纤通信系统已经成为现代通信技术发展刻不容缓的必然趋势,而波分复用技术(WDM)凭借其显著提升光纤通信系统传输容量的特点,目前已经成为解决网络性能瓶颈问题的最佳选择。作为决定WDM光纤通信系统性能的关键因素之一,长波长PIN光探测器以其低成本、高灵敏度、易于大规模集成等优势,成为近年来光纤通信领域的研究重点。本文在深入研究长波长PIN光探测器结构及特性的基础上,从光探测器的特殊微结构和新型高反镜两个方面入手,进行了仿真分析和实验工作,取得了以下创新和研究成果：1、设计了一种基于GaAs基F-P滤波腔的吸收层侧向凹陷型微结构InGaAs/InP垂直腔PIN光探测器。本文通过在传统的‘'GaAs基F-P滤波腔+InP基PIN探测”结构的吸收层中引入侧向凹陷微结构,显著降低了探测器的有效结电容,同时进一步优化了不同探测器截面积下的各项器件参数。仿真结果显示,该探测器不仅能够在1550nm波长处保证66.32%量子效率,0.8nm的3dB响应线宽,同时还能最大限度发挥出侧凹型微结构带来的高速性能增益,3dB带宽可达到55.11GHz。2、设计了一种Si基偏振敏感的高折射率差亚波长光栅结构。从一维亚波长光栅理论分析入手,全面比较和研究了周期、占空比、光栅层厚度等参数对亚波长光栅光学特性的影响,找到了最优的器件结构参数,有限元法仿真结果显示,该光栅结构能够在1480nm至1680nm的宽光谱范围内对TE模达到97%以上的反射率,对TM模接近99%透射率。3、设计了一种基于Si基高折射率差亚波长偏振光栅的宽光谱增强型PIN光探测器。采用前文所设计的亚波长偏振光栅为高反射底镜,代替传统的介质膜DBR反射镜,并通过与PIN光探测器单片集成,从而增加了光经过吸收层的次数。同时还分析了不同结面积情况下,探测器的效率带宽积随吸收层数量和厚度的变化情况,找到了不同结面积情况下的最优化器件参数。仿真结果显示,在TE偏振光照射下,当探测器的截面直径为20μm时,3dB带宽可达到39.26GHz,同时量子效率能够达到79.09%,比没有引入光栅底镜时的量子效率提高了近40%。4、实验制备了吸收层侧向凹陷型InGaAs/InP垂直腔PIN光探测器。在器件的制备过程中,采用侧向选择性湿法腐蚀工艺,使吸收层形成了侧向凹陷微结构。器件测试结果显示,探测器在1550nm附近的量子效率约为1.58%,3dB带宽约为1.2GHz。

关键词：光探测器侧向凹陷微结构高折射率差亚波长光栅宽光谱增强效率带宽积