薄膜波导光栅滤光片反射特性研究_桑田.docVIP

------------------------------------------------------------------------------------------------ —————————————————————————————————————— 薄膜波导光栅滤光片反射特性研究_桑田 第34卷第10期光　子　学　报 2005年10月Vol.34No.10 October2005 薄膜波导光栅滤光片反射特性研究 桑　田1,2　王占山1　吴永刚1　陈玲燕1 (1同济大学精密光学工程技术研究所,物理系,上海200092) (2黔南民族师范学院物理系,贵州558000) 3 摘　要　,设计了单层、三层薄膜结构的波导光栅滤光片,反射带和高反射峰1运用严格的耦合波理论,构进行了精确计算,,,同时,还得到一种操作上较易于实现、1关键词　波导光栅;共振;中图分类号 　A 光片的制作具有较好的指导意义1 0　引言 量的工作[1],较典型的有:1965年,Hessel和Oliner[2]首次建立数学模型来研究薄膜波导光栅的 1　设计原理与方法 图1是n层结构的薄膜波导光栅,波导光栅层位于第1层,它是由两种高低不同介电常数分别为ε1H和ε1L的材料组成,光栅周期为Λ,光栅深度为 d11第2,3,…,n层为各向同性介质层,其介电常数 共振异常现象,指出这种共振效应是由于入射光与 光栅所支持的“泄漏波”发生耦合而产生的;Wang等人[3]用等效折射率的方法,把介质光栅看作平板波导,利用严格的耦合波理论,从而确定薄膜波导光栅的共振位置;周传宏等[4]用严格的耦合波理论,验证薄膜波导光栅为导模共振的原因,采用减反射设计,得到对称、低旁通带的窄带共振峰;Priambodo等人[5]在实验中获得性能良好的薄膜波导光栅反射滤光片;曹召良等[6]利用严格的耦合波理论,分析了方向误差和面形误差对亚波长光栅衍射效率的影响;Magnusson等人[7]采用级联波导光栅的办法来抑制旁通带,获得窄带反射滤光片;张殿文等[8]采用一个有效的数学模型,对离子束刻蚀工艺进行研究,提高光栅元件制作的质量1在上述有关薄膜波导光栅反射滤光片的设计中,旁通带普遍都被抑制得较好,但反射光谱的范围仍不够宽,在100nm以内1而宽光谱分布范围显然是良好滤光片所应具备的一个重要的性能指标,也是理论和实验工作者热心关心的问题1本文从薄膜波导光栅的基本原理出发,通过合理选择薄膜波导光栅的各物理参数,用尽可能少的膜层数,设计出能够在宽光谱范围内具备优良反射特性的薄膜波导光栅滤光片,并对其特点与物理机制作了清晰阐释,因而对薄膜波导光栅滤 3 εε分别为ε2,3…,n,膜层厚度分别为d2,d3…,dn1 基 θ片和覆盖层的介电常数分别为ε′为任意给s和εc1 ′″ θ定的入射角,θi为第i级向后传播光波的衍射角,i为第i级向前传播光波的衍射角1 图1　薄膜波导光栅 Fig.1　Thesketchmapofwaveguide2gratingfilter 在处理薄膜波导光栅时,利用多层波导薄膜的特征矩阵[9],可以将介于覆盖层和基片的多层波导薄膜的本征值方程转化为多层波导薄膜共振本征值方程[3] (1)PcA+PcPsB+C+PsD=0 21/2 这里,Pc=[ε],Ps=[εc-(βn/k)s-(βn/ k)] 2 1/2 ,βn为沿边界的传播常数分量,βn=kn? 国家重点基础研究发展规划(2001CB10407)和上海市科委 重点项目(03dz11007)资助 Tel:02165984652　Email:wangzs@mail.tongji.edu.cn收稿日期 θsinθn,n为第n层薄膜的折射角,n为膜层数(n= ),A,B,C,D为多层波导薄膜的特征矩阵1,2,3,… 分量,它与各膜层厚度有关1式(1)给出多层膜堆中可能支持的波导模的色散关系1 1462光　子　学　报34卷 对薄膜波导光栅,对于TE偏振(电场矢量垂直 ε较小时,将描述薄于图1的入射面),当调制振幅Δ 膜波导光栅的耦合波方程与未经调制的介质波导的波动方程进行比较,得到波导光栅的有效传播常数[1] βλ)(2)/Λi=k(nsinθn-i ),Λ为光栅周这里,i为衍射级次(i=0,±1,±2,… 期1 ε将式(2)中