窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波研究
毫米波E面金属膜片窄带滤波器的研究与设计
∑ ｙ｛ Ａ ） ￣ｍＹ ∑ ＋ ．ｖＱ∞ ｎ ２
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个 磁壁 ，Ｔ 平 面 上 的归 一 化 输入 导 纳Ｙ（ ＝ ／Ｘ ＋ １ ２ ｌ（ ） ｊ
本 文 用模 式 匹 配 和 网 络 级 联 的 方 法 对 矩 形 波 导Ｅ 面金 属膜 片 滤 波器 进行 分 析 ，并 通 过软 件进 行
感耦 合 型带 通 滤 波器 和Ｅ 膜 片滤 波 器 ，但 是 由 于 面 并 联 电感 耦 合 型 带 通 滤 波 器 分 离 的结 构 太 多 ，膜
Ｚ
收 稿 日期 ： ０ １ ０ — ５ ２ １－ ４ ２
图 １ Ｅ面 金 属 膜 片 滤 波 器 的 结 构 图
几 嵛 Ｉ 利 廷 习 科 Ｔ
起耦 合 作 用 ，相 邻 膜 片 之 间构 成 谐 振 腔 ，通 过 谐
振腔 的耦 合构 成波 导带 通滤 波器 。 由图可 以看 出 ，不 连续 性 结 构 只发 生 在ｘ 向 方 上 ，由于波 导一 般都 是 主模 传输 ，而Ｔ 加 不 连续 Ｅ在 性 附近 只 能激 励 起Ｔ 柚 ，不 能 激励 起Ｔ ｍ ｎ ） Ｅ 模 Ｅ ＂（ ≠０ 模 和Ｔ Ｍ 。
ｙ
面 膜 片 的Ｓ 数 。利 用 网络级 联 的方 法 将 Ｅ 膜 片 参 面
和 波 导段 的Ｓ 数 级 联 起 来 ，得 到 总 的滤 波 器 的Ｓ 参 参 数 ，进 行 优 化 得 到 滤 波 器 的尺 寸 。模 式 匹配 法
是 一 种 高 精 度 的 数 值 解 法 ，它 通 过 考 虑 不 连 续 性
基于SIW的窄带滤波器加工工艺研究
基于SIW的窄带滤波器加工工艺研究摘要：窄带滤波器广泛应用于通信系统，而基于SIW的窄带滤波器由于其结构紧凑、易集成等优势，成为研究热点。
本文结合具体的工艺实验，对基于SIW的窄带滤波器的加工工艺进行了研究。
首先，对SIW窄带滤波器的基本结构进行了介绍；然后，对加工工艺参数进行了分析；最后，通过实验验证了所提出的加工工艺。
实验结果表明，所提出的加工工艺可以有效地制备基于SIW的窄带滤波器。
关键词：窄带滤波器；SIW；加工工艺；实验1.引言窄带滤波器作为通信系统中不可或缺的一部分，用于信号的频率选择，具有重要的应用价值。
传统的窄带滤波器一般采用微带线、收发模块等作为传输介质，但这些结构存在着尺寸大、集成度低等问题。
因此，基于SIW的窄带滤波器具有结构紧凑、易集成等优势，成为了研究的热点。
2.SIW窄带滤波器的结构SIW是指以介质填充在金属结构的波导内部，形成了类似传统波导的结构。
在SIW中，通过调整金属结构和填充介质的参数，可以实现对滤波器的频带和特性进行控制。
而窄带滤波器则是通过在SIW中引入适当的结构和元件制作出来的。
3.加工工艺参数的分析在制备基于SIW的窄带滤波器过程中，需要考虑多种工艺参数，包括金属结构的材料厚度、填充介质的相对介电常数、滤波器的几何形状等。
这些参数的调整将直接影响到滤波器的性能。
4.加工工艺的实验验证为了验证所提出的加工工艺的可行性，我们进行了一系列实验。
首先，我们制备了一批具有不同工艺参数的滤波器样品；然后，通过在实验室中构建测试系统来测试这些样品的性能；最后，通过对实验数据的分析和比较，验证了所提出的加工工艺的有效性。
5.实验结果及讨论实验结果表明，所制备的基于SIW的窄带滤波器具有良好的性能。
与传统的窄带滤波器相比，SIW窄带滤波器在尺寸上更小，集成度更高，同时，其滤波性能也不逊色于传统的滤波器。
这些结果表明，基于SIW的窄带滤波器具有广阔的应用前景。
6.结论本文基于SIW的窄带滤波器加工工艺进行了研究，通过实验验证了所提出的加工工艺的有效性。
《金属波导》课件
状。
冷却凝固
等待金属液冷却凝固， 形成波导的初步结构。
机械加工工艺
01
02
03
粗加工
使用机床对波导进行粗加 工，初步形成波导的形状 。
精加工
通过精细的切削和磨削， 对波导的尺寸和精度进行 精细调整。
抛光处理
对波导表面进行抛光处理 ，以提高其光洁度和反射 效率。
阻抗分析仪
用于测量金属波导的输入阻抗。
性能参数测试
频率响应
测试金属波导在不同频率下的传输特性。
插入损耗
测量金属波导的信号传输损耗。
回波损耗
测试金属波导的输入端反射情况。
带宽
测量金属波导的工作带宽范围。
性能评估标准
传输效率
评估金属波导的信号传输效率，以衡量其性能优 劣。
可靠性
评估金属波导的使用寿命和耐久性，以确保其可 靠性和稳定性。
历史与发展
历史
金属波导最初在19世纪末被提出，但直到20世纪30年代才开始被广泛应用于 雷达、通信和电子对抗等领域。
发展
随着科技的不断进步，金属波导在材料、结构和工艺等方面得到了不断改进， 以提高其性能和降低成本。
应用领域
雷达系统
金属波导在雷达系统中广泛应用于发 射和接收电磁波，具有高效率、低损 耗和高方向性的特点。
高效传输性能。
限制模式
02
为了防止电磁波的泄漏和干扰，金属波导应能限制电磁波的模
式，保持其单模传输。
低损耗
03
在设计和制造过程中，应尽量减少金属波导的损耗，提高其传
输效率。
优化方法
几何形状优化
通过改变金属波导的截面形状、尺寸等参数，优化其传输性能。
衍射光波导的光栅设计及仿真研究
衍射光波导的光栅设计及仿真研究
1 光栅设计及其作用
光栅是一种能分离出光的波长的光学器件，也是光通信领域中重
要的元器件之一。
在衍射光波导中，光栅的设计和制作直接影响着光
学器件的性能和应用，因此需要对其进行精确的设计和仿真。
2 光栅的设计
光栅的设计包括确定衍射光波导的几何尺寸、周期和衍射次数等
参数。
其中最关键的参数是光栅的周期，这决定了能否实现理想的衍
射效果。
一般来说，光栅的周期应该接近于光波导的有效模式折射率
与自由空间波长之比，即Λ=λ/n_eff。
3 光栅的仿真
通过数值模拟软件进行仿真，可以更加直观地了解光栅的性能和
优化方案。
例如，使用COMSOL Multiphysics软件可以建立三维模型，设置边界条件、物理场和数值方法等参数，计算出光场的传播和衍射
效果。
4 光栅的优化
光栅的优化包括调整周期、减小反射损耗和优化衍射效率等方面。
例如，在初始设计中，光栅的周期可能存在一定误差，可以通过调整
周期来实现更好的衍射效率。
同时，还可以通过添加满足某些条件的“反射镜”，降低反射损耗。
5 结论
衍射光波导的光栅设计及仿真是光学器件研发的关键环节之一，合理的设计和优化对整个系统的性能和应用产生重要影响。
通过理论分析、仿真模拟和实验验证相结合的方法，可以实现光学器件的精确设计和快速优化，推动光通信技术的发展和应用。
亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究
亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究3王媛媛 张彩虹 马金龙 金飙兵 许伟伟 康 琳 陈 健 吴培亨(南京大学超导电子学研究所,南京 210093)(2009年2月5日收到;2009年2月12日收到修改稿) 利用太赫兹时域光谱(TH z 2T DS )系统,在5—300K 温区下测量了在厚度约200nm 的金属Nb 薄膜刻蚀的亚波长圆孔阵列的异常TH z 波透射情况.实验结果表明,在013—2TH z 波段,具有亚波长孔阵结构的金属Nb 薄膜的异常透射现象波谱的峰位置与CST (com puter simulation technology )软件仿真模拟的结果一致,峰值随温度降低有逐渐增强的趋势.关键词:亚波长孔阵列,TH z 时域光谱技术,异常透射PACC :3220F ,7430G,74903国家自然科学基金(批准号:10778602,60721063)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2006C B601006)和江苏省高校自然科学基金(批准号:BK 2007713)资助的课题.通讯联系人.E -mail :chenj63@11引言金属薄膜上的亚波长孔阵的异常光透射现象在近年来引起了人们的广泛关注.这些出现透射增强的波长是由金属材料的参数、小洞的几何形状和排列的周期控制的.这一现象最初被归因于由于入射光和金属表面的自由电子集体震荡之间的相互作用而在金属表面产生的电荷密度波,也就是表面等离激元(SPP )[1—14].另一方面,太赫兹(TH z )波的特殊电磁学性质也是学术界研究的焦点.近年来,超快激光技术[15]的发展,为脉冲TH z 波的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源,并且可以使用TH z 时域光谱(T DS )技术方便地检测物质的频谱和相位延迟特性.这在很多方面弥补了傅里叶变换红外光谱技术和X 射线技术的频宽缺陷[16—22].近年来,亚波长结构在太赫兹波段的性质也引起了各方面的广泛关注[23,24].本文利用TH z 2T DS 测量系统,在5—300K 温度区域,对具有周期圆孔阵列的金属Nb 薄膜的TH z 波段透射情况进行测量和分析.结果表明,亚波长小孔阵列的异常透射情况与理论计算相符合,Nb 薄膜在低温下由于导电率增大,TH z 波激发的表面电流增大,使得TH z .21实验本实验使用的是立陶宛Ekspla 公司生产的传输型T DS 系统,系统构成如图1所示.激光器是C oherent 公司生产的锁模钛蓝宝石激光器,中心波长800nm ,脉冲宽度小于100fs ,重复频率为82MH z.TH z 发射器和探测器都是安装在高阻硅半图1 低温TH z 2T DS 系统框图第58卷第10期2009年10月100023290Π2009Π58(10)Π6884205物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.58,N o.10,October ,2009ν2009Chin.Phys.S oc.球透镜上的G aAs 光电导天线.飞秒激光在光路中被分为两路,一路作为抽运光通过时间延迟装置射向发射光导天线激发TH z 波,另一路作为探测光与TH z 波同时到达探测光导天线,经过锁相放大,获得较大的输出信号.样品放置在牛津仪器公司生产的光学低温杜瓦中,温度控制范围为5—300K.系统的有效带宽为012—3TH z ,信噪比大于1000.因为空气中的水蒸气对TH z 波有强烈的吸收,为了避免这一影响,本实验中将TH z 光路置于基本密闭的有机玻璃罩中(见图1),并向罩中连续充入无水纯氮气,使相对湿度保持在3%以下.测量时,样品置于两聚焦抛物镜之间的中心处,并尽可能与入射光垂直.样品制备:用微加工技术制备了由圆孔阵列(见图2)构成的样品.首先,在500μm 厚度的高阻硅(Si )基片上溅射约200nm 厚度的Nb 薄膜.样品的基底选择高阻Si 基片是因为硅在整个TH z 波段具有良好的透射特性.然后,利用光刻机在其表面刻蚀小孔,并用反应离子刻蚀技术刻蚀出具有周期结构的圆孔.图2中的两个样品小孔的半径分别为15和20μm ,孔阵列的晶格常数分别为60和80μm ,样品制备完成后大小约为10mm ×10mm.图2 样品的显微镜照片 (a )样品1,(b )样品231数据处理及结果讨论在测量时,首先在低温系统中测量没有金属结构的Si 基片作为参考信号E r (t ),然后再置入待测样品,获得的信号为样品信号E s (t ).参考信号和样品信号分别进行快速傅里叶变换(FFT )获得相应的传输系数频域谱^H (ω)[1]^H (ω)=E s (ω)E r (ω).(1) 由于TH z 波在低温杜瓦的窗口之间存在反射,加之参考信号测量时由于Si 基片两表面内部的Fabry 2Perot 反射产生的低频振荡,在时域信号主脉冲后面会出现明显的回波,如图3所示,因此不可避免地使得测量结果的频谱在低频部分出现振荡.为了消除此回波的影响,在处理数据时,我们采用了对时域信号加窗滤波的方法,滤除主脉冲后面的回波,再进行FFT 变换,得到相对平滑的频谱.当参考信号为无结构的Si 基片时,传输系数频域谱公式转变为如下所示[25]:^H (ω)=2n f (ns +1)exp i ω(n f -1)d f Πc exp i ω(n s -1)(d s -d ′s )Πc (1+n f )(n f +n s )+(1-n f )(n f -n s )exp 2i ωn fd f Πc,(2)其中,c 为光速,n f 和n s 分别为薄膜和基片的复折射率,d f 和d s 分别为薄膜和基片的厚度.表面无结构的基片的厚度用d ′s 表示.在实验测量中,用来测量参考信号的Si 基片与有金属表面结构的样品基片取自同一片Si 基片,因此,近似认为d s =d ′s ,(2)式可简化为[25]^H (ω)=2n f (n s +1)exp[i ω(n f -1)d f Πc ](1+n f )(n f +n s )+(1-n f )(n f -n s )exp[2i ωn f d f Πc ].(3)588610期王媛媛等:亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究图3 500μm 厚度的S i 基片在TH z 2T DS 低温系统中的透射谱信号 (a )时域谱,(b )频域谱 同时,由图3中的时域信号和频谱信号可以看出,我们使用的500μm 高阻Si 基片在不同的温度条件下TH z 频谱性状稳定,在信号处理加窗的过程中可以直接处理.为得到金属结构的透射谱的峰的位置,我们在实验前,利用基于时域积分算法(FIT D )的数值模拟软件CST 计算了样品的透射谱.建模过程中采用Si 基片作为基底,按照样品尺寸构建了紧贴Si 基片的012μm 厚的具有圆孔阵列的金属薄膜,边界条件选择了在样品平面周期性边界,对该模型的S 参数进行模拟.尺寸与样品1和样品2相同的理想金属薄膜上的单个圆孔的透射谱模拟结果见图4(a )和图5(a ).对于单个圆孔,其透射谱在013—3TH z 频段是单调增加的,在我们关注的频谱范围内没有明显的透射峰存在.图4(b )和图5(b )为刻有圆形小孔阵列的Nb 薄膜样品的透射谱实验结果和同尺寸小孔阵列模型CST (com puter simulation technology )软件模拟结果的比较图,实线为两个样品尺寸下理想金属薄膜小孔阵列的CST 模拟计算结果,点划线为样品的测量结果.从图中可以看出,样品1在11426和21046TH z 频点出现明显的共振峰,样品2在11074和11514TH z 出现明显的共振峰,均与实线绘出的CST 模拟峰位结果一致.我们选择样品2进行了低温条件下的测量,图5(b )中,实线为理想金属薄膜小孔阵列的频谱CST 模拟结果,圆圈、正三角形、倒三角形、菱形、十字形、正方形曲线分别为5,7,15,100,200,250K 下的样品的TH z 频谱图实验结果.随着样品温度的降低,11074TH z 位置的透射峰幅值增加,而在11514TH z 位置,5K 条件下的透射率最高.图4 样品1的透射频谱 (a )单个孔的模拟结果,(b )孔阵列样品在常温下的结果 对于亚波长圆孔阵列的异常增强透射,出现增强透射的频率位置可以由以下公式给出[1]:ωext =G i ,jn eff,(4)这里的n eff 是刻有小孔金属薄膜的等效介电常数,G i ,j =i 2+j2P是亚波长小孔阵列的倒格矢,P 是点阵的空间周期,i 和j 是正数.将样品1和样品2的透射谱中出现的异常透射的频率相对于最低频率的6886物 理 学 报58卷图5 样品2的透射频谱 (a )单个孔的模拟结果,(b )孔阵列在不同温度下的结果位置归一化,由(4)式可以得出最低频率的异常透射对应着(1,0)模式,则从以上的波数可以得到约1,1140,分别对应G 1,0和G 1,1.由于Si 基片的吸收,使得在高于2TH z 的频段^H (ω)参数出现明显的波动,因此在这里略去.同时,由于基片上溅射的金属为Nb ,由图6中利用四端子法测量样品2得到的电阻2温度(R 2T )曲线可知,样品2的Nb 膜超导转变温度T C 约为912 K,在300K 到912K 以上区域,电阻随温度降低而降低.由图4可以看出,随着温度的降低,在11074和11514TH z 处出现的两个峰的峰值分别都有所增加.原因应当是由于温度的降低使得Nb 薄膜的导电率增加,表面电阻减小,表面波强度增加,但是峰的位置是保持不变的.由于实验条件的限制,杜瓦的两个光学窗口没有加载红外滤波等,导致并未能将样品温度降至转变温度以下.包括超导膜等进一步的实验尚在进行中.图6 样品2的R 2T 曲线41结论利用低温TH z 2T DS 系统,测量了低温环境下,Nb 薄膜小孔阵列的异常透射现象.实验结果表明,TH z 频段,亚波长小孔阵列也存在着异常透射现象,并且随着温度的降低,Nb 的电导率增加,感应电流也随之有增加,异常透射峰也有增强的趋势.这些结果对于研究金属薄膜上亚波长小孔阵列的异常透射现象根本原理有着重要的参考价值.[1]Ebbesen T W ,Lezec H J ,G haem i H F ,Thio T ,W olff P A 1998Nature 391667[2]Altewischer E ,van Exter M P ,W oerdman J P 2002Nature 418304[3]Barnes W L ,Dereux A ,Ebbesen T W 2003Nature 424824[4]Ocelic N ,Hillenbrand R 2004Nature Mater .3606[5]Pendry J B ,M artin 2M oreno L ,G arcia 2Vidal F J 2004Science 305847[6]Brav o 2Abad J ,Degiron A ,Przybilla F ,G enet C ,G arcia 2Vidal F J ,M arlin 2M orenol L ,Ebbesen T W 2006Nature Phys .2120[7]Bao YJ ,Li H M ,Chen X C ,Peng R W ,W ang M ,Lu X ,Shao J ,M ing N B 2008Appl .Phys .Lett .92151902[8]T ang Z H ,Peng R W ,W ang Z ,Wu X ,Bao Y J ,W ang Q J ,Zhang Z J ,Sun W H ,W ang M 2007Phys .Rev .B 76195405[9]M atsui T ,Agrawal A ,Nahata A ,Vardeny Z V 2007Nature 446517[10]G ay G,Alloschery O ,de Lesegno B V ,O ’Dwyer C ,W einer J ,Lezec H T 2006Nature Phys .2262[11]Liu H ,Lalanne P 2008Nature 452728[12]G enet C ,Ebbesen T W 2007Nature 44539[13]M artin 2M oreno L ,G arcia 2Vidal F J ,Lezec H J ,Pellerin KM ,Thio T ,Pendry J B ,Ebbesen T W 2001Phys .Rev .Lett .861114788610期王媛媛等:亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究[14]Bao YJ,Peng R W,Shu D J,W ang M,Lu X,Shao J,Lu W,M ing N B2008Phys.Rev.Lett.101087401[15]Shi W,Zhao W,Zhang X B,Li E L2002Acta Phys.Sin.51867(in Chinese)[施 卫、赵 卫、张显斌、李恩玲2002物理学报51867][16]Fergus on B,Zhang X C2002Natural Material126[17]T onouchi M2007Nature Photonics197[18]Zhao G Z2006Modern Scientific Instruments236(in Chinese)[赵国忠2006现代科学仪器236][19]Zhang X N,Chen J,Zhou Z K2005Laser and Optronics Progress4235(in Chinese)[张兴宁、陈 稷、周泽魁2005激光与光电子学进展4235][20]Shen J L,Zhang C L2005Nondestructive Testing27146(inChinese)[沈京玲、张存林2005无损检测27146][21]Zhang Z W,Cui W L,Zhang Y,Zhang C L2006J.InfraredMillim.Waves25217(in Chinese)[张振伟、崔伟丽、张 岩、张存林2006红外与毫米波学报25217][22]H ou B H,Shao M,Xu X L,W ang L,W ang J Y,Fan Z D2007Acta Phys.Sin.561370(in Chinese)[侯碧辉、邵 萌、徐新龙、汪 力、王吉有、范志达2008物理学报561370][23]M eng K,W ang Y H,Chen L W,Zhang Y2008Acta Phys.Sin.573198(in Chinese)[孟 阔、王艳花、陈龙旺、张 岩2008物理学报573198][24]M eng T H,Zhao G Z,Zhang C L2008Acta Phys.Sin.573846(in Chinese)[孟田华、赵国忠、张存林2008物理学报573846][25]Petzelt J,K u el P,Rychetsk√I,Pashkin A,Ostapchuk T2003Ferroelectrics288169Extraordinary transmission of sub2wavelengthaperture s in terahertz region3W ang Y uan2Y uan Zhang Cai2H ong M a Jin2Long Jin Biao2Bing Xu W ei2W ei K ang Lin Chen Jian Wu Pei2Heng (Research Institute o f Superconductor Electronics,Nanjing Univer sity,Nanjing 210093,China)(Received5February2009;revised manuscript received12February2009)AbstractUsing terahertz time domain spectroscopy(TH z2T DS),TH z transm ission spectrum of the array w ith sub2wavelength apertures on the Nb thin film has been studied in the tem perature range of5—300K.The extraordinary transm ission is observed and the peak positions are in agreement w ith the com puter simulation technology simulation results.The transm ission am plitude increases w ith the decreasing tem perature.K eyw ords:array w ith sub2wavelength apertures,terahertz time domain spectroscopy,extraordinary transm issionPACC:3220F,7430G,74903Project supported by the National Natural Science F oundation of China(G rant N os.10778602,60721063),the S tate K ey Development Program for Basic Research of China(G rant N o.2006C B601006),and the Natural Science F oundation of the Higher Education Institutions of Jiangsu Province,China(G rant N o.BK2007713).C orresponding author.E2mail:chenj63@8886物 理 学 报58卷。
兼具反射和透射模式的共振波导光栅滤波器的设计
反射-透射窄带滤波模式的转换。
关 键 词：共振波导光栅；导模共振；反射模式；透射模式；经典入射；全圆锥入射
中图分类号：O436.1; TN25
文献标志码：A
doi：10.37188/CO.2020-0072
1 Introduction
Resonant waveguide grating is composed of a waveguide and a dielectric grating. Due to the interaction between the two components, the outgoing spectrum shows many unique optical characteristics when the light is incident on the device. This has become an important branch of label-free bio-sensing field[1-4]. In the biosensor system, resonant waveguide grating is used as narrow-band filter to usually check the samples by observing the narrowband spectral drift before and after the sample attaching. In the early days, the researchers designed the narrow-band filters in reflection or transmission mode under classical incidence. Based on the resonant waveguide grating structure, they designed and developed the reflection filters that worked in different wavebands[5-7]. In the design, the period and fill factor of sub-wavelength grating, as well as the thickness and refractive index of grating and waveguide layer were adjusted to realize the reflection filtering function at a certain wavelength. In addition, a transmission filter was realized based on a more complex resonant waveguide grating structure that combined the multilayer high-reflection film structure with waveguide grating or adopted a grating in strong modulation[8-10].
光栅特性研究实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除光栅特性研究实验报告篇一：光栅特性及光谱波长的测量中国地质大学（武汉）实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：光栅特性及光谱波长的测量学院：数学与物理学院班号：组号：组员：指导老师：1实验地点：光栅特性及光谱波长的测量一、实验目的1.了解光栅的主要特性2.测量实验所用光栅常数3.测量汞灯的谱线波长4.测量氢灯的谱线波长二、实验原理光栅和棱镜一样，是重要的分光原件，它可以把入射光中不同波长的光分开。
利用光栅分光制成的单色仪和光谱仪已被广泛应用。
衍射光栅有透射光栅和反射光栅两种，我们实验所用的是平面透射光栅，它相当于一组数目极多，排列紧密均匀的平行狭缝目极多，排列紧密均匀的平行狭缝。
根据夫琅和费衍射原理，每一单色平行光垂直投射到光栅平面上，被衍射，亮纹条件为：dsinθ=Kλ(K=0,±1,±2,±3,222222)d-----光栅常数θ-----衍射角λ-------单色光波长由于汞灯产生不同的单色光，每一单色光有一定的波长，因此在同级亮纹时，各色光的衍射角θ是不同的。
除中央亮纹外各级可有四条不同的亮纹，按波长不同进行排列，这样，若对某一谱线进行观察（例如黄光λy=5790A0）对准该谱线的某级亮纹(例如K=±1）时，求出其平均的衍射角θ〈y，代入公式就可求光栅常数d，然后可与标准比较。
本实验采用d=1/1000厘米的光栅。
相反，若将所求得的光栅常数d，并对绿光进行观察，求出某级亮纹（如K=±1）的平均衍射角θ〈y，代入公式，又可求出λg。
同理，可以同级亮纹或不同亮纹的其他谱线进行观察和计算。
当一束平行光垂直入射到光栅上，产生一组明暗相间的衍射条纹，其夫朗和费衍射主极大由下式决定：dsinΦ=mλ(9—1)式中：光栅常数d=a+bθ：衍射角大级次m=0，1，2此式称光栅方程由式得：2（由此可以看出：只要测出任意级次的某一条光谱线的衍射角，即可计算出该光波长。
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窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波研究 蒋文文;桑田;王睿;邵泓焰;陈国庆 【摘 要】提出了一种窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波器的设计,其工作原理是利用窄光栅刻槽取得低透射背景,再利用导模共振与表面等离子激元共振的混合产生峰值透射,进而实现良好的窄带透射滤波效应.研究发现,利用多模共振与表面等离子激元共振的混合模式,通过增加波导厚度即可实现性能良好的双通道透射滤波,在波长1412和1653 nm处,峰值透射率分别为72.1%和63.6%.进一步分析表明,由于长波处磁场能量较多地局域在金属光栅层,峰值位置和峰值透射率受光栅深度变化影响显著;而短波处磁场能量较多地局域在波导层中,因此短波处峰值漂移对波导层厚度变化更为敏感.
【期刊名称】《光通信研究》 【年(卷),期】2017(000)001 【总页数】4页(P37-40) 【关键词】窄刻槽;金属波导光栅;亚波长结构;透射滤波器 【作 者】蒋文文;桑田;王睿;邵泓焰;陈国庆 【作者单位】江南大学 理学院 光电信息科学与工程系,江苏 无锡 214122;江南大学 江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122;江南大学 理学院 光电信息科学与工程系,江苏 无锡 214122;江南大学 江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122;江南大学 理学院 光电信息科学与工程系,江苏 无锡 214122;江南大学 江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122;江南大学 理学院 光电信息科学与工程系,江苏 无锡 214122;江南大学 江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122;江南大学 理学院 光电信息科学与工程系,江苏 无锡 214122;江南大学 江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122
【正文语种】中 文 【中图分类】TN253 导模共振效应是指入射光与光栅的泄漏模耦合时产生的光谱异常现象,具体表现为衍射光场相对于入射角或波长等物理量的微小变化产生突变[1]。基于导模共振效应的亚波长光栅具有结构相对简单、衍射效率高、共振波长和带宽可控等特点,在光通信与滤波领域具有很高的应用价值。在以往的研究中,导模共振光栅较多地被用作反射滤波器,如抗反射滤波[2]、线性滤波器[3]、自支撑结构反射滤波[4]和MEMS(微机电系统)滤波[5]等。在透射滤波方面的研究较少,如基于电磁诱导透明的透射滤波器[6]和单层膜结构透射滤波器[7]等。 近年来,金属波导光栅导模共振透射滤波的研究受到人们关注。2011年,Sakat等[8]采用自支撑氮化硅-镀金光栅结构,基于导模共振效应在2.97μm处实现了带通滤波,峰值透射率达78%。2012年,Tan等[9]研究了金属波导光栅结构的耦合效应,指出该结构不仅存在导模共振和表面等离子激元共振模式,还存在二者耦合引起的混合模式,该混合模式导致TE(横向电场)和TM(横磁模)模产生零级消光峰。2015年,Hu等[10]提出双刻槽、双周期亚波长金属介质光栅结构,利用导模共振、法布里-珀罗共振与表面等离子激元共振的混合,在光通信波段实现了双通道透射滤波。目前,鲜有文献研究导模共振与表面等离子激元共振混合引起的透射滤波现象,尤其是基于多模共振实现多通道透射滤波。 本文提出了一种窄刻槽亚波长金属波导光栅滤波器设计,针对TM偏振,通过借助窄光栅刻槽取得低透射背景,利用导模共振与表面等离子激元共振的混合模式获得峰值透射,进而实现良好的窄带透射滤波效应。基于导模共振的多模共振效应,仅通过增加波导厚度,即可得到性能良好的双通道透射滤波器。基于上述方法设计的单通道和双通道窄带滤波器在光通信波段均具有良好的透射滤波特性。此外,还研究了金属光栅深度和波导厚度对双通道滤波透射性能的影响,并结合结构磁场分布对光谱特性进行了分析讨论。 图1所示为窄刻槽金属波导光栅结构示意图,图中,Λ为光栅周期;f为占空比;覆盖层为空气,折射率nc=1;光栅层中光栅脊为金属Ag,光栅刻槽为空气,光栅深度为dg;波导层材料为SiNx,折射率nw=2.05,波导厚度为dw;SiO2基底的折射率为ns=1.47,TM偏振(磁场矢量沿z方向)平面波正入射。 对于窄刻槽光栅结构,占空比f较大,因而当金属光栅深度大于趋肤深度时,对于非共振区域光谱的透射率普遍较低,这可为滤波器提供一个低透射背景。在共振区域,导模共振与表面等离子激元共振混合产生窄带透射峰,因而透射光谱具有窄带滤波性能。在设计中,为了提高滤波器的峰值透射率,采用亚波长光栅结构。亚波长光栅是现代光学技术中的一种重要光学结构,其光栅周期小于工作波长。对于亚波长光栅,只有零级透射和反射能够传播到光栅区域之外,此时在覆盖层和基底层只有零级衍射的光栅周期满足 式中,θ0为入射角。 本文运用FDTD(有限差分时域)法对亚波长金属波导光栅结构进行分析计算[11],FDTD法通过对电场与磁场的交替有限差分计算可以求解任意情况下的电磁场问题,通过一次计算就能得到光栅整体结构中各点的电场和磁场强度,易于对周期性金属波导光栅结构磁场分布情况进行研究。本文采用的光频段,金属Ag的损耗不大,可采用Lorentz-Drude模型对其介电常数进行描述: 式中,ωp为等离子体频率,γ为阻尼系数。对于本文的研究波段,金属Ag的ωp=1.15×1016rad/s,γ= 6.81×1013rad/s。 基于窄刻槽金属波导光栅模型,通过合理选择结构参数,可以得到滤波性能良好的透射滤波器。图2所示为亚波长金属波导光栅透射光谱及其在峰值波长处的磁场分布。滤波器结构参数为:Λ= 850 nm、f=0.9、dg=65 nm、dw=390 nm。由图2 (a)可以看到,滤波器在保持透射旁带相对较低以及峰形具有良好对称性的同时,在1 550 nm波长处峰值透射率达73.2%,透射峰半高宽为52 nm,Q因子λ/Δλ=29.8,滤波器窄带透射滤波性能优良。由图2(b)可见,结构的磁场分布既有分布在波导层内部被约束的波导模式特征,也有分布在金属光栅下表面的表面等离子体激元共振模式特征,呈现出导模共振和表面等离子体共振的混合模式。这一混合模式为滤波器提供峰值透射,使得金属光栅在窄刻槽情形下依然能够取得高峰值透射率。 为了进一步分析窄刻槽亚波长金属波导光栅的透射滤波机理,我们研究占空比对透射光谱性能的影响。图3所示为不同占空比f时金属波导光栅的透射光谱。可以看到,当f由0.90减小到0.50时,透射峰的位置从1 550蓝移至1 422 n m,峰值透射率从73.3%增加到95.2%,半高宽显著增宽,Q因子从29.8下降至7.5,滤波器窄带滤波性能显著下降。产生上述现象的主要原因是金属具有不透光性,当f减小,即空气刻槽逐渐变宽时,光谱透过率整体增加,导致光谱带宽和半高宽度显著增大,旁带透射也增加。反之,增大f,例如f由0.90增加到0.99,此时金属光栅将趋近于一层不透光的银薄膜,除了因导模共振与表面等离子激元共振的混合模式产生的透射率为10.1%的低透射峰外,旁带透射率均趋于0。可见,占空比是一个有效调控光谱带宽和峰值透射的重要参数,高占空比有利于获得低透射旁带,同时太大的占空比也会显著降低峰值透射。在实际应用中,根据需要恰当选取较高的占空比以实现良好的窄带透射滤波效应,这也是本文采用窄刻槽光栅结构实现窄带透射滤波的原因。 对于导模共振波导光栅,当波导层厚度增加时,波导模的模式数增加,因而导模共振将呈现出多模共振现象[12],此时可以在反射光谱中观察到多个反射通道[13]。据我们所知,目前还没有基于多模共振实现多通道透射滤波效应的报道。对于窄刻槽金属波导光栅结构,由于窄刻槽金属光栅可以为滤波器提供低透射背景,而导模共振与表面等离子激元共振的混合可以提供峰值透射,当波导层厚度增加时,由于多模共振效应,导模共振与表面等离子激元共振的混合模式数也将增加,势必会产生多通道透射滤波效应。因此,在维持其他结构参数不变的情况下,仅仅通过增加波导厚度即可实现多通道透射滤波。图4所示为双通道滤波光谱及其在峰值波长处的磁场分布,此处波导层厚度dw=780 nm,其他参数与图2相同。可以看到,透射光谱中产生了两个峰形对称性好的透射峰,短波处的峰值位置在1 412 nm处,透射率为72.1%,半高宽为28 nm;长波处的透射峰在1 653 nm处,透射率为63.6%,半高宽为35 nm。由于采用窄刻槽光栅结构,因此滤波器旁带透射率低,窄带透射滤波性能优良。由图4(b)和(c)可以看到,除了长波处导模共振基模与表面等离子激元共振的混合模式外,当波导层厚度增加时,在短波处也产生了一阶波导模与表面等离子激元共振的混合模式,该混合模式为滤波器短波处提供峰值透射,因此,在透射光谱中实现了双通道滤波效应。相比较而言,长波处和短波处峰值透射的磁场分布呈现不同特征,长波处磁场能量主要被局域在金属光栅附近,即金属光栅的下表面及其缝隙附近,而短波处磁场能量很大一部分被束缚在波导层中。 对于窄刻槽金属波导光栅双通道透射滤波器,由于长波处和短波处的磁场在光栅层和波导层中分布不同,因此光栅层和波导层厚度的变化对两者的影响也将不同,如图5所示。从图5(a)可以看到,当光栅层厚度改变时,短波处透射峰的位置和透射率受其影响较小,而长波处透射峰的位置和透射率受其影响显著。当光栅层厚度从40增加到140 nm时,短波处透射峰位置维持在1 415 nm附近,透射率均高于73%;而长波处透射峰的位置从1 647移动到1 670 nm,峰值透射率从82.7%降低至57.7%。这是由于长波处磁场的能量较多地局域在金属光栅层附近,因此透射特性受光栅层厚度变化的影响较为显著。从图5(b)可以看到,波导层厚度增加时,长波处和短波处的峰值透射率变化较小,但峰值波长均产生红移现象,这是由于波导层厚度增加导致共振波长往长波方向漂移造成的。需要指出的是,由于短波处磁场能量较