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平面波导光谱仪系统中光耦合的研究

张光国  
【摘要】:光谱技术以其快速、灵敏、高效等特点广泛应用于日常生活和航空航天等诸多领域中,光谱仪器系统也获得了长足发展。近年来,微型化、集成化、专门化和智能化已成为光谱仪器研制的主要趋势。 论文首先介绍了平面波导微型光谱仪系统芯片的研究方案,指出了严重影响着微型光谱仪系统芯片性能的两个耦合问题:光从光纤探头到平面波导的耦合输入问题、杂散光的耦合输出问题,并作为论文研究的对象。 论文简要介绍了几种常见光束传播法和边界条件,详细推导了三维有限差分光束传播法的标量方程及其解法。运用三维光束传播法的交错隐式算子分裂有限差分法,把5对角大型稀疏矩阵转化为存在快速算法的3对角大型稀疏矩阵,离散后的3对角矩阵利用追赶法求解,大大提高了计算速度,节省了计算机资源。 利用标量方程和透明边界条件编写了计算程序,程序不仅可以给出单波长输入时精确的耦合效率数值,同时也可以计算多波长输入时耦合器输出端的电场分布图和耦合效率值,又可以在芯片的数据处理系统中将此程序作为子程序嵌套使用,这些都是现有商业软件所不能做到的。 利用程序模拟设计了几种不同结构的Taper耦合器,并对加工耦合器件的材料体系做了简要介绍。 论文对杂散光的消除做了理论性的探讨,对矩形光栅衍射效率的一般表达式做了修正,选择确定了消除杂散光的方案。本文通过计算说明了单个大周期的矩形光栅只能消除70%左右的杂散光。论文中采用直接在出射平面上镀增透膜的方法消除杂散光,在1.3 --1.6 范围内99%以上的杂散光被消除。 最后,对于采用标量理论模拟设计的局限性,论文提出了改进意见。


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