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反射型阶梯光栅的衍射特性研究

马升涛  
【摘要】: 随着光通讯和密集波分复用技术的迅猛发展,日益复杂的网络拓扑结构对可靠、灵活的网络管理方式要求越来越高,光交叉互连(OXC)技术就是其中的一项关键技术,光开关则是OXC中的关键器件,尤其是无需光电、电光转换的全光交叉互连器件,其技术水平直接决定着光通讯网络的性能。使低损耗、低成本、可靠性高、便于批量生产的光开关,特别是适用于波长分割多路转换的光开关成为迫切的需要。论文结合光开关研究目前国内外的发展现状和实际,在教育部高等学校博士学科点专项科研基金“光栅阵列-反射式微型光开关原理研究”项目(项目编号:20060611031)的资助下,重点对光栅阵列反射式微型光开关的关键部件,反射型阶梯光栅的衍射特性进行了较为深入的研究。 论文主要完成了以下几方面的工作: ①对光栅及二元光学元件的发展历史和国内外主流技术进行了综述; ②针对反射型阶梯光栅,基于标量衍射理论,采用几何方法计算出斜入射情况下光束在台阶边缘的光程差的分布情况,根据多缝夫琅和费衍射推导出反射型阶梯光栅的衍射光强表达式。并在此基础上,讨论研究了反射型阶梯光栅的台阶数N取2和N趋向于无穷两种极限情况下反射型阶梯光栅光强公式的变化情况。 ③基于反射型阶梯光栅的光强公式,得到一个入射光垂直入射时的衍射效率公式模型。在该公式模型的基础上详细讨论了阶梯光栅的台阶数N和光栅蚀刻深度H与入射光波长λ比值对最大衍射效率以及闪耀级次的影响;衍射效率公式是关于H /λ的周期函数,通过对H /λ在一个周期内的前半周期、后半周期以及周期外三种情况变化时,对衍射效率最大值所对应的衍射级次的分析,得出了该公式模型下的闪耀条件。通过一些实验数据,证实了该公式模型所得到的闪耀条件结论完全适用于入射光垂直入射下的反射型阶梯光栅。证实了H /λ是影响反射型阶梯光栅最大衍射效率分布的关键因子。 ④在入射光斜入射的条件下,当入射角在一定范围内变化时,反射型阶梯光栅的衍射效率最大值会分布在某一衍射级,这一衍射级的确定仍与H /λ有关。并且随着入射角的增大,最大衍射效率会从一个衍射级转移到另一个衍射级,其变化方向由大到小变化的。 ⑤通过分析研究反射型阶梯光栅的衍射效率,获得了相应的系统理论和研究方法,为新型微光开关的设计和开发提供一种新的思路。


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