长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
基于严格耦合波理论，分析GaAs/AlOx高折射率对比度亚波长光栅（HCG）反射镜的偏振和反射特性，设计了横电（TE）偏振的HCG。当入射光由衬底垂直入射时，HCG在940 nm附近的最高反射率接近1。分析了光栅形貌误差和入射角偏差对其反射特性的影响。采用金属有机化合物气相沉积技术进行外延生长，通过电子束曝光、干法刻蚀、湿法刻蚀以及湿法氧化等方法制备出HCG，并进行理论与实验结果的对比分析。实验测试了入射光由光栅表面垂直入射的反射率，其中TE偏振光的最高反射率达到84.9%，与86.5%的理论值比较接近，且横磁（TM）偏振光的反射率低于40%，反射谱的变化规律也与理论结果基本一致，这验证了理论结果的合理性。该反射镜可以作为垂直腔面发射激光器的超薄反射器，具有低损耗、偏振稳定和单模工作的特性。
光栅 高折射率对比度亚波长光栅 衍射效率 偏振 单模 垂直腔面发射激光器
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
亚波长光栅结构表现出优异的陷波滤光特性, 其经典设计是设定亚波长的几何结构参数, 求解麦克斯韦方程组, 设定优化算法求解出最优解, 需要消耗大量的时间和计算资源。 提出一种基于深度学习的逆向设计方法, 搭建了可以同时实现正向模拟与逆向设计的串联神经网络。 基于python语言的Tensorflow库进行网络搭建; 优化均匀波导层的高度、 亚波长光栅的高度、 折射率、 周期以及占空比; 研究亚波长光栅在0.45~0.7 μm的陷波滤光特性。 采用严格耦合波分析(RCWA)数值模拟生成23 100组数据集, 在生成的数据集中随机选择18 480组数据作为训练集, 4 620组作为测试集, 并对不同的网络层数, 网络节点以及Batch_size进行了研究。 结果显示经过1 000次的迭代后, 当网络的模型结构为5×50×200×500×200×26, Batch_size大小为128时, 网络性能最佳。 相比独立的网络模型, 串联神经网络的正向模拟测试集损失率从0.033 63降到了0.004 5, 逆向设计的测试集损失率从0.702 98降到了0.052 98, 同时解决了由数据的非唯一性导致的网络逆向设计过程中无法收敛的问题。 在完成训练的网络中输入任意的光谱曲线, 网络平均在1.35 s内给出亚波长光栅的几何结构参数; 并与RCWA数值模拟曲线进行相关性分析, 曲线相似系数均大于0.658 1, 属于强相关。 另外, 设计红、 绿、 蓝三种颜色的陷波滤光片, 其峰值反射率分别可以达到98.91%, 99.98%和99.88%, 与传统方法相比, 该方法可以快速、 精确的求解出光栅的几何参数, 为亚波长光栅设计提供了新方法。
神经网络 亚波长结构 深度学习 陷波滤光片 Neural network Sub-wavelength structure Deep learning Notch filter 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1393
1 上海科技大学物质科学与技术学院，上海 201210
2 中国科学院上海高等研究院基础交叉研究中心，上海 201210
3 中国科学院大学，北京 100049
合成孔径技术是一种能够有效实现超分辨成像的技术。目前的合成孔径成像技术大多以标量衍射理论为基础，但当成像目标的尺寸小于波长时，标量衍射理论中的近似与假设不再成立。因此，本团队在高斯光束照明条件下，以更为严格的耦合波理论为基础，分析了亚波长光栅的合成孔径成像技术。通过模拟仿真280 nm周期、140 nm线宽的一维矩形光栅的合成孔径成像，分析了光栅有界情况下，模式个数对光栅重构的影响以及恢复光栅结构所需的最少模式个数。接下来讨论了标量衍射理论相对于耦合波理论可能产生的误差。分析了照明光以±90°入射的理想情况下对光栅进行合成孔径成像的最小分辨率，并认为其仅与波长有关，可分辨的光栅周期最小为λ/2，线宽分辨率为λ/4。本文为合成孔径技术在亚波长光栅中的应用提供了更严格的理论基础。
全息 合成孔径成像 亚波长光栅 严格耦合波分析 超分辨成像 中国激光
2022, 49(24): 2406001
1 南京电子技术研究所，南京 210039
2 中国电子科技集团公司 智能感知技术重点实验室，南京 210039
利用光延时技术抑制宽带相控阵雷达的波束色散，光延时量的离散特性会引入波束指向偏差。通过线性相位拟合法分析了最小延时改变对阵面等效相位分布的影响，建立了延时线步进与雷达波束指向偏差间关系的理论模型，得到波束指向偏差与延时步进成正比，与阵元间距、阵元数平方和波束指向的余弦值成反比。通过仿真和实测数据验证了该技术的可行性。实测结果表明，在8~12 GHz宽带微波信号下，±60°扫描范围内，宽带波束的指向偏差小于0.77°，带内指向色散小于0.98°，峰值能量损失小于0.89 dB，旁瓣抑制比超过11.06 dB。
微波光子学 亚波长步进光延时线 光波束形成 相控阵天线 无波束倾斜 Microwave photonics Sub-wavelength stepped optical delay line Optical beamforming Phased-array antenna Beam squint free
1 安徽科技学院 电气与电子工程学院 光电技术实验室, 安徽 蚌埠 233030
2 南京师范大学 物理与科学技术学院 纳米光子学实验室, 南京 210097
利用低折射率的二氧化硅和高折射率的钛酸钡微球透镜对蓝光刻录光碟的亚波长表面结构进行了显微成像实验, 观察了两类微球在空间上与样品表面分离时的成像特性。实验结果表明: 在微球透镜与样品表面分离0~6μm的空间范围内, 微球透镜对亚波长纳米结构仍具有分辨能力, 且放大作用明显。通过实验比较, 发现在浸没方式、放大率大小、成像尺度范围等方面, 高折射微球表现出不同于低折射微球的远场特性。微球透镜的电场强度仿真表明, 微球成像特性受电场分布的影响明显, 为进一步揭示微球超分辨显微成像的机理提供了依据。
微球 显微成像 亚波长 远场 光衍射 microsphere microscopic imaging Sub-wavelength Far-filed light diffraction
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics and Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
2 School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
In this paper, a sub-wavelength metal-insulator-metal (MIM) waveguide structure is proposed by using a cross-shape rectangular cavity, of which wings are coupled with two rectangular cavities. Firstly, a cross-shape rectangular cavity is placed between the input and output MIM waveguides. According to the mutual interference between bright and dark modes, three Fano resonant peaks are generated. Secondly, by adding a rectangular cavity on the left wing of the cross shaped one, five asymmetric Fano resonance peaks are obtained. Thirdly, six asymmetric Fano resonance peaks are achieved after adding another cavity on the right wing. Finally, the finite-difference-time-domain (FDTD) method and multimode interference coupled-mode theory (MICMT) are used to simulate and analyze the coupled plasmonic resonant system, respectively. The highest sensitivity of 1 000 nm/RIU is achieved.
Sub-wavelength MIM waveguide Fano resonance Photonic Sensors
2022, 12(2): 175
中国电子科技集团公司信息科学研究院，北京 100086
中红外集成偏振焦平面探测技术将偏振探测技术与中波红外焦平面成像探测技术融合，通过异质集成的方式实现偏振光栅和探测器的单片集成，具有体积小、质量轻，机械稳定性高等优势，可实现多偏振方向的同时成像。像元级的亚波长金属光栅可实现不同偏振方向的高消光比，然而金属材料的选择、光栅的周期、占空比、厚度等参数均会影响偏振探测器的偏振性能。给出了亚波长金属光栅的理论分析，建立了中波红外集成偏振HgCdTe探测器的偏振性能仿真模型，对不同光栅参数对探测器偏振性能影响进行了仿真分析，确定了Al光栅周期200~400 nm，占空比0.5~0.7，厚度＞100 nm的参数选择。仿真分析得到在±14°入射角范围内，偏振消光比变化较小。同时，引入了Si基HgCdTe探测器，仿真分析了SiO2增透膜厚度对偏振消光比的影响，确定了SiO2最佳厚度在500 nm附近，对Si基和CdZnTe衬底集成偏振HgCdTe探测器的消光比进行比对，得出了Si基探测器偏振性能更优。仿真结果可为中波红外集成偏振HgCdTe探测器偏振光栅的设计提供理论指导和参考。
中波红外 碲镉汞焦平面探测器 亚波长金属光栅 偏振 仿真 mid-wave infrared HgCdTe FPA sub-wavelength metal wire-grid polarizer polarization simulation 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210132
