【摘 要】
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衍射光栅现已被应用于各种光学系统中,在光谱分析、光通信、光耦合、光学传感等领域具有重要应用价值。纯硅基光栅能够与MEMS加工工艺相兼容,并具有易于量产、成本低廉、加工工艺简单等特点,引起了广泛关注。本文对硅基双层亚波长光栅进行研究,利用“伍德异常”现象,设计优化了一款用于光学位移检测的高灵敏度位移传感结构并研究了其耦合机理。为了简化双层光栅的分析过程,采用严格耦合波分析（Rigorous Coup
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衍射光栅现已被应用于各种光学系统中,在光谱分析、光通信、光耦合、光学传感等领域具有重要应用价值。纯硅基光栅能够与MEMS加工工艺相兼容,并具有易于量产、成本低廉、加工工艺简单等特点,引起了广泛关注。本文对硅基双层亚波长光栅进行研究,利用“伍德异常”现象,设计优化了一款用于光学位移检测的高灵敏度位移传感结构并研究了其耦合机理。为了简化双层光栅的分析过程,采用严格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）方法求解双层光栅电磁场问题,提出将中间空气层近似看做占空比很小的光栅结构,电磁场表达式表达为与光栅层类似的傅里叶级数展开形式,并编写了基于RCWA算法的MATLAB程序,验证了RCWA分析双层光栅结构时具有较高准确性。为了实现较高的光学位移结构灵敏度并节约优化时间,将RCWA算法与粒子群算法相结合,对纯硅基亚波长双层光栅结构进行了参数优化。通过改变双层光栅结构参数如光栅周期、梁宽、厚度、间距等,在入射波长为1037.3μm时,得到了5μm位移区间上14.32%/μm的灵敏度。相比于仿真软件,基于RCWA算法的优化时间降低为原来的1/15。本文最后对纯硅基亚波长光栅中“伍德异常”现象的产生原因进行了探究。双层光栅出现异常衍射现象表明,当双层光栅处于特定的相对位移处,光栅会将垂直入射的TE极化波转化为沿着双层光栅中间空气层传播的倏逝波,导致只有很小一部分能量能够通过双层光栅结构并传播至远场,使透射率在该位移处变小,从而表现出异常衍射特性。因该现象对双层光栅相对位移极为敏感,能够有效提高光学位移传感结构的灵敏度。该耦合机理研究为后续进一步利用双层光栅设计高灵敏度的位移传感器奠定了基础。
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