介质光栅波导结构中的非布拉格共振机理及其衍射特性研究

光栅波导结构是指含有亚波长光栅层和等效波导层的薄膜结构，等效波导层可以由光栅层或单层、多层薄膜构成。利用介质光栅波导结构中存在的导模共振效应来实现超窄带滤光、宽带高反功能的发展瓶颈是其角响应度太小。本项目从介质光栅波导结构所支持的导模的色散特性出发，讨论非布拉格共振产生的机理及其对衍射性质的影响。本项目的关键问题是研究介质光栅波导结构中非布拉格共振产生的机理，给出调整非布拉格共振带隙的方法；利用Fano共振模型来研究介质光栅波导结构中的导模共振效应。非布拉格带隙可以用于提高导模共振的角响应度、调整介质光栅波导结构的带隙结构。Fano共振模型可以给出调整共振峰值谱分布的非对称性、实现窄带高透滤波的方法。该项目的成功实施将为介质光栅波导结构在取代多层介质膜制作窄带滤光片、宽带反射镜等光无源器件方面起到极大的推动作用；为光栅波导结构在LED、太阳能电池等方面的应用提供一定的理论指导。

光栅波导结构是指含有亚波长光栅层和等效波导层的薄膜结构，等效波导层可以由光栅层或单层、多层薄膜构成。随着微纳加工工艺的日趋成熟，亚波长光栅波导结构已成为衍射光学器件、微纳光学系统、有源无源光电器件中的常用结构。国家自然科学基金“介质光栅波导结构中的非布拉格共振机理及其衍射特性研究（项目批准号11104318）”2012年1月开始实施，2014年12月顺利完成。本项目从应用基础研究角度出发，分析了光栅波导结构所支持的泄漏模的色散特性；讨论了光栅波导结构中非布拉格共振产生的机理、光栅波导结构参数对泄漏模衍射性质的影响；开发了低成本制作光栅波导结构窄带滤光片的工艺；分析了光栅波导结构在增强入射耦合与出射耦合中的应用。主要的研究成果有：.1. 发展了求解光栅波导结构（当亚波长光栅层和等效波导层相重合时）所支持的泄漏模的色散特性的平面波展开方法。此算法收敛性好，求解快速高效。.2. 解释了光栅波导结构中出现非布拉格共振带隙的机理。.3. 利用Fano共振模型，解释了光栅波导结构中结构参数对泄漏模衍射性质的影响，给出了快速设计谱对称的亚波长光栅波导结构窄带滤光片的方法。.4. 开发了基于stepper投影光刻机的低成本制作光栅波导结构窄带滤光片的工艺。.5. 将亚波长光栅波导结构的光耦合理论应用于发光二极管，探索了动量匹配、泄漏模的群对称性等因素对光出射效率的影响。