弧形光栅结构的辐射特性研究

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1、弧形光栅结构的辐射特性研究光栅一般贴附在底层薄膜上.由于薄膜一般厚度小,在加工和安装使用中易产生变形，形成弯曲表面。研究基底弯曲的光栅结构，对于光栅结构弯HII造成的影响以及新型的光栅结构设ir具有参考和应用价值。本章研究了基底呈周期性弯曲形成的弧形光栅结构•模拟计算了不同的弯曲类型.以及不同弯曲程度下的光栅辐射特性.4.1弧形光栅计算模型的建立本文中把简单光栅基底周期性弯曲形成的结构•称为弧形光栅。弧形光栅表ifii结构，可以由若干个光栅周期经一定的弯IIII角度组合ifu成，上要的参数包括：光栅周期A、光栅高度力、占空比//A、弯曲周期内的光栅周期数”和弯曲角度a。将弧形

2、光栅分为凸面结构、凹面结构和凹凸面结构三种，图4-1给出了三种呱形光栅结构示意图。弧形表面光栅结构利用RCWA计算，需要采用筝层模型近似.因此需要对上述的表Ifli结构进彳］哆层剖分。每一层分别利用ROWA分析.由层何的边界条件匹覘.递归最终得到整个光栅结构内电磁场分布。(3)图4-1二种弧面尢柵结构示总图例如.将上述三类弧形光栅剖分成5()层近似逼近形状.这样弧形光栅的结构则可以用多层模型表示出来。左侧为等坐标轴弯曲周期轮廓示意图.右侧为分层模型示意图。由图4-2可见，划分成50层后，筝层模型近似能够校好地表示出瓠形光栅的轮躺从而为RCWA数值模拟提供了计算模型,使之能够用

3、以研究弧形光栅的辐射特性。图4^2左侧为三种弧面光柵轮忧线.(i侧为对应轮康贱的多JZ模熨近似示童图4.2硅质弧面光栅的辐射特性硅的口折射率随波长变化曲线，即色散关系曲线如图4・3所示(叫Wavelengthfum]怪I4^3H质Si的光学常数材质为硅的简讥：元光栅尺寸参数：光栅周期A=5pm・光栅高度扫3pm,占空比//A=0.4,—般计算光栅吸收率时，认为电磁波透过表面光栅结构后被基底完全吸收,得到的光谱特性曲线如图4-4所示。对于弧形表面的计算•取波长范鬧4.572pm,此时Si的复折射系数为常实数。Wave

4、简单二元光栅的光谱特性曲线图4.2.1多层近似模型的稳定性和准确性检验计算弧形光栅Z前，碍要对数值模拟的稳定性和准确性进行一个评估。稳定性主要是确定截断阶数是否足够，不会出现数值振荡：准确性上要是确定卷层模型的层数是否足够，能够准确反映弧形光栅的光谱特性o1.00060Sicurve!TE>^•4.5gmIa-303n-3—10LayersFA-5gm25Layers.jAhju/n50Layers训f/A-0.475avers090085080095075070065Numberotorders言n8-osq

5、4.5

6、ifn-“•30°n-3A-Sumh-3,umf/A-0.4—•—10layers,25layers•50layers•75[RYfrfS*图4-5弧形光桶站构1的稳定性和准呦性检脸图图4-5给出了光栅周期A=5pm,光栅高度后3pm•占空比//A=0.4,光栅弯曲弧®a=30%弯曲周期心3的弧形光栅I的计算结果。分别考察在波长入=4.5“】时•垂直TE极化或TM极化入射情彤卜.观察是否收敛稳定•以及能否准确反映#1(11光栅氏实结构的辆射W性。由图4・5可以看出.在TE极化卜入射卜一，该结构参数在截断阶数31阶以上能保证收敛稳定，且层数5()层以上吸收率曲线基本重合

7、：在TM极化入射:该参数结构在截断阶数65阶能保证收敛稳定.且层数在50层曲线重合：因此计算模型取50层，TE极化取31阶，TM极化収65阶，认为数值模拟结果准确可伯。图4・6给出『光栅周期A=5pm,光栅高度/3pm,占空比//A=0.4,光栅弯曲角度u=20°,弯曲周期n=6的弧形光栅1。计算得到在波长入=4.5pm时，在TE极化和TM极化入射卜•吸收率随展开阶数曲线图•对该光栅结构做稳定性和准确性进行检验。Q.95Sicurve]TEA-4.5gin05050509887766oooaaoa^2s.x>5qv——10layers25layers―•—50layers75

8、layers153045607590106GO138150a・2(Pfl・6A-Sumh-3.un1/A-0.4Sicurve1TMZ-4.Suma—20°A-6A-5,H/nh-3nm■f/A-0.4—1—10layers25layers——50layers——75layersNumberoi(Xdters0702040608010012014016018028Numbero1cxders图4-6弧形光柵结构2的稳定性和准确性检验图由图4-6可知，当TE极化入射时,计算模型层数取50,截断阶数取93阶