基于硅基砖砌型亚波长光栅的紧凑型模式转换器

亚波长光栅可以等效为均匀介质,具备可控的双折射、色散和各向异性等优势,有利于设计高性能的光子器件.尽管目前传统的亚波长光栅结构只需要单步刻蚀,然而通常需要100 nm及以下的制造分辨率,这对当前主流的晶圆级硅光子芯片制造技术来说比较困难.亚波长光栅的各向异性可以通过引入砖砌型拓扑结构来进一步设计,从而在设计中提供额外的自由度,同时还可以降低制造分辨率需求(> 100 nm).本文提出并研究了基于硅基砖砌型亚波长光栅的紧凑型TE₀-TE₁和TE₀-TE₂模式转换器,其中砖砌型亚波长光栅的最小特征,尺寸为145nm.实现了TE₀模式到TE₁模式和TE₂模式的转换,转换区域长度分别为9.39μm和11.27μm.测试结果表明,在68 nm (1512—1580 nm,受限于激光器调谐范围和光栅耦合器)带宽内,插损和串扰分别小于2.5 dB和-10 dB.     

非对称型Kerr类介质膜漏波导中的非线性导波

本文研究了特定边界条件下非对称型Kerr类介质膜漏波导中TE₀光波的传播特性。计算结果表明,介质膜厚存在一临界值。临界值之上没有导波存在,临界值之下能同时存在强场TE₀模和弱场TE₀模,它们具有不同的传播波数。这两个模的膜内传播功率、场强峰值位置随膜厚和光场频率的变化各不相同,色散关系也有极大差别。在对称极限之下,弱场TE₀模的色散为零。 关键词：     

对称单负介质包层平面波导的模式特征

系统研究了负μ材料(MNG)作为包层的对称三层平板波导的传输特性. 研究发现,这种波导既支持快波的传播,又支持TE₀,TE₁模式的慢波传输. 其模式特性不同于左手介质波导和传统介质波导,导模存在的模折射率范围要比它们的大. MNG波导的TE₀快波模缺失,且TE_m模(m>1)的传播常数大于TM_m模的传播常数. TE_m模具有双模特征,且与波导的结构参数密切相关,导致波导中的净能流出现负值. 关键词： 单负介质 平板波导 快波与慢波 传播常数     

长周期光纤光栅的折射率敏感特性

利用光波导的耦合模理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的折射率传感特性,给出了LPFG 的谐振波长相对于环境折射率变化时的漂移量解析表达式.对 LPFG 的折射率传感特性进行了数值模拟.结果表明:在光栅周期不变的情况下,当包层折射率小于且接近外界环境折射率时,波长的漂移量增大,且对应的模次越高、包层半径越小、包层折射率越小,波长漂移量越大,即 LPFG 对应于外界折射率传感灵敏度得到显著提高;当外界环境折射率大于包层折射率时,光栅的谐振波长将近似不变.     

长周期光纤光栅光谱特性仿真研究

基于耦合模理论,利用传输矩阵法求解出长周期光纤光栅(Long Period Fiber Gratings,LPFGs)的透射谱表达式,模拟分析了LPFGs的光谱特性与光栅参数如周期、刻写长度以及折射率调制深度之间的关系。研究结果表明:LPFGs谐振波长随着周期和折射率调制深度的增大向长波方向移动,且高次模谐振波长对光栅周期更为敏感;光谱带宽的变化主要取决于光栅的刻写长度,随着光栅刻写长度的增加,带宽逐渐变窄,且当光栅刻写长度大于5.2 cm时,光栅存在过耦合区域;随着折射率调制深度的增加,光栅存在不完全耦合、完全耦合和过耦合现象,且谐振损耗最大值位置随着折射率调制深度的增加逐渐向低次转移。该研究结论对长周期光纤光栅的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。     

基于伴随法逆向设计的硅基分模器

基于伴随优化设计算法逆向设计了一种高集成度硅基分模器。通过优化设计得到横电模TE₀和TE₁双模分模器的尺寸仅为5.5μm×4μm,其可在不改变模阶数的情况下实现模式高效分离。理论结果显示：当输入TE₀模式时,中心波长处的插入损耗和串扰分别为0.14 dB和-23.8 dB;当输入TE₁模式时,插入损耗和串扰分别为0.48 dB和-22.45 dB;工作带宽覆盖150 nm时,TE₀和TE₁模式的插入损耗分别低于0.44 dB和1.16 dB。基于全矢量三维有限时域差分法分析了±15 nm制备容差,两种模式的插入损耗低于0.79 dB,串扰低于-18.37 dB。所提出的紧凑型硅基分模器可应用于片上模分复用系统,为大容量片上光通信和光互联提供可行器件。     

带有高折射率介质层的金属光栅偏振器特性的研究

研究了一种亚波长金属光栅偏振器在可见光波段的透射与消光特性。与传统亚波长光栅偏振器不同的是,通过在基底和光栅之间增加一层高折射率介质薄膜,提高了TM偏振光透射率和消光比。利用严格耦合波分析法(RCWA),模拟了高折射率介质层厚度、光栅占宽比对透射率和消光比的影响。计算结果表明,在整个可见光波段,合适的介质层厚度可使透射更加均匀并且当入射角在0～60°变化时,TM偏振光的透射率和消光比仍可分别达到79%和50 dB。这种带有高折射率介质层的亚波长金属光栅偏振器结构紧凑,性能优良,特别适合作为液晶平板显示中的偏振分光器件。     

大面积金纳米线光栅的制备

利用激光干涉光刻和金纳米颗粒胶体溶液制备了宽度在100 nm以下且总面积达到平方厘米量级的金纳米线光栅结构.制备过程中,首先在表面镀有厚度约为200 nm的铟锡氧化物薄膜的面积为1 cm×1 cm的玻璃基片表面旋涂光刻胶,然后利用紫外激光干涉光刻制备光刻胶纳米光栅结构.有效控制干涉光刻过程中的曝光量、显影时间,获得小占空比的光刻胶光栅.再以光刻胶纳米光栅作为模板,旋涂金纳米颗粒胶体溶液.充分利用金纳米颗粒胶体溶液在光刻胶表面浸润性差的特点,限制旋涂后留存在光刻胶光栅槽中金纳米颗粒的数量,从而达到限制金纳米线宽度的目的.最后在250℃将样品进行退火处理5 min.获得了周期为400 nm且占空比小于1:4的金纳米线光栅结构,其有效面积为1 cm².以波导共振模式与粒子等离子共振模式间耦合作用为特征的光谱学响应特性验证了波导耦合金属光子晶体的成功制备,为小传感体积新型生物传感器的开发提供了性能良好的金属光子晶体芯片.     

基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导

提出了一种基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导,通过两根紧邻的高折射率介质纳米线的耦合,该波导可以将光场有效束缚在纳米线之间的低折射率纳米缝隙中. 计算模拟的结果表明,该波导的有效模场面积达到Λ²₀/200,比单根纳米线波导小一个数量级,这种深亚波长的模场束缚能力可以与表面等离激元混合波导相比拟. 计算模拟的结果还表明,纳米线可能带有的低折射率氧化膜、低折射率衬底的存在、以及纳米线间尺寸存在的一定差异对于该波导结构的实际应用都不会产生很大 关键词： 介质波导 亚波长局域 表面等离激元波导 纳米线     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

Theoretical investigation of hierarchical sub-wavelength photonic structures fabricated using high-order waveguide-mode interference lithograph

This paper presents the theoretical investigation of hierarchical sub-wavelength photonic structures with various periods and numbers of layers, which were fabricated using a high-order waveguide-mode interference field. A 442-nm laser was used to excite high-order waveguide modes in an asymmetric metal-cladding dielectric waveguide structure. The dispersion curve of the waveguide modes was theoretically analyzed, and the distribution of the interference field of high-order waveguide modes was numerically simulated using the finite-element method. The various dependences of the characteristics of hierarchical sub-wavelength photonic structures on the thickness and refractive index of the photoresist and the waveguide mode were investigated in detail. These hierarchical sub-wavelength photonic structures have various periods and numbers of layers and can be fabricated by a simple and low-cost method.     

Rigorous solutions for nonlinear TE waves guided by a waveguide that has a buried secant hyperbolic profile in the film

Dispersion relations for nonlinear TE waves guided by a waveguide that has a buried secant hyperbolic profile in the film with a self-focusing nonlinear cover medium have been obtained rigorously. It is shown that for the same diffusion depth, the local maximum power flow for TE₀, and TE₁ modes increases as the buying depth is increased.     

圆波导TE01模激励器设计及实验研究

对比分析了几种可输出圆波导TE₀₁模激励器的仿真设计结果。结果表明,利用行波功分结构实现矩形波导TE₁₀模到4路矩形波导TE₁₀模的等幅同相功分,进而合成转换成圆波导TE₀₁模的转换过程,可在较宽的频带范围内,实现圆波导TE₀₁模的高效激励。以中心频率9.40 GHz仿真设计的圆波导TE₀₁模激励器,在中心频率上的传输效率超过99.9%;在9.08~9.61 GHz的频率范围内,传输效率大于99%。实验测量结果表明,所加工激励器在较宽的频带范围内,传输损耗优于-0.2 dB,与仿真结果的差异主要来自于波导壁面的欧姆损耗和波同转换结构;器件工作频带内平坦特性良好,有利于开展测量工作。     

Fano resonance sensing based on coupled sub-wavelength dielectric grating and periodic photonic crystal

Based on the diffraction effect of sub-wavelength dielectric grating and the optical property of periodic photonic crystal, a hybrid structure of sub-wavelength grating all-dielectric multilayer thin film containing periodic photonic crystal is proposed. The transmission property of the structure is simulated by finite element method (FEM). The result shows that the discrete state generated by the sub-wavelength waveguide grating will be coupled with the continuous state generated by the photonic crystal cavity and the Fano resonance can be formed. The Fano resonance sensing model based on structural parameters and resonance wavelength are established, the influence of structural parameters on the Fano resonance spectral curve is quantitatively analyzed by numerical simulations, and the dynamic detection of the refractive index of samples is realized. The above structure can realize the optical refractive index sensing with high figure of merit (FOM) value and provide an effective theoretical reference for the formation of Fano resonance in the all-dielectric hybrid structure.     

光波导技术同步测量棱镜及波导薄膜参数

依据全反射理论和棱镜耦合原理,实现了对棱镜折射率及波导薄膜材料折射率和厚度的同步测量。使用高准直半导体激光器激光入射到棱镜内部与波导膜的分界面上,逐步旋转棱镜或改变棱镜的入射角,得到棱镜耦合M线,曲线前面几组的波谷为波导模激发,在M线左侧收尾处有一个不完整波峰,其反射光强随入射角迅速衰减,为全反射时的临界点,由此可实现棱镜及波导薄膜参数的同步测量;用此法测量了棱镜耦合一体化平面波导棱镜的折射率和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物波导薄膜的折射率和厚度。测量棱镜折射率精度为±1.9×10-4,波导薄膜折射率和厚度的精度分别为±6.2×10-4 μm和±1.6×10-2 μm。     

基于液晶/聚合物光栅的高转化效率有机半导体激光器

采用有机半导体发光材料聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔]作为增益介质,低官能度光敏单体制备的液晶/聚合物光栅作为外部反馈谐振腔,制备出参数可独立控制的分离式结构的有机半导体激光器.液晶/聚合物光栅中液晶分子的取向影响光栅折射率调制量,从而影响光栅的反馈能力,最终影响激光器出射激光的性能.通过研究发现决定液晶分子取向的主要有两种与光栅周期有关的作用力,利用这一原理制备不同周期的光栅,光栅周期小于450 nm时,相分离出的液晶分子取向由光栅矢量方向变为光栅沟槽方向,此时光栅的折射率调制量增加,光反馈能力增强.采用周期为395 nm的液晶/聚合物光栅制备二级布拉格散射的有机半导体激光器,相较于大周期光栅(593 nm)制备的激光器,激光阈值由0.70μJ/pulse降低至0.18μJ/pulse,转化效率由2.5%提高到6.4%,且出射激光垂直于基板表面发射,有利于后续的处理及应用.     

微纳光纤镀铂金膜锁模光纤激光器

采用有限元法仿真了微纳光纤中模式在镀膜前后的能量、电场及有效折射率变化,分析了HE11、TE01、HE21和TM01模式在微纳光纤中的传输特性以及与铂金膜的相互作用原理。采用缓冲氧化物刻蚀液制作了微纳光纤并用离子喷溅法镀铂金膜,得到直径为13.2μm、铂金膜厚度为40 nm的微纳光纤器件,测试了其可饱和吸收特性,调制深度和饱和强度分别为0.57%和0.8 MW/cm²。制作了全光纤锁模激光器,锁模阈值为180 mW。锁模脉冲重复频率为17.93 MHz,脉冲宽度为103 ps,中心波长为1 031.6 nm,半高宽约为3.5 nm。     

用八孔耦合器识别TM0_(1)/TE_(11)混模中TE_(11)模式的方法北大核心CSCD

在高功率微波传输系统中,为了提高功率容量和效率,往往采用过模波导,因此圆波导中往往出现TM_(01)和TE_(11)混合模式的情况。采用角向均匀分布的8孔圆波导耦合器,对提取TE_(11)模式的混合比和极化角度的方法进行了分析和研究。分析了圆波导中TM_(01)和TE_(11)模式在耦合孔处的电场分布,并采用CST对各耦合孔的输出功率进行了模拟计算,得出相互正对的耦合孔的平均功率与8个孔的平均功率之比与模式之间的相位差无关的结论。同时,发现该比值与TE_(11)模式的混合比成线性关系,线性关系中的比例系数是极化角度线性函数。通过线性拟合获得了计算TE_(11)模式混合比和极化方向的表达式。与仿真设定的参数相比,用该表达式计算的结果表明,在TE_(11)模式混合比小于30%时,用其计算TE_(11)模式的混合比和极化角度是可行的,误差不超过10%。在此基础上,给出了实际情况下TE_(11)模式信息的具体判断方法。     

140-GHz gyrotron experiments based on a confocal cavity

We have designed and experimentally demonstrated the operation of a novel quasioptical gyrotron oscillator based on an overmoded confocal waveguide cavity. This cavity effectively suppresses undesired modes, and therefore has extremely low mode density. Stable single-mode, single-frequency operation was achieved in the TE₀₆ mode at 136 GHz. A peak RF output power of 66 kW, corresponding to an efficiency of 18%, was measured. By varying the cavity magnetic field, high-power generation was observed at 136 GHz in the TE₀₆ mode and at 114 GHz in the TE₀₅ mode. These frequencies correspond to the high Q modes of the confocal resonator. The low Q modes were either weak or not observed. In this paper, we will review the design procedure for this cavity and present experimental data verifying its effectiveness in reducing the number of modes that can be excited. The confocal waveguide could also be used in high-power, gyro-TWT amplifiers to provide greater operating stability and bandwidth, especially in an overmoded waveguide structure