电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接.锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构.宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换.劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作.研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率.结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37 dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62 dB,对插入损耗的改善达到8.78 dB,模场转换效率达到了83.7%.     

领结形中空表面等离子体波导的传输特性

设计了一种领结形中空表面等离子体波导.采用频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何结构参数和工作波长的依赖关系进行了分析.结果表明,沿纵向的能流主要分布在两个上下突起所形成的中间区域.通过调整几何参数及工作波长,可以调节模式的有效折射率、传播长度和模式面积.在工作波长确定的条件下,有效折射率随突起半径的增大呈减小趋势,而传播长度和模式面积则随着突起半径的增大呈增大趋势,四个角上的圆弧半径对波导的传输特性有微调作用,左右扇形区域的半径对波导的传输特性有较明显 关键词： 集成光学 光波导 表面等离子体波导     

脉冲γ射线对光纤的辐射效应

介绍了光纤的损耗机制和γ射线对光纤的辐射效应,设计了针对脉冲γ射线作用于光纤而产生辐射感生损耗的实验测量系统。利用平均光子能量为0.3 MeV、脉冲宽度25 ns、剂量率2.03×107Gy.s-1,和平均光子能量为1.0 MeV、脉冲宽度25 ns、剂量率5.32×109Gy.s-1的2种脉冲γ射线分别作用于多模和单模光纤,分别采用波长为405,660,850,1 310和1 550 nm的激光光纤传输系统对辐射感生损耗进行了测量。获得了光纤辐射感生损耗和辐射剂量的关系,并对实验结果进行分析。从实验结果可以看出:在近红外到可见光范围内,脉冲γ射线对光纤作用产生的辐射感生损耗随探测波长减小而增大;在0.1~3.5 Gy剂量范围内,多模光纤辐射感生损耗和辐射剂量呈线性关系。分析辐射对光纤的作用机制和实验结果后得出:光纤基质原子的电子能级对传输光子的共振吸收而造成吸收损耗增加;光纤折射率分布的改变从而导致波导损耗增加。     

亚波长锥形波导的电磁场分布及传输特性

利用时谐电磁场和波导理论,推导出锥形卒心金属波导中球横电模和球横磁模各电磁场分量的解析表达式,对输出孔径是哑波长尺寸的锥形空心金属波导内球横电模和球横磁模的传输特性及与锥形空心金属波导内光透射率有关的时间平均能量密度分布进行了详细的分析.运用数值求解获得的精确本征值,进一步讨论了光波波长、锥形波导的长度、输出孔径以及锥角对锥形空心金属波导内时间平均能量密度分布的影响.研究结果表明,时间平均能量密度分布在锥形金属波导内呈现准周期性变化,且周期与传输模式、锥角及光波波长有关.并且,在传输径向坐标上会出现一个最大值,最大值的位置随光波波长、锥角发生强烈的变化.     

Ti：LiNdO3波导的折射率计算与测量

Ti：LiNdO3光波导器件在光纤通信、光纤传感、信息光学以及非线性光学领域有着重要而广泛的应用。可调谐滤波器是下一代光通信网络中重要的器件，可用来构成动态的OADM，集成光波导声光可调谐滤波器（IAOTF）是实现此种功能的最具潜力的器件之一。该器件需要在X切Y传的Ti：LiNdO3晶片上采用Ti扩散技术完成。对于可调谐滤波器的设计而言，具有低损耗、单模传输、高质量的光波导是非常重要的。因此必须研究扩散波导的折射率分布以及它与波导参数之间的关系。现有文献多只给出Z切LiNdO3波导的折射率在不同扩散参数下的分布。而对X切Y传的LiNdO3波导折射率未作讨论。在其他扩散条件都一定条件下，可以认为不同切向下扩散波导折射率变化。只是由于不同切向下扩散常数不同造成的，所以本文提出用Z切下折射率分布修正X切下的折射率。本文通过两种不同的方法分别计算了X切Ti：LiNdO3波导折射率随扩散条件的变化规律。从计算的结果可以验证Z切下折射率分布修正X切下的折射率的方法是可行的。其中方法二还可以计算扩散波导的有效折射率。并用棱镜耦合方法测量有效折射率，通过有效折射率计算出折射率差。并对两种方法得到的结果进行了分析比较。     

迭代法重建平板光波导折射率分布

提出了一种用于重建渐变折射率平板光波导折射率分布的方法,这种方法通过数值法求解亥姆霍兹方程．从光波导的低阶模开始采用迭代法顺次对各个模式对应的“转折点”位置进行校正．并多次重复迭代以消除“转折点”外折射率分布的变化对相应模式“转折点”位置的影响。借助WKB近似原理说明了这种方法迭代过程中“转折点”坐标的收敛性。对折射率按照指数规律变化的平板光波导的折射率分布重建结果证明这种方法具有较高的精度。分析表明：这种方法克服了WKB法固有的缺陷,即忽略模式“转折点”外折射率分布对相应模式传输常鞋的影响和“转折点”处相移的不确定性,因而比逆WKB法具有更好的自洽性和精确性。     

一种全面测定平板波导折射率参数的新方法

本文通过对耦合棱镜中反射光束强度变化的测量，给出了平板波导的全部折射率参数，包括波导表面，波导模以及衬底的折射率，由此可以精确的得到平板波导的折射率分布，为波导的设计提供了可靠的参数。     

蝴蝶形中空表面等离子体波导的传输特性

本文设计了一种蝴蝶形中空表面等离子体波导,并对其传输特性进行了研究.采用频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何参数和工作波长的变化关系进行了分析.结果表明:沿纵向的能流主要分布在由四个圆洞所构成的上下两个尖角之间的区域,且越接近尖角,沿纵向的能流越大.对中空圆洞的半径、上下两排圆洞圆心间横向距离和左右两列圆洞圆心间的纵向距离进行调节,模式的有效折射率、传播长度和模式面积也随之变化.在工作波长确定的条件下,相对于b=r/4的情况来说,当b=r/2时,上下两个尖角之间的距离较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率就较大,传播长度也较大.在几何参数确定的条件下,相对于λ=705.0 nm的情形来说,在λ较大时,场的分布范围较大,场与金属表面的接触面积较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率较小,传播距离较长.与由两个和三个空心圆柱构成芯区的表面等离子体波导相比较,蝴蝶形中空表面等离子体波导具有良好的传输特性.如果在波导结构中心填充增益介质,可以克服较大的传播损耗,因此这种蝴蝶形中空表面等离子体波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域.     

Ag-Na离子交换玻璃波导的折射率分布研究

用Ag-Na离子交换技术制备了玻璃平面波导.通过棱镜耦合技术测量了波导的模折射率,用反WKB方法拟合得到了平面波导的折射率分布为高斯分布.发现Ag-Na离子交换的扩散系数与交换时间有关,并且随着交换时间的增加而减小.使用随离子浓度变化的扩散系数求解扩散方程得到了玻璃内部Ag离子浓度分布,并通过SEM谱证实了求解的正确性;使用一次多项式模拟的方法求解折射率变化与Ag离子浓度变化之间的关系,得到了平面波导的折射率分布.与反WKB法只能获得多模离子交换平面波导的折射率分布相比,这种方法可以得到任意扩散时间下折射率变化与Ag离子浓度,可以获得单模平面波导的折射率分布.     

非中心对称介质构成的光波导中的孤子传输

众所周知,由非线性Schr?dinger方程描述的光学孤子可以在光纤(由中心对称介质构成的光波导)中稳定传输。本文在理论上证明,在强色散的条件下,非中心对称介质构成的光波导中(比如薄膜波导,晶体光纤等),同样可传输这种光学孤子。由于定义了等效折射率系数,本文的结果还可用来讨论此类波导中与非线性折射率相关的其他非线性光学效应,比如自相位调制效应等。 关键词：     

有限元法求解任意折射率分布光纤模场分布

 应用有限元方法求解了任意径向非均匀折射率分布园柱对称介质波导中纵向场耦合波动方程定解问题所对应的变分问题,该方法不受弱导或高斯模场分布等限制,可方便地求解光纤中介质波导的模场分布。用此方法研究了带阶跃环的三角型分段折射率分布光纤中归一化模场半径与芯层传输功率比值随光纤不同结构参数的变化规律。     

基于离子交换条波导的生物溶液浓度传感研究

提出并实施了一种实验推定离子交换单模条波导折射率分布的新方法,给出扩散系数可用常量等效的离子交换条件,导出了条波导离子交换制备过程的两维扩散方程的一般解,拟合推定了离子交换条波导的折射率分布.多波长测试的折射率色散通过引入玻璃色散关系解决,样品测试中表征导模吸收损耗的传播常量虚部由KK变换确定.在此基础上,试制了光纤-条波导-光纤一体化传感器结构,验证实测了多种不同浓度的葡萄糖溶液,最低检测限为0.1 μM,实现了低浓度微量测试,验证了条波导传感机制的有效性.     

拉锥光纤中光传输模场的矢量分析

采用二维矢量时域有限差分法(FDTD),考虑了拉锥光纤芯层的折射率分布和光纤芯层直径等参数,详细分析了拉锥光纤的锥度、拉锥后纳米光纤半径等对拉锥光纤中光波模场分布和传输特性的影响。计算结果表明,单模光纤芯层的折射率分布函数对光纤中光传输模场分布影响较小;拉锥光纤锥度越大光波的能量损耗越大;当拉锥后纳米光纤半径逐渐变小时,纳米光纤的光传输模场中心光强先逐渐增强然后又逐渐减小。     

带有增益介质层的混合脊状等离子体波导的传输特性

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导,其结构中的介质层部分包含两个区域:前区为单一介质,后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性,得到了TM模下的电场分布图,并对输出功率以及传输损耗与结构参数和介质折射率的变化规律进行了讨论。结果表明,在波导中引入的增益介质材料磷化铟后其损耗达到-6 dB/μm。此种波导结构对于光集成芯片的研究与制作具有重要意义。     

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     

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1,相关系数为0.93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0.96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。     

The fabrication of polymer-based evanescent optical waveguide for biosensing

A polymer waveguide was fabricated to amplify the evanescent optical field for biosensing. The structure of waveguide was designed to propagate a normal single mode at the input and output regions for low loss beam coupling and propagation. A sensing region was formed in the middle of the waveguide to activate the evanescent mode and to induce high birefringence by depositing a thin dielectric film with a high refractive index on a single mode waveguide. A polymer waveguide with the dimensions of 7 μm-width and 2.5 μm-thickness was fabricated by photolithography and dry-etching. The active region of the TiO₂ thin film was fabricated with the dimensions of 20 mm-length, 20 nm-thickness and 2 mm-tapered tail. A polarimetric interference technique was used to evaluate the evanescent waveguide biosensor, and biomaterial such as glycerol was tested. The sensitivity of the sensor increased with increasing TiO₂ film thickness. For the fabricated waveguide with a 20 nm-thick TiO₂ film, the measured index change to the lead phase variation of 2π was 1.8 × 10⁻⁴.     

Liquid refractive index sensor based on slow light in slotted photonic crystal waveguide

A high sensitive and compact refractive index sensor based on slotted photonic crystal waveguide (S-PhCW) is demonstrated. This design is worked on a Mach–Zehnder interferometer (MZI) configuration with S-PhCW as the measuring arm, which can be used to detect any changes in refractive index that correspond to different concentration of the measuring liquid. Combining the slow light enhancement in photonic crystal waveguide (PhCW) with the advantage of excellent optical confinement in slot waveguide, the sensitivity of this simple scheme can reach to 2.3 × 10⁹ nm/RIU with the active region of only 1 mm long.     

Fabrication of defocus graded-index optical waveguide for evanescent wave optical amplifier

This is the first report on an evanescent wave optical amplifier with a plastic waveguide that can amplify a CW signal transmitted by a plastic optical fiber. The waveguide with a concave refractive index distribution was fabricated by an interfacial-gel polymerization technique. Since the waveguide increases the number of reflections at the boundary surface of the waveguide and the laser dye solution, the enhancement of amplification efficiency can be realized. The function of the fabricated waveguide was confirmed by calculations and experiments. The obtained results indicate that the fabricated fiber generated a larger evanescent field than the waveguide without a refractive index distribution.