硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件

总结并展望了硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件方面的理论和实验研究工作。首先介绍了几种硅基混合表面等离子体纳米光波导结构,其尺寸可小至100 nm以下,而传播长度达100μm量级;其次介绍了基于硅基混合表面等离子体纳米光波导的功分器、偏振分束器和谐振器等集成器件,其尺寸为亚微米量级;最后探讨了硅基混合表面等离子体纳米光波导与硅纳米线光波导的耦合及对其进行增益补偿。     

基于波导耦合天线阵列的SERS光谱研究

在亚波长尺度操纵光从而获得强局域电磁场是表面增强拉曼散射(SERS)研究中人们关注的重要问题。本研究分别探讨激发和发射过程对SERS增强的放大效应。以波导结构捕获入射光,在波导表面产生增强的消逝场作为激发过程,并以金属天线阵列的局域等离激元耦合发射过程。讨论了波导耦合尖锐锥状天线阵列结构的局域增强效果,该结构对4-巯基苯硼酸(4-MBA)的检测限可以达到1.0×10~(-10) mol·L~(-1)。这种波导耦合天线阵列的结构可用于检测几百纳米甚至微米尺寸的生物大分子。     

三个非平行波导间的耦合

提出一种分析非平行波导的简明方法…耦合系数推广法,把非平行波导几何图形的变化直接转化成波导耦合系数中波导间距的变化．即对耦合系数进行了巧妙的推广．把波导间距的变化以指数的形式潜人到耦合微分方程中,建立了非平行三波导系统的耦合方程。这些耦合方程包含了非平行波导传输的全部信息,即非平行波导输出光的振幅和相位,非平行传输波导的长度及其夹角．非平行波导输人端口的间距,能量转换与波导参量的关系等。对这些微分方程作巧妙的数学变换,得到非平行三波导耦合系统输出光的完整分析解,分析和讨论了对称和不对称输人初始条件下三个非平行波导的耦合情况。由此可以优化非平行波导的设计参量。     

掺半导体玻璃波导光栅耦合高速全光开关

非线性光学器件的主要应用目的之一是全光信号处理,非线性光波导象其它非线性光学器件一样,也已被广泛地应用于全光信号处理方面的研究,如人们已采用棱镜波导非线性分布耦合方式来实现全光限幅、全光开关和全光双稳等研究[1,2].在非线性光波导器件中,由于光被束缚在微米尺寸的光波导中传输,而大大增加了光功率密度,因此,在光与非线性光波导的相互作用过程中可以大幅度地降低非线性效应的阈值功率,提高全光信号处理的灵敏度.此外,非线性光波导器件的小型化、集成化等优点更吸引人们去进行深入的研究.     

多波导阵列耦合研究

提出了一种求解波导阵列耦合特性的方法.采用拉普拉斯变换,将同时考虑相邻和次相邻波导耦合作用的波导阵列耦合模方程组变为一个线性方程组,利用矩阵的LU分解法(将系数矩阵分解为单位下三角阵L与上三角阵U的乘积)求出该线性方程组的解.然后根据给定的初始条件进行拉普拉斯变换反演,求出耦合模方程组的解.采用该方法研究了五波导阵列,光从中间一个波导入射和从五个波导入射时的耦合特性,给出了每个波导中光功率变化规律曲线,并将所得结果与同样条件下仅考虑相邻波导耦合的结果做了比较.采用该方法可以求出任意数目波导组成的阵列,考虑任意波导之间耦合的耦合模方程组的解.     

基于弱耦合模理论的空间多波导耦合特性研究

不在同一平面的空间多波导中光耦合发生在横截面两个方向,利用空间多波导可以方便、有效地实现不同层间器件的互连。将平面波导耦合模理论推广到空间多波导之间的耦合,在弱导引条件下给出了空间多波导的耦合方程。利用该耦合方程对三维集成光学器件中常见的空间三波导和空间四波导的耦合特性进行分析,得出光强分布及耦合长度的解析表达式,并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果。分析结果表明利用空间多波导可以实现水平和垂直两个方向上的均匀或非均匀分束,为利用空间多波导之间相互耦合的三维定向耦合器件的设计和分析提供理论基础。     

太赫兹金属线波导耦合模理论研究(英文)

基于耦合模假设,研究了描述两太赫兹金属线波导之间耦合特性的耦合模理论.通过采用与光波导耦合模理论等价的近似,研究得到了耦合方程和耦合系数表达式.进而,研究得到了两个相同金属线波导的耦合方程解及耦合特性.所提出的理论对于描述两金属线波导之间的能量传递具有重要的意义.     

星形光波导耦合器的耦合特性分析

根据TE0模光波导的本征场分布、瑞利索末菲标量衍射积分公式和激励源与光波导耦合的匹配效率公式,给出光波导端面衍射和耦合的归一化发射系数和接收系数计算公式,推导出光波导端面非接触耦合的耦合效率计算公式。光波导模场分布采用高斯函数近似表达,给出简洁的计算光波导端面非接触耦合的耦合效率函数表达式。最后,基于星形光波导耦合器结构参量的特点,将累加运算采用积分运算近似表达,给出星形光波导耦合器接收光波导总的接收效率与耦合器基本参量的关系,阐明了星形光波导耦合器的耦合特性。     

THz波段渐变波导中的多模传输特性

 根据耦合波理论,推导出轴对称渐变波导中, 考虑波导壁损耗时的多模传输时域耦合波方程组,并给出该方程组中各模式间耦合系数的具体表达式。据此编写了渐变波导中多模传输特性数值模拟程序。利用该程序计算了在THz波段圆波导中的模式衰减,在THz波段研究波导中的多模传输特性时,必须考虑波导壁的阻抗损耗影响。数值分析了直波导中的模式耦合问题,从而证实了波导壁有限电导率能产生模式耦合这一耦合机制。介绍了利用该程序数值分析波导耦合器和过渡器中多模传输特性的两个例子,利用该程序可对波导耦合器和过渡器中的多模传输特性进行数值模拟分析,进而对结构进行设计和优化。     

二维光子晶体平行多波导的传输光谱研究

采用时域有限差分法研究二维光子晶体两平行直波导以及三平行直波导的传输特性。计算结果表明,两平行波导在不同的频率范围内表现出不同的耦合特性：在高频段两波导表现出相互的能量交换,实现光耦合,而在低频段传输谱图重合,各波导传输光强均为入射光强的二分之一;对于三波导系统,发现在不同的频率范围内主波导与两耦合波导之间也表现出不同的耦合特性：在高频段两耦合波导与主波导实现光耦合,而在低频段两耦合波导与主波导的传输谱图同步变化,耦合波导的传输光强均约为入射光强的四分之一。     

集成光学波导光栅研究进展

报道了20世纪80年代以来,研究组在集成光学波导光栅研究领域的主要工作及研究成果。其中包括集成光学波导光栅的制备研究;若干非线性波导光栅器件研究;高效体相位全息布拉格光栅-光导板的耦合互连;单片集成波导光栅波分复用等。这些研究工作为光通信、光计算、光传感和光学信息处理等应用领域提供小型化、低功耗、超快速全光型器件奠定了技术基础。     

All-Optical Bistability in Grating Coupling to Nonlinear Waveguide

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＮｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｕｐｌｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｐｒｉｓｍｔｏｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｌａｎａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅｈａｓｂｅｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｌｉ...     

Design for broadband high-efficiency grating couplers

In this Letter, we propose general optimization methods to design broadband high-efficiency grating couplers for planar waveguides. We attribute the coupling bandwidth to the mismatch of effective indices between the diffracted beam and the actual grating structure around the operation wavelength for fiber to waveguide excitation. The coupling bandwidth formula is deduced. A simple parameter-separate optimization procedure is proposed for general layered grating couplers for high coupling efficiency. Using our principle, we optimized a grating coupler for a horizontal slot waveguide operating at wavelength 1.55 μm for TM polarization. The grating coupler has 1 dB bandwidth of 60 nm and coupling efficiency of 65% with incident light from single-mode optical fiber (SMF) at 8°.     

Using a micro-molding process to fabricate polymeric wavelength filters

A procedure for fabricating a high aspect ratio periodic structure on a UV polymer at submicron order using holographic interferometry and molding processes is described. First, holographic interferometry using a He–Cd (325 nm) laser was used to create the master of the periodic line structure on an i-line sub-micron positive photoresist film. A 20 nm nickel thin film was then sputtered on the photoresist. The final line pattern on a UV polymer was obtained from casting against the master mold. Finally, a SU8 polymer was spun on the polymer grating to form a planar waveguide or a channel waveguide. The measurement results show that the waveguide length could be reduced for the waveguide having gratings with a high aspect ratio.     

棱镜-漏波导耦合器的理论分析

根据多光束干涉原理,理论上分析了棱镜-漏波导耦合器,且与棱镜-波导耦合器作了比较,给出正确使用这两种耦合器的判据.分析结果表明,在强耦合条件下,棱镜-漏波导耦合器可用于薄膜参数测量和光波导输入-输出耦合;对于弱耦合,本文的结果与Tien和Ulrich的理论一致.     

薄膜光栅耦合器的研究

在玻璃衬底上制备了周期为0.56μm的薄膜光栅耦合器,用复制法把光栅做在玻璃衬底上。实验中,我们观察到,激光束既可以从光栅的上面(空气区)或下面(衬底区)耦合于波导薄膜内,又可以通过光栅由波导薄膜中耦合出来。调节激光束入射角可以激发不同阶的波导模式。由实验测得的输入耦合效率达66.0±0.5％。 关键词：     

TE0导模干涉刻写周期可调亚波长光栅理论研究

通过棱镜耦合激发非对称金属包覆介质波导结构中的TE₀导波模式, 利用两束TE₀模的干涉从理论上实现了周期可调的亚波长光栅刻写. 分析了TE₀模式的色散关系, 刻写亚波长光栅的周期与激发光源、棱镜折射率、光刻胶薄膜厚度及折射率之间的关系. 用有限元方法数值模拟了金属薄膜、光刻胶薄膜和空气多层结构中TE₀导模的干涉场分布. 研究发现, 激发光源波长越短, TE₀ 模干涉刻写的亚波长光栅周期越小; 光刻胶越厚, 刻写的亚波长光栅周期越小; 高折射率光刻胶有利于更小周期亚波长光栅的刻写. 相较于表面等离子体干涉光刻, 基于TE₀ 模的干涉可在厚光刻胶条件下通过改变激发光源、棱镜折射率、光刻胶材料折射率、特别是光刻胶薄膜的厚度等多种方式实现对亚波长光栅周期的有效调控.     

Fiber grating couplers for silicon nanophotonic circuits: Design modeling methodology and fabrication tolerances

Silicon nanophotonic circuits can exhibit a very high level of functional integration due to the very small cross sections of the silicon waveguides. However, to be implemented in data transmission networks, such circuits still must be interfaced with optical fibers having much larger dimensions. Due to this mismatch in size, a coupling structure is required in order to minimize the coupling loss. Diffraction grating coupler structures are one of the best candidates to perform this mode size conversion with good performances. However, they are also very sensitive to fabrication tolerances that may require an adaptation of the coupling conditions. In this paper, we present an iterative numerical method to optimize the design of a grating coupler by analyzing the out coupled beam from the waveguide towards the fiber. Using this method we show in details the sensitivity of the grating couplers to the principal fabrication variabilities in order to maximize the robustness of the design. A grating with 53% fiber to waveguide coupling efficiency is designed. Considering the dispersion of the modern CMOS fabrication processing, it appears that the optimal fiber coupling ratio remains rather constant but the optimal coupling angle at a given wavelength may vary by as much as ±10°.     

Directly laser-written integrated photonics devices including diffractive optical elements

Femtosecond laser-written integrated devices involving Fresnel Zone Plates (FZPs) and waveguide arrays are demonstrated as built-in optical couplers. These structures were fabricated in borosilicate glass using a direct laser writing technique. The optical properties of these integrated photonic structures were investigated using CW lasers and high-resolution CCDs. For a single FZP coupled to a single waveguide, the overall coupling efficiency was 9%. A multiplexed optical coupler composed of three FZP layers was demonstrated to couple three waveguides simultaneously in a waveguide array. Structures of this type can be used as platforms for multichannel waveguide coupling elements or as microfluidic sensors that require higher light collecting efficiency.