光学腔的共振线型

光学腔借助其特殊的共振线型,成为激光、精密检测、光传感、光开关等技术中尤为重要的光波器件。对已报道的光学腔中几种不同共振线型(洛伦兹型尖峰、洛伦兹型凹谷、不对称Fano型等)进行评述,并分析形成机制。最后,以硅基微环腔为例,提出调控这些共振线型的方法和相关器件结构。     

槽型相移布拉格光栅微环谐振器及其传感特性

为实现高灵敏度及高品质因数的折射率传感特性,设计了一种基于槽型相移布拉格光栅的微环谐振器结构。该结构由槽型直波导内嵌相移布拉格光栅耦合单实波导微环构成。结构中离散态光模式与连续态光模式相互干涉产生了Fano共振。利用传输矩阵法量化谐振器中各部分的光场分布,分析系统的传输原理。采用时域有限差分法对提出的器件结构进行仿真模拟,并对结构物理参数进行优化。模拟结果表明该结构的品质因数达到25 729,比传统微环谐振器提高了3倍以上,消光比为18.65 dB,高出传统微环谐振器6.46 dB,折射率灵敏度达到122 nm/RIU,且该谐振器结构简单。所提出的结构在传感应用中具有一定的优势。     

基于新型三环谐振器的诱导透明效应分析

针对谐振式微腔的应用需求, 提出了一种新型三环谐振式微腔结构, 类似于原子系统中的电磁诱导透明, 耦合诱导透明(CRIT)效应在一个新的光学微腔系统中已被实验证明. 该结构在硅基上由三个尺寸完全一样的微环腔组成, 通过理论分析、制备和实验测试, 能够观察到CRIT现象, 其频谱具有低群速的狭窄透明峰, 与光栅耦合器的耦合效率为34%, 并且谐振器的品质因数达到了0.65×10⁵, 同时, 失谐的谐振波长可以通过温度变化来控制, 这在旋转传感、光滤波器、光存储器等方面的应用有重要意义.     

共轴环光子晶体的缺陷微腔特性

 采用数值计算方法,模拟了共轴环光子晶体缺陷微腔的谐振模式场分布,计算了此微腔的品质因数和功率损耗,并分析其几何参数对谐振特性的影响。以此缺陷微腔为基础构建周期性慢波系统,讨论了该系统的色散特性。结果表明,微腔中能够存在单一的谐振模式,微腔的纵向长度和介质环介电常数对谐振特性影响较大。所构建的慢波系统有较宽的慢波频域,且慢波比曲线较为平坦。增大电子注开孔半径和减小周期长度对于提高工作频率及增加带宽较为有效。     

微腔中CdSe量子点荧光增强效应

文章主要研究了CdSe量子点微腔结构,微腔结构包括上下分布式布拉格反射镜(DBR),中间的有源层为溶解在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的CdSe胶体量子点.采用传递矩阵法模拟微腔的反射光谱,对实验测试曲线进行较好的拟合.通过测试微腔结构的光致荧光(PL)光谱,其半峰宽(FWHM)由未加入微腔的CdSe量子点样品的27.9 nm,减小到微腔结构的7.5 nm,在微腔中的量子点,由于腔模式的出现,其发光谱的品质因数增加了3.6倍,达到了荧光增强的效果. 关键词： CdSe量子点 微腔效应 荧光增强     

基于六角格子光子晶体波导的高效全光二极管设计

提出了一种基于六角格子光子晶体波导微腔和Fabry-Perot(FP)腔非对称耦合的全光二极管结构, 它由一个包含非线性Kerr介质的高Q值微腔与一个光子晶体波导中的FP腔组成. 通过有限时域差分方法对其传输特性进行了仿真, 发现通过两腔的非对称耦合可以实现在特定光强度下的正向传输、反向截止的功能. 在靠近微腔方向光入射时, 特定强度的光可以激发非线性微腔的Kerr效应, 改变了Fano腔的共振频率, 从而变成透射状态. 而远离微腔方向光入射, 由于这个不对称的结构造成场局域的分布不对称, 激发微腔Kerr效应的光强还不够, 所以光不能透射. 所设计的全光二极管结构具有良好的性能参数: 最大透射率高和高透射比、光强阈值低和易于集成等.     

基于非对称结构全介质超材料的类电磁诱导透明效应研究

本文设计了一种非对称结构的类电磁诱导透明超材料结构,利用时域有限差分方法对其光学特性和类EIT效应进行了仿真分析,建立了其耦合洛伦兹模型,并对所设计超材料结构的类EIT效应进行了模拟分析.结果表明:利用两个长短不同的硅块明模和明模之间的耦合,在1555 nm附近实现了类电磁诱导透明效应;通过对该超材料的微结构参数进行优化,实现了超高Q值(Q约为8616)的类EIT效应,透射率可达96%;通过调节硅块的长度以破坏超材料结构的非对称性,实现了对类电磁诱导透明窗口的主动调控.所设计的全介质超材料结构具有低损耗、易制备、主动可调控等优点,在主动可调控的慢光器件、高灵敏的光学传感器、窄带滤波器等光学器件的设计中具有潜在的应用价值.     

水下光纤纳秒激光推进的短微腔结构性能研究

针对水下光纤激光推进中存在的冲量耦合系数小、效果发散的问题,提出了用于提升水下光纤激光推进性能的短微腔结构。文中利用Fluent对添加微腔后水下光纤激光推进的结果进行了数值模拟,分析了矩形微腔结构的直径和长度对推进的影响,并在矩形微腔基础上提出U形微腔、双管微腔及含有阻塞结构的微腔。通过仿真得到了不同微腔对推力和冲量耦合系数的增大效果,证明了添加微腔可使水下光纤激光推进的冲量耦合系数得到103数量级的增大,并通过对比得出4种微腔结构中,双管微腔的结构形态对激光推进的性能提升影响最大,提升效果最好。     

新型大气压微波等离子体炬的仿真研究

 设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。入射主频为2 450 MHz,基于HFSS软件对其进行了仿真研究。在仿真过程中,对该结构的各个参数进行了优化,并得出对场强分布的影响规律。结果表明,探针的使用对腔内场分布有很大影响。根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟,在等离子体发生腔产生了高幅值的电场强度,品质因数达到2×10⁴,可以在大气压下激发等离子体。     

微环芯腔与锥形纳米光纤耦合过程的实验研究

在实验上研究了共振于铯原子跃迁线附近的微环芯腔与锥形纳米光纤的耦合特性。通过精密控制微环芯腔与锥形纳米光纤的相对位置,实现了两者的欠耦合、临界耦合和过耦合的精确控制。当微环芯腔与锥形纳米光纤间距为0.6μm时,系统达到临界耦合,透射率为0.3%±0.3%,耦合效率为99.7%±0.3%。由微环芯腔透射光谱得到微环芯腔的自由光谱区为1067±5GHz,等效腔长为223±1μm,线宽为2.9±0.1GHz,本征品质因数为(6.2±0.6)×10~4。随着微环芯腔与锥形纳米光纤间距的减小,微环芯腔的线宽逐渐增大,共振频率发生红移,频率移动为19.2±0.1GHz。该研究找到了有效控制微环芯腔与锥形纳米光纤耦合状态的方法,为下一步实现微环芯腔与原子间强耦合奠定了实验基础。同时该研究加深了人们对微环芯腔不同耦合状态的认识,为研究欠耦合和过耦合状态提供了实验基础。     

双Loop-Stub侧边耦合波导结构多重等离激元诱导透明效应的数值分析

研究同侧、异侧和反对称双loop-stub(LS)谐振腔侧边耦合波导结构中的多重类电磁诱导透明效应,并利用有限元方法分别对这三种结构的光学透射特性进行数值模拟。结果表明,这三种结构的透射谱、磁场分布和色散强烈地依赖结构参数。着重讨论双LS谐振腔相邻两个stub腔的距离或两个水平分支的距离对透射特性的影响。随着距离的减小,两个LS腔之间的耦合增强,出现多个透射峰和透射谷(即阻带),多重类电磁诱导透明效应显著。此外,讨论了同侧双LS腔波导结构相邻两个stub腔的距离为零时,竖直分支宽度、水平分支宽度、总水平分支长度等参数对透射谱的影响。侧边耦合金属纳米波导结构在未来的集成光学有潜在的应用价值,如滤波器、传感器和慢光装置等。     

一种基于金刚石多层波导结构微环谐振器的仿真分析

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO_2和As_2S_3,即As_2S_3-SiO_2-金刚石-SiO_2-As_2S_3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环谐振理论,利用Comsol软件仿真模拟了单直波导纵切面、直波导和环形波导耦合区的纵切面以及微环在谐振波长为1543 nm时的场强分布,及直波导和环形波导耦合区间距改变时微环的场强分布和传输特性.在此基础上,依据传输矩阵法讨论了微环的品质因数、耦合系数变化对输出光谱的影响,并对微环损耗进行了讨论.结果表明:以金刚石为芯层的微环谐振器具有良好的光学特性,本结构在谐振波长为1543 nm时谐振峰值达到了-12 dB以上,品质因数达到了1.54×10~5,在耦合系数为0.01时,自由光谱范围约为40 nm.     

基于表面等离子双矩形腔结构的可调微流控类EIT系统的研究

本文提出一种基于双矩形腔结构的表面等离子体类电磁诱导透明(PIT)系统,通过微流控系统来实现一种可操控的类电磁诱导透明效应。文中通过耦合模理论来对整个系统结构进行分析,并利用二维时域有限差分方法(FDTD)对该类电磁诱导透明效应系统进行数值模拟,模拟所得结果与理论分析相吻合。该系统可动态调节类电磁诱导透明效应的透射窗口中心波长及透射率、品质因子Q、慢光速度等,具有调节精确、调节范围大的优点。     

宏-微脉冲激光激发钠信标回波光子数的数值计算与探讨

当采用低功率的宏-微脉冲激光激发钠信标时, 尽管激光传输和钠信标光斑大小受到大气湍流影响, 但是钠信标具有回波光子数无起伏且激发品质因数高的优点. 除此之外, 宏-微脉冲激光激发钠信标还与激光的宏脉冲线型有关. 对于高斯线型的宏脉冲, 增大微脉冲的宽度有利于提高激发钠信标的品质因数和激发态概率. 为了获得更多的钠信标回波光子和较小的钠信标半径, 增大激光功率的同时要考虑良好的光束质量、适当的激光发射口径以及光谱宽度等影响因素. 因此, 优选宏-微脉冲激光的参数、发射口径、发射方式等对于激发优良特性的钠信标有着重要的现实意义.     

氩气微腔放电中特性参数的数值模拟研究

本文采用二维自洽完全流体模型,针对阳极为通孔的高气压微腔放电结构,研究了微腔放电的参数特性.数值计算得到了氩气压强为100 Torr,放电稳态时的电势分布、电子数密度分布和电子温度分布等重要参数.模拟结果表明放电区存在显著的阴极鞘层结构,电子数密度的峰值达到10²⁰ m^-3,电子温度的量级为几个eV至十几eV,该结论与实验结果相一致.数值模拟合理的解释了微腔放电的基本原理. 关键词： 微腔放电 等离子体模拟 流体模型     

超高Q值mm级晶体回音壁微腔加工

回音壁微腔具有超高Q值和极小的模式体积,在微波光子系统、非线性光学和量子光学等领域中具有广阔的应用前景。通过分析mm级氟化镁(MgF₂)晶体回音壁微腔的损耗因素,确认了影响回音壁微腔品质因数的主要指标为材料等级和表面粗糙度。设计了mm级MgF₂晶体回音壁微腔的结构形式,使用DUV级MgF₂晶体,如果回音壁微腔表面粗糙度小于0.7 nm,则MgF₂晶体回音壁微腔的极限损耗理论计算值为4.781×10^-11,对应的极限Q值为2.09×10¹⁰。通过对MgF₂晶体回音壁微腔进行粗成型、精密车削、精密抛光,实现了高品质因数的微腔制造。测试结果表明,回音壁微腔的表面粗糙度Ra值为0.669 nm、微观形貌PV值为6.767 nm、品质因数为2.054×10⁹@1 550 nm。     

表面等离子体激元在涂覆石墨烯的领结型纳米线光波导中的传输特性研究

本文设计并研究了一种关于介质板对称的涂覆石墨烯的领结型纳米线波导结构,利用有限元法(FEM)对波导所支持的表面等离子体激元的传输特性进行研究。通过调整结构的几何参数和电磁参数研究了表面等离激元模式的有效折射率、模式传播长度、归一化模式面积、品质因数以及模式的场分布特性。研究发现,该结构对电磁场模式具有良好的模式束缚特性,传播长度大于2μm,归一化的模式面积接近10-5的量级,并且具有较高的品质因数。这种结构在未来微纳光电器件领域实现超紧密光学集成中具有潜在的应用前景。     

类电磁诱导透明效应在硅基微环谐振腔中的实现与优化

为在硅基光波导上实现类电磁诱导透明效应,设计并加工了基于绝缘体上硅的串联双环结构.通过300℃到1 200℃热氧化退火、缓冲刻蚀液湿法腐蚀以及1 000℃高温氮气退火等波导结构的后期处理,利用垂直光栅耦合的方式输入及输出信号,观测到了类电磁诱导透明效应.分析了两环间不同间距对类电磁诱导透明效应的影响,结果表明:工艺中单环Q值达到5.1×104,类电磁诱导透明效应透明峰的带宽约为500MHz.     

相变材料辅助的光子卷积神经网络加速器

由于卷积神经网络(CNN)识别精度与人类接近，故其在计算机视觉、图像和语音处理等方面取得了巨大的成功，但这种成功离不开硬件加速器的支撑。受到电子器件功率与速率的限制，当前的电加速器难以满足未来大规模卷积运算对硬件算力和能耗的需求。作为一种替代方案，提出了一种低能耗存算一体光子CNN加速器结构。该结构采用微环谐振器和非易失性相变材料Ge₂Sb₂Te₅构成无源光学矩阵乘法器来实现存内计算，从而减小了权重数据读取的能耗。利用Ansys Lumerical仿真平台验证了10 Gb/s与20 Gb/s速率下4×4规模的光学矩阵乘法的运算。与传统的基于电光微环谐振器的光子CNN加速器数字电子与模拟光子(DEAP)相比，所提加速器结构在保持原运算速率的情况下减少了48.75%的功耗，并且在矩阵运算处的面积能够减少49.75%。此外，基于MNIST与notMNIST数据集对所提加速器的推理效果进行了仿真验证，识别精度分别为97.80%和92.45%。     

一种新型光学微腔的理论分析

应用波动光学理论,分析了一种新型锥顶柱状光学微腔的本征模式,得到了谐振腔的谐振波长表达式.在谐振波长1550 nm附近进行了设计与仿真优化,优化结果显示新型谐振腔与传统平行腔相比,在腔长为4512.5 nm,直径为3134.4 nm时,其品质因数可以提高22.4%,达到了49928.5,同时谐振腔的有效模式体积减小了47.8%.