制备波导光栅的相位掩膜技术

制备波导光栅的相位掩膜技术＊马少杰李燕徐迈林久令（中国科学院长春物理研究所，长春１３００２１）（中国科学院激发态物理开放研究实验室，长春１３００２１）关键词光波导，光栅耦合器，全息光栅自从７０年Ｄａｋｓｓ等人首次报道了集成光波导光栅器件以来［１］，波...     

在一种新的聚合物材料上刻写正弦相位波导光栅及其特性研究

用双光束干涉法在一种新的聚合物材料IAC-4上刻写正弦相位型光栅,实现了光栅耦合光波导,并研究了该光波导对不同偏振态的入射光的传播特性,对光栅的形成进行了理论分析,对光波导的传播常数进行了数值计算,并对该波导光栅在导光的光强调制和方向控制及其在集成光学方面的应用进行了讨论,最后对任意入射角的光栅方程进行了理论探讨. 关键词： 波导光栅 有机聚合物 平板光波导 集成光学     

快速可调谐电光聚合物波导光栅

提出并设计了快速可调谐电光聚合物波导光栅.该波导光栅通过极化聚合物的线性电光效应 可实现谐振波长的纳秒级快速调谐，调谐灵敏度为61pm/V.研究了该波导光栅的反射谱和透 射谱特性与光栅周期,周期数,折射率调制函数及其调制大小的关系.讨论了波导光栅的材料 选择,制备工艺,快速可调谐性和偏振相关性.该波导光栅不仅克服了光纤光栅调谐速度慢和不利于大规模集成的不足，而且具有调谐灵敏度高,制备工艺与半导体工艺兼容和偏振无关 等优点. 关键词： 光通信器件 光波导 电光效应 聚合物 波导光栅 光纤光栅     

基于选区外延技术的单片集成阵列波导光栅与单载流子探测器的端对接设计

选区外延技术是实现有源与无源光器件单片集成的一种有效的工艺手段,但同时对两种器件在异质生长界面处的对接结构提出了更高的设计要求.本文通过选区外延技术实现了InP基O波段4通道阵列波导光栅与单载流子探测器的单片集成.通过光学仿真重点研究了选区外延后界面处形貌对无源波导结构与有源光探测器间光耦合效率的影响,包括伸长的光学匹配层、二次外延生长边界位置、波导刻蚀边界位置等因素.研究结果表明,在保证二次外延生长边界对准异质对接界面时,将光学匹配层伸出探测器前端10μm并与外延边界无缝对接既可以保证高效的光传输效率(或探测器量子效率),又可以避免外延界面处的异常生长对器件制备工艺的影响,保证生长工艺与器件制备工艺的兼容性.成功制备的单片集成芯片具有高达76%的探测器量子效率,证明了对接方案的有效性.同时,集成芯片的低串扰(-22 dB)与解复用特性展示出其作为解复用光接收芯片具有巨大潜力.     

基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调技术综述

基于阵列波导光栅的光子集成解调技术是硅光领域的研究热点和难点.相比传统解调方法,基于阵列波导光栅的光子集成解调技术因其解调精度高、解调速度快、封装体积小等优势,在光纤布拉格光栅的高速、高精度解调上具有明显优势.近年来,随着光子集成技术的发展,各科研院所和相关机构对阵列波导光栅的光子集成解调法进行了广泛深入的研究与优化.本文通过介绍阵列波导光栅工作原理及基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅波长解调原理,结合基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调仪在材料体系和系统性能两个方面的重要进展,归纳了基于阵列波导光栅的解调仪的典型应用场景,从新材料、系统集成和规模化三方面对光纤布拉格光栅解调系统的未来发展提出针对性建议,为基于阵列波导光栅的光子集成解调技术的研究发展提供参考.     

短程透镜-光栅型集成波分复用器

制备了一种短程透镜——光栅型集成光学波分复用器。本文简述了波分复用器的原理和制备工艺,描述了其中的关键元件光波导光栅和光波导透镜的设计及特性测量,给出了波分特性的实验结果.     

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.     

集成光学平板光盘读出头研制

采用集成光学方法,将非球面消球差双凸波导透镜、双光栅会聚光波导透镜、光波导转向棱镜单片集成在铌酸锂基底上构成光学平板光盘读出头.集成光学平板光盘读出头克服了微透镜光盘读出头体积大、组装复杂的不足,实现了光盘读出头的集成化,提高了系统的可靠性.光斑理论值0.475 μm,实测值0.67 μm.     

基于铌酸锂薄膜波导的电光调谐光栅辅助定向耦合器研究

提出并实验研究了一种基于铌酸锂薄膜光波导的电光调谐的光栅辅助定向耦合器。该耦合器由单模与双模脊形波导及制作于双模波导侧壁的长周期光栅构成。长周期光栅的引入补偿了单模与双模波导中基模的相位失配,可在共振波长实现两波导中基模的高效耦合。进一步地,在双模脊形波导两侧制作调谐电极实现了高速、低驱动电压的电光调谐功能。优化了器件的制作工艺,并采用单次干法刻蚀将耦合器的光栅与波导同步制作于X切铌酸锂薄膜上。测试结果表明所制作的器件在1 595.3 nm波长处实现了14.8 dB的隔离度,其电光调谐效率为0.38 nm/V(1 595.3 nm～1 599.0 nm),热光调谐效率为0.14 nm/℃（25℃～50℃）。该器件可用于实现可调谐滤波、滤模、电光调制及高灵敏度温度传感等功能。     

新型液晶光学相控阵的特性研究

将液晶作为平板光波导的上包层,构建了液晶光学相控阵器件.根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论与光栅衍射理论,研究分析了基于这种新型结构下液晶光学相控阵的传输特性,输出衍射特性和其它性能特性.研究结果表明,器件的传输电控相位延迟可以实现更大的光程差;阵列电极周期数目、电极宽度、电极间隔宽度等结构参量对器件的输出衍射光束的光强分布和半峰值全宽度影响很大,同时光束扫描的可行性得到论证;器件的响应时间提高了一个数量级,且其色散性能获得改善.为以后研制新型液晶光学相控阵提供了理论基础与技术设计依据.     

STUDIES ON THE DYNAMICS OF OPTICAL BISTABILITY SWITCHING IN THE INTERNAL FABRY-PEROT CAVITY WITH A CdSxSe1-x-DOPED GLASS CHANNEL WAVEGUIDE

We report the optical bistability in CdS_xSe_1-x-doped glass channel waveguide with rise and fall times of about 24 and 30ps, respectively, in bistable switching by means of fiber coupling input with a power of about 3mW. The third-order nonlinear susceptibility (x⁽³⁾) of CdS_xSe_1-x-doped glass is estimated experimentally to be 1.8×10^-9 esu. The high speed switching and the value of x⁽¹⁾ show that the optical bistability is caused by an optical nonlinearity which can be attributed to the band-filling effect.     

非线性一维光子晶体波导光双稳

利用非线性折射率系数较大且非线性时间响应较快的CdS_xSe_1-x玻璃为材料,设计并制备了非线性一维光子晶体波导光双稳器件,该器件的折射率空间分布呈正弦形式。实验测得双稳开关的阈值功率密度为1.60×10⁵W/cm²,开关时间为63ps。采用时域有限差分方法讨论了光子晶体带隙随入射光强变化而移动的情况,随着入射光功率密度的增加,光子晶体的带隙中心向短波方向移动。同时计算了该器件的双稳特性,理论计算得到双稳开关的阈值功率密度为1.40×10⁵W/cm²,开关时间约为50ps。获得了理论与实验基本一致的结果。     

All-Optical Bistability in Grating Coupling to Nonlinear Waveguide

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＮｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｕｐｌｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｐｒｉｓｍｔｏｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｌａｎａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅｈａｓｂｅｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｌｉ...     

Determination of refractive index profiles of gradient optical waveguides by ellipsometry

Ag⁺-Na⁺ and K⁺-Na⁺ ion-exchanged optical waveguides in soda-lime glass are characterised by ellipsometry. Refractive index profiles of the waveguides are calculated from ellipsometric multiple angle of incidence data using the Newton-Kantorovitch type iterative procedure and compared with those reconstructed by inverse WKB method. It is demonstrated that such continuous profiles with relatively small index gradient (of the order of 0.1 and 0.01), extending to few micrometers in depth, can be determined by ellipsometric measurements. A good agreement is found between results obtained by ellipsometry and by the inverse WKB method at depths above 500–600 nm, while there is a difference in the subsurface region, where ellipsometry is more sensitive to the quality of the surface. The profiles obtained by the two methods are consistent if the surface thin layer is etched.     

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.     

制备工艺对掺杂NaYF4:Er3+,Yb3+发光纳米晶的聚合物光波导放大器性能的影响

制备了NaYF₄：Er³⁺,Yb³⁺纳米晶,表征了纳米晶的形貌,通过物理掺杂的方式将纳米粒子掺杂到SU-8中作为光波导放大器的芯层材料,优化了波导放大器的尺寸,利用旋涂、刻蚀等工艺,在二氧化硅衬底上制备了光波导放大器。实验中用光漂白法和湿法刻蚀两种方法制备光波导放大器,分别给出了两种方法制备的器件的结构、工艺流程、光场模拟结果,并对两种方法制备的器件的放大特性进行了测试。测试结果表明,当980 nm波长的泵浦光功率为241 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时,使用湿法刻蚀法制备的放大器得到2.7 dB的相对增益。当980 nm波长的泵浦光功率为235 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时,使用光漂白法制备的放大器得到4.5 dB的相对增益。根据以上测试结果,分析了两种工艺对器件性能的影响。     

Optical Implementation of CMOS/SEED Optoelectronic Integrated Crossbar Interconnection Network

An optical implementation of CMOS/SEED optoelectronic integrated crossbar interconnection network is reported. The CMOS/SEED smart pixel arrays with O/E light windows are used as logical controlling switch nodes. High/lower modulating ratio of the output light density is about 1.4. The light beam is supplied by a 0.85 μm semiconductor laser diode. 8×2 spot arrays formed by a computer-generated phase grating are used as the pumping light beams for CMOS/SEED light modulators. High-precision 2-D optical fiber bundle arrays are used as the I/O access devices. 16×16 optical crossbar interconnection network is realized using our experimental setup. It is easy to couple with CMOS/SEED smart pixel arrays by using 2-D optical fiber bundle arrays as the I/O access devices. Compact in comparison with other optical interconnection systems.     

Optical Implementation of CMOS/SEED Optoelectronic Integrated Crossbar Interconnection Network

１　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ａｓ“ｗｉｒｅｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ”ｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐｕｔｅｒｈａｓｓｏｍｅｓｈｏｒｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ,ｃｌｏｃｋｓｋｅｗ,ＲＣｃｏｎｓｔａｎｔ,ｌｉｍｉｔｅｄｔｉｍｅｓｐａｃｅｐｒｏｄｕｃｔ,ｃｒｏｓｓｔａｌｋ,ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｓｌｉｇｈｔｗａｖｅｈａｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅ…     

K离子掺杂增强NaErF4体系上转换发光

制备了一系列Na_1-xK_xErF₄@NaLuF₄的核壳纳米结构,核中K⁺掺杂摩尔分数变化范围为0%~8%。XRD分析结果揭示这些具有不同K掺杂浓度的纳米粒子均为β-相纳米结构。研究结果表明：随着K⁺浓度的增加,纳米结构中Er³⁺~650 nm处的红带发光强度呈现先增强后减弱的规律,当K⁺摩尔分数为4%时,Na_0.96K_0.04ErF₄@NaLuF₄纳米晶的发光强度达到最大,为未掺杂K⁺的NaErF₄@NaLuF₄纳米晶发光强度的3.7倍。其发光增强的原因在于K⁺的掺杂降低了Er³⁺微环境晶场宇称对称性,提高了Er³⁺离子⁴F_9/2→⁴I_5/2能级辐射跃迁几率,进而增强了Er³⁺的650 nm红带的上转换发光强度。     

Ionic diffusion and local hopping in copper chalcohalide glasses measured using Cu tracer and I-Mössbauer spectroscopy

For the first time, ⁶⁴Cu tracer measurements of ionic diffusion were performed for several copper-rich glass compositions in the CuI---As₂Se₃, CuI---SbI₃---As₂Se₃, CuI---PbI₂---As₂Se₃, CuI---PbI₂---SbI₃---As₂Se₃ and Cu₂Se---As₂Se₃ systems. In accordance with previous a.c. impedance results and Wagner d.c. polarization measurements, it was found that pure Cu⁺ ion-conducting glasses (50CuI---17PbI₂---33As₂Se₃ and 50CuI---20PbI₂---10SbI₃---20As₂Se₃) exhibit the highest copper tracer diffusion coefficients, D_Cu, and the lowest diffusion activation energies. The values of D_Cu at room temperature are higher by 4.5–5.5 orders of magnitude than those in an As₂Se₃ glass. The Haven ratio, H_R, is found to be 0.52–0.61 (ternary glass) and 0.93–1.00 (quaternary glass). Short-range diffusional displacements of the iodide ions induced by the hopping Cu⁺ ions are also detected in the CuI---PbI₂---SbI₃---As₂Se₃ glassy system using ¹²⁹I-Mössbauer spectroscopy in the temperature range of 4.2 to 305 K. The activation energy of local hopping, E_h ≈ 0.31 eV, is very similar to that of bulk ionic conductivity (0.37 eV) and copper diffusion (≈ 0.33 eV). In contrast to CuI-based vitreous alloys, 50Cu₂Se---50As₂Se₃ glass exhibits D_Cu that are two to five orders of magnitude lower, and the copper ion transport number, t_Cu⁺, is between 10⁻³ and 10⁻⁴ in the temperature range 140–170 °C.