中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

聚合物费米型截面阵列波导光栅的优化设计

利用微扰理论给出“等效矩形波导法”,分析了费米型截面硅基聚合物阵列波导光栅的传输特性.模拟表明,波导的费米型截面将使阵列波导光栅的传输光谱产生漂移、并使串扰增大.为了消除光谱漂移、减小串扰、实现正常的解复用功能,对阵列波导光栅的结构参量进行了重新优化.结果表明,重新设计的费米型截面聚合物阵列波导光栅的光谱响应和串扰恢复到初始设计的聚合物矩形截面阵列波导光栅的水平.     

聚合物费米型截面阵列波导光栅的优化设计

利用微扰理论给出"等效矩形波导法",分析了费米型截面硅基聚合物阵列波导光栅的传输特性.模拟表明,波导的费米型截面将使阵列波导光栅的传输光谱产生漂移、并使串扰增大.为了消除光谱漂移、减小串扰、实现正常的解复用功能,对阵列波导光栅的结构参量进行了重新优化.结果表明,重新设计的费米型截面聚合物阵列波导光栅的光谱响应和串扰恢复到初始设计的聚合物矩形截面阵列波导光栅的水平.     

聚合物/二氧化硅混合型无热化阵列波导光栅参量的优化

研究一种新型无热化聚合物/二氧化硅混合波导组成的硅基二氧化硅阵列波导光栅.阵列波导光栅对温度的依赖性受波导物质的折射率和波导芯的尺寸影响.通过调节这些参量就可以减小温度对阵列波导光栅的影响.优化得到混合型阵列波导光栅在温度20~70℃范围内波谱漂移小于常规型 AWG结构的5%.     

太赫兹波段金属阵列结构的透射及反射宽谱偏振特性

基于计算机仿真技术(CST)软件对二维金属光栅阵列在0.1~10THz波段的偏振特性进行了数值分析,利用光刻和金属薄膜工艺在500μm厚的高阻硅衬底上沉积了20nm厚的不同结构周期的金属铜光栅阵列,利用傅里叶变换光谱仪测量了该光栅阵列的透射及反射特性。结果表明:在太赫兹宽谱范围内,该光栅阵列的透射和反射都具有良好的偏振特性,且偏振特性范围可通过调整结构周期进行调节;该研究对太赫兹偏振器的进一步研究及应用提供了参考。     

用于远程探测的空间外差拉曼光谱技术研究

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术,具有光通量大、高分辨率、无移动部件等技术优势,非常适用于行星探测任务中,对行星表面的矿物及有机物进行分析,探寻可能存在的生命标志物。作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中,对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述,设计搭建了一套实验平台,并进行了定标,验证了其性能参数。在此基础上,获取了10 m处部分无机固体样品、有机样品及天然矿物的拉曼散射信号,对系统信噪比进行了估计。由于装调精度不高、光学器件缺陷等原因,系统远非理想。但测试结果表明,对于大部分样品的主要拉曼散射峰,系统信噪比优于5,基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求,依然可以证明这一技术的可行性。空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷,在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力,可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。     

新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪的设计与仿真

傅里叶变换光谱仪(FTS)在光谱分析中的应用越来越广泛,并且其微型化的趋势也愈加明显。文章设计了一种新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪。在介绍其结构理论的基础上,对其空间的光强分布进行了模拟,通过对该结构下引起相位误差因素的详细分析,采用改进的Mertz相位校正方法对小双边的采样数据进行了光谱复原,其理论分辨率可达到3.43 nm@800 nm,信噪比的理想分辨极限为6.8 dB。该结构的微型FTS可以用微机械加工的方法来实现,具有性能稳定,误差容易校正等优点,文章对空间调制微型傅里叶变换光谱仪的结构设计及仿真,为微型FTS的微机械加工实验提供了理论支持, 还为微型傅里叶变换光谱仪的进一步应用提供了更广阔的空间。     

阵列波导光栅中心波长温度稳定性的研究

阵列波导光栅中心波长的温度不稳定性成为限制其应用的主要原因。为了设计温度不敏感阵列波导光栅,结合弹性多层板热应力理论和应力集中效应给出掩埋波导芯层应力的解析解,利用等效折射率法计算阵列波导的有效折射率及其温度系数,考虑波导材料折射率和波导长度随温度的变化得到了硅基二氧化硅阵列波导光栅中心波长的温度系数。并研究了贴有应力板的阵列波导光栅中心波长的温度特性,结果表明在芯片底部贴有0.37 mm厚的铝板时,TE模和TM模中心波长的温度系数分别是5.9 pm/℃和8.0 pm/℃,下降到传统阵列波导光栅中心波长温度系数的一半。     

集成光波导静态傅里叶变换微光谱仪分辨率倍增方法

研究了铌酸锂波导静态傅里叶变换微光谱仪分辨率的影响因素, 并在此基础上提出了一种采用端面反射铌酸锂波导结构提高微光谱仪光谱分辨率的方法. 该方法容许在减小铌酸锂波导静态傅里叶变换微光谱仪尺寸的同时, 使两干涉臂间最大光程差增大1倍, 从而使其光谱分辨率实现倍增. 采用商业化铌酸锂波导电光调制器构建了一个傅里叶变换光谱仪原理样机, 并对样机在不同波长下的光谱分辨率进行了测量, 结果指出对调制器加载端面反射结构后获得的光谱分辨率是加载端面反射结构前的2倍, 与理论分析结果完全一致. 这种光波导端面反射结构制作工艺简单, 易于实现, 是一种提高集成光波导静态傅里叶微光谱仪分辨率的有效手段.     

微小型光栅光谱仪光学系统的特点与光谱分辨率的提高

微小型光谱仪的设计制作可以采用多种方法,其结构特点和光谱分辨率也各不相同,目前实用高光谱分辨率微小型光谱仪采用的是光栅色散型光学系统.简要回顾了微小型光谱仪的发展过程,分析了典型的光栅色散型微小型光谱仪采用的光学系统,如基于罗兰圆的光学系统,基于Czerny-Turner的光学系统的特点,总结了提高微小型光栅光谱仪光谱分辨率采用的方法和技术,特别是解决光谱仪的微小型化和光谱分辨率之间的矛盾以及测量光谱范围和光谱分辨率之间的矛盾的方法,从而为新型微小型光谱仪的研制提供经验和借鉴.     

Subwavelength grating Fourier‐transform interferometer array in silicon‐on‐insulator

A planar waveguide Fourier‐transform spectrometer with densely arrayed Mach‐Zehnder interferometers is demonstrated. Subwavelength gratings are used to produce an optical path difference without waveguide bends. The fabricated device comprises of an array of 32 Mach‐Zehnder interferometers, which produce a spatial interferogram without any moving parts, yielding a spectral resolution of 50 pm and a free‐spectral range of 0.78 nm. As a result of similar propagation losses in subwavelength grating waveguides and conventional strip waveguides, loss imbalance is minimized and high interferometic extinction ratio of −25 to −30 dB is obtained. Furthermore, phase and amplitude errors arising from normal fabrication variation are compensated by the spectral retrieval process using calibration measurements.     

减少聚合物阵列波导光栅损耗的蒸气回溶技术

阵列波导光栅(AWG)器件是波分复用(WDM)系统的一种关键器件,其中,聚合物阵列波导光栅由于其制备工艺、器件集成等方面的优势而受到人们的日益关注。侧壁散射损耗是聚合物阵列波导光栅损耗的一个主要因素,减少阵列波导光栅波导的侧壁损耗对制备低损耗阵列波导光栅具有重要意义。一种蒸气回溶技术被用来有效地减少硅基聚合物阵列波导光栅的散射损耗,该技术的机理是饱和溶剂分子融入并软化波导侧壁,增加其流动性,从而降低波导侧壁粗糙度。用扫描电镜方法验证了用该技术能获得更光滑的波导侧壁。对直波导和阵列波导光栅样品进行回溶处理,测试后得到直波导的侧壁散射损耗减少2.1 dB/cm,阵列波导光栅中心信道和周边信道的插入损耗分别减少5.5 dB和6.7 dB,串扰减少2.5 dB。     

阵列波导光栅梳状带通滤波器的传输效率

在光波导模场分布高斯近似条件下,根据星形光波导耦合器的耦合特性,推导出了基于累加运算和卷积运算近似表达的阵列波导光栅梳状带通滤波器光谱响应效率的函数表达式。给出了阵列波导光栅梳状带通滤波器光谱响应效率曲线的半最大值全宽度和阵列波导光栅梳状带通滤波器的通道中心波长的光谱响应度与器件参数的关系。在输入信号光谱分布高斯近似条件下,给出了阵列波导光栅梳状带通滤波器信号通道传输效率的计算表达式和输入信号光谱宽度对阵列波导光栅梳状带通滤波器信号通道输出特性的影响。给出了物理意义明确的函数表达式,它们可为快速分析阵列波导光栅梳状带通滤波器的特性提供理论基础。     

Mode transformer for miniaturized optical circuits

A novel mode transformer was fabricated that transforms a modal area by a factor of 100. Using the mode transformer improves the efficiency of mode transformation by an order of magnitude compared with that when no mode transformer is used. With this mode transformer, input-output coupling of miniaturized, on-chip integrated optical circuits to external optical fibers is achieved with low loss. The mode transformer's design, fabricated in silicon, is scalable to virtually any waveguide size, facilitating continuous miniaturization in silicon optoelectronics.     

Design and fabrication of wavelength tunable AWGs based on the thermo-optic effect

In this Letter, a 16 channel 200 GHz wavelength tunable arrayed waveguide grating(AWG) is designed and fabricated based on the silicon on insulator platform. Considering that the performance of the AWG, such as central wavelength and crosstalk, is sensitive to the dimension variation of waveguides, the error analysis of the AWG with width fluctuations is worked out using the transfer function method. A heater is designed to realize the wavelength tunability of the AWG based on the thermo-optic effect of silicon. The measured results show that the insertion loss of the AWG is about 6 d B, and the crosstalk is 7.5 d B. The wavelength tunability of 1.1 nm is achieved at 276 m W power consumption, and more wavelength shifts will gain at larger power consumption.     

Ultrafast optical frequency comb synthesizer and analyzer

We propose an ultrafast optical arbitrary waveform synthesizing/analyzing technique demonstrated with 2 Tbit/s waveforms. An ultrafast waveform was generated by manipulating the amplitude and phase of a 400?GHz optical frequency comb using a newly developed colorless optical synthesizer. The 400?GHz optical frequency comb was generated from a 25?GHz optical frequency comb using a colorless arrayed waveguide grating. This waveform was then analyzed on the frequency axis using a custom heterodyne-detection technique based on the dual-heterodyne mixing method. The phase and amplitude spectra can be observed in parallel using another optical frequency comb as a reference combined with an arrayed waveguide grating. This optical system, named the ultrafast optical frequency comb synthesizer and analyzer, can synthesize and analyze an arbitrary waveform in the THz frequency region.     

利用硅波导实现全混洗变换研究

根据全混洗(perfect shuffle)变换的特点,利用SOI材料(silicon-on-insulator)设计硅波导,在片上实现4 4和8 8全混洗变换;对波导设计参数包括:宽度、间距和交叉角度等进行讨论和优化,得到最佳的设计参数;模拟仿真得到8 8全混洗变换的传输特点,并对传输效率和串扰进行讨论;实验结果表明片上光波导能够有效的实现全混洗变换,具有插入损耗低和串扰低等特点,在光通信和光互连领域具有一定的应用。     

阵列波导光栅波分复用/解复用器光谱响应效率的理论模型

基于单模光波导的本征模场分布，瑞利－索末菲衍射积分公式和天线原理的互易定理，给出耦合器中两个非接触平面光波导耦合特性的描述.基此，根据等光程差不等振幅多光束干涉的光场叠加原理，推导出新颖的阵列波导光栅波分复用/解复用器的光谱响应效率的解析函数表达式，这些表达式可为快速精确分析阵列波导光栅波分复用/解复用器的特性提供理论基础.同时,介绍了一个计算阵列波导光栅波分复用/解复用器特性的例子，给出其光谱响应度和信号通道串扰.     

光纤傅里叶变换光谱分析装置

报道了一种新的光谱测量方法-基于单模光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)结构的傅里叶变换光谱分析法。在传统傅里叶变换光谱仪( FTS ) 中,用光纤代替传统光路;用光纤耦合器取代传统分束器;用压电光程调制器取代传统移动镜;从而构建了光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)。利用该FFTS测量了LD在阈值以下的发射光谱并与光栅光谱仪测量结果进行了比较,结果表明测量结果是相互吻合的。初步的实验中由于光程调制有限,光谱分辨率为～7 cm-1,改造光程调制器可进一步提高光谱分辨率,证明了FFTS用于分析光谱的可行性。     

95 GHz millimeter wave signal generation using an arrayed waveguide grating dual wavelength semiconductor laser

We report the generation of a 95?GHz carrier frequency by optical heterodyning of two wavelengths from adjacent channels from an arrayed waveguide grating-based multiwavelength laser. The extended cavity structure of the device provides low phase noise and narrow optical linewidth, further enhanced by the intracavity filter effect of the arrayed waveguide grating. We demonstrate that the generated RF beat note, at 95?GHz, has a -3 dB linewidth of 250?kHz. To the best of our knowledge, this is the narrowest RF linewidth generated from a free-running dual-wavelength semiconductor laser. The device is realized as a photonic integrated circuit using active-passive integration technology, and fabricated on a multiproject wafer run, constituting a novel approach for a compact, low-cost dual-wavelength heterodyne source.