利用硅波导实现全混洗变换的新方法

全混洗变换在光互连中具有重要的作用.本文提出并实现了一种新的全混洗变换实现方法——硅波导实现全混洗变化.分析了全混洗变化的基本理论及其特点;利用软件OptiFDTD仿真并分析了4×4和8×8的PS变换结构;根据仿真结果,利用感应耦合等离子体刻蚀等工艺对SOI基片进行加工,制作了基于硅基的片上全混洗变换结构.结果显示,该结构的传输效率在80%以上,而且此结构的串扰在1%左右,该结构具有传输效率高,插入损耗和串扰较低等特点,并且在结构上具有体积小、结构简单、易于集成等优点,将在未来的光学集成及光学计算机中发挥重要作用.     

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.     

波长选择性平行耦合微环谐振四端口光路由

利用四个平行耦合单环谐振器作为基本路由单元,数值模拟了一种可路由三种信道波长的四端口光路由器.为了实现单模传输、低传输损耗以及微环波导和信道波导的相位匹配,优化了基本路由单元的结构参量.给出了路由器的器件架构和设计方法,计算了链路光谱、插入损耗、串扰等路由特性.在选定的三个信道波长(1550、1551.6、1553.2 nm)下,器件沿不同路径的插入损耗范围为0.02～0.6 dB,器件串扰的范围为-23.41～-37.71 dB.与具有相同波导参量的基于交叉耦合双环谐振器的四端口光路由器相比,该四端口光路由器在串扰和波长选择性方面略显不足,但其使用的微环数量由8个降低为4个,插入损耗由1.62 dB降低为0.02 dB.     

波长选择性平行耦合微环谐振四端口光路由（英文）

利用四个平行耦合单环谐振器作为基本路由单元,数值模拟了一种可路由三种信道波长的四端口光路由器.为了实现单模传输、低传输损耗以及微环波导和信道波导的相位匹配,优化了基本路由单元的结构参量.给出了路由器的器件架构和设计方法,计算了链路光谱、插入损耗、串扰等路由特性.在选定的三个信道波长(1 550、1 551.6、1 553.2nm)下,器件沿不同路径的插入损耗范围为0.02~0.6dB,器件串扰的范围为-23.41~-37.71dB.与具有相同波导参量的基于交叉耦合双环谐振器的四端口光路由器相比,该四端口光路由器在串扰和波长选择性方面略显不足,但其使用的微环数量由8个降低为4个,插入损耗由1.62dB降低为0.02dB.     

不同结构SOI交叉波导的损耗及串扰特性研究

利用高阶Pade近似的2D-BPM算法,对具有不同弯曲半径及交叉角度的SOI弯曲交叉波导的传输特性进行了模拟、分析和深入研究,发现交叉波导的串扰随弯曲半径及交叉角度增大而减小的规律.在此基础上,对由正弦弯曲、余弦弯曲以及圆弧弯曲三种弯曲波导构成的SOI交叉波导的损耗及串扰特性进行了分析比较.结果表明,由正弦弯曲构成的交叉波导传输损耗最小且串扰最小.     

微闪耀光栅列阵实现全混洗变换研究

在8台阶、相位深度为2π的微闪耀光栅透过率函数的基础上,根据标量衍射理论分析了波长0.632 8 μm的He-Ne激光通过闪耀光栅发生菲涅耳衍射的复振幅分布,并得到了其满足1级闪耀输出的特点.将He-Ne激光通过8通道的微闪耀光栅列阵后菲涅耳衍射光场的分布规律与全混洗变换的特点相结合,得到微闪耀光栅列阵实现全混洗变换的周期公式.实验表明该微闪耀光栅列阵能够实现全混洗变换.     

49信道绝热低偏振相关全聚合物阵列波导光栅EI北大核心CSCD

研制了一种新型全聚合物49信道绝热低偏振相关阵列波导光栅(AWG)芯片。利用直接紫外光写入技术,实现了波导芯片的设计与制备。利用Matlab软件对AWG的传输特性进行了优化模拟,通过对聚合物衬底的热膨胀系数和聚合物波导的热光系数进行调控,得到了器件良好的绝热低偏振相关特性。测得AWG的中心波长为1550.918 nm,波长间隔为0.8 nm,插入损耗的信道变化范围是5.51 d B^10.62 d B,串扰大于20 d B,偏振漂移和温度变化分别是0.08 nm和0.03 nm/K。这种新技术十分适用于高性能多功能集成光路中,具有广阔的应用前景。     

一种通带平坦的粗波分复用/解复用器件的研制

随着粗波分复用(CWDM)系统在城域网和接入网中日益广泛的应用,人们对粗波分复用／解复用器的研究也逐渐展开。报道了一种8通道波长间隔为20nm的粗复用／解复用器。该器件基于阵列波导光栅(AWG)原理设计,利用平面光波导技术(PLC)制作,采用多模干涉输入结构和“S”形阵列波导结构,实现了较宽的通带宽度和较低的串扰。实验测得1dB带宽大于10nm,相邻串扰大于24dB,非相邻串扰大于32dB。介绍了其设计原理和制作过程,给出了光束传播法(BPM)数值模拟结果,并和实验结果进行了对比。     

49信道绝热低偏振相关全聚合物阵列波导光栅

研制了一种新型全聚合物49信道绝热低偏振相关阵列波导光栅(AWG)芯片。利用直接紫外光写入技术,实现了波导芯片的设计与制备。利用Matlab软件对AWG的传输特性进行了优化模拟,通过对聚合物衬底的热膨胀系数和聚合物波导的热光系数进行调控,得到了器件良好的绝热低偏振相关特性。测得AWG的中心波长为1550.918 nm,波长间隔为0.8 nm,插入损耗的信道变化范围是5.51 d B~10.62 d B,串扰大于20 d B,偏振漂移和温度变化分别是0.08 nm和0.03 nm/K。这种新技术十分适用于高性能多功能集成光路中,具有广阔的应用前景。     

InGaAsP/InP evanescent mode waveguide optical isolators and their application to InGaAsP/InP/Si hybrid evanescent optical isolators

We theoretically investigated InGaAsP/InP evanescent mode waveguide optical isolators and proposed their application to InGaAsP/InP/Si hybrid evanescent optical isolators. InGaAsP/InP evanescent optical isolators are composed of semiconductor optical amplifier (SOA) waveguides having InGaAsP multiple quantum well (MQW) active layer and upper InGaAsP waveguide layer with ferromagnetic layer. Optical isolation is obtained for evanescent optical mode in the InGaAsP waveguide layer. InGaAsP/InP/Si hybrid evanescent optical isolators are theoretically proposed based on the idea of InGaAsP/InP evanescent optical isolators. InGaAsP/InP/Si hybrid evanescent optical isolators are composed of ferromagnetic metal loaded silicon evanescent waveguides with wafer-bonded InGaAsP/InP optical gain material. The optical isolation and propagation loss are discussed with the structure of silicon evanescent waveguides, and optical isolation of 8.0 dB/mm was estimated. The concept of semiconductor evanescent mode optical isolators is feasible with InP based photonic integrated circuits and advanced silicon photonics.     

硅衬底上锗硅合金光波导的研制

报道锗硅合金在λ＝１．３μｍ的脊形单模光波导的设计，工艺及测量结果。这种光波导的传播损耗已达０．７ｄＢ／ｃｍ。脊形的高４－８μｍ，宽８－１２μｍ，均和单模光纤芯径相当，此外，其数值孔径在光波导的输入，输出端均能和单模光纤匹配，它已满足硅光集成对光波导的要求。文中最后报道了用这种锗硅合金光波导试制Ｙ分支器，并观察到二支分路输出的单模光斑。     

Dispersion parameters and nonlinear optical properties of silicon nitride rib waveguides

Silicon nitride rib waveguides are numerically studied by use of a full-vectorial mode solver program based on finite difference method. Dispersion parameters, up to the third-order, are computed for waveguides of heights 0.8 μm, 0.9 μm, and 1 μm. Like silicon-on-insulator waveguides, silicon nitride rib waveguides allow us to tailor dispersion parameters at telecom wavelengths. Deeply-etched silicon nitride rib waveguides of height up to 1.5 μm are investigated for correct geometries to achieve polarization independence. The computations lead to a minimum etch depth which can be written as linear function of the waveguide height. Etch-depth and waveguide height dependencies of the nonlinear refractive index coefficient of the silicon nitride are studied. It is shown that third-order optical nonlinearities in silicon nitride rib waveguides can be enhanced by suitable choices of waveguide parameters.     

集成光学条波导阵列与单模光纤阵列的联接

本文报告了一种新的集成光学条波导阵列与镶嵌在硅V槽中的单模光纤阵列耦合联接方法的设计考虑,导出了确定光纤正确位置及V型槽的几何尺寸的若干计算公式.并讨论了光纤与波导几何尺寸与耦合效率的关系.指出了这是实现单模光纤阵列与条波导阵列的固定联接的有效方法,它简化了波导与光纤的对准程序,即由五维调整简化为平面的一维调整.可实现多个波导和多个光纤的同时对准与固定.最大限度地利用了有效重叠面积,从而提高了光纤与条波导的耦合效率.一组典型的数据是单模光纤(芯径10μm)对单模波导(10μm×5μm)的耦合效率可达55%,而同样尺寸的波导对光纤的最大耦会效率可达86%.     

Liquid-core/liquid-cladding integrated silicon ARROW waveguides

The fabrication and characterization of a liquid-core/liquid-cladding integrated antiresonant reflecting optical waveguide (L²-ARROW) is presented. In this waveguide, the light is confined vertically by the ARROW mechanism, whereas the lateral confinement is obtained by using liquid-core/liquid-cladding (L² waveguides) with different refractive indexes. This approach permits to realize L² waveguides with very low refractive index core (n ≈ 1.333) and represents a new solution to solve the difficulty to reduce the optical losses in 2D-ARROWs due to the TM polarization in lateral direction. The device has been fabricated with standard silicon technology. The results show that the optical properties can be tuned by changing the type and the flow velocity of the core and the cladding liquids.     

耦合谐振器光波导旋转传感的相位灵敏度

利用光学谐振器结构的色散可提高旋转传感的灵敏度, 耦合谐振器光波导可实现强色散, 本文利用传输矩阵理论, 研究耦合谐振器光波导旋转传感的相位灵敏度, 讨论谐振器布局和波导参数对相位灵敏度的影响, 结果表明波导的相位曲线和相位灵敏度依赖于波导中谐振器的布局, 谐振器数量和耦合系数不仅会影响波导旋转传感相位灵敏度曲线峰值的数量和带宽, 还会影响相位灵敏度的大小, 而损耗会降低波导的相位灵敏度, 本文的结果可用于利用谐振器布局和波导参数设计耦合谐振器光波导的相位灵敏度, 对其在旋转传感方面的应用有重要意义. 关键词： 谐振器 旋转传感 光波导     

Grating couplers for thick SOI rib waveguides

The use of grating couplers in high index contrast waveguides like silicon on insulator (SOI) offers several advantages over other coupling approaches, including better alignment tolerances and allowing for wafer-scale testing. The grating couplers were developed for nanometric SOI waveguides (Si-wires), and recently also for micrometric rib waveguides. In this paper we review our work in fiber-to-chip grating couplers for thick SOI rib waveguides, where a coupling efficiency of ?2.2?dB was demonstrated experimentally. We also discuss the use of grating couplers to improve optical throughput (étendue) of a planar waveguide Fourier-Transform (FT) spectrometer implemented in thick rib waveguides.     

芯片级硅基光谱仪研究进展

光谱仪作为光谱分析不可或缺的工具,在生物传感、食药检测、医疗、环境监测等领域有着广泛的用途。传统的光谱仪体积大、功耗高、价格昂贵和难以二次开发,应用范围受到了极大地限制。随着微型加工工艺的发展,微型化的光谱仪逐渐出现。相较于传统的大型光谱仪,微型光谱仪不仅成本低、体积小、功耗低,而且便于二次开发,扩展了光谱仪的应用范围。但是,微型光谱仪通常是基于分立的光学器件,通过将光学器件的小型化而实现的,集成度和灵活性不高。随着对便携性的要求越来越高,光谱仪的进一步小型化和集成化已成趋势,出现了芯片级的光谱仪。芯片级光谱仪具有明显的尺寸、重量和功耗的优势,将对光谱仪在无人设备、智能平台等新兴领域中的应用产生重要影响。在芯片级光谱仪的实现过程中,硅基光子技术因其成熟的加工工艺和良好的集成性能,为光谱仪的芯片化提供了一种集成化、低成本的解决方案,国内外研究人员针对芯片级硅基光谱仪展开了大量的研究,取得了丰富的成果。文章分析了硅基片上光谱仪的工作原理,将目前的芯片级硅基光谱仪分成了色散型和傅里叶变换型两大类进行介绍,分析了这两类光谱仪的主要特点和典型实现方式。文中给出了刻蚀衍射光栅、波导阵列光栅、多模波导等色散型硅基片上光谱仪和空间外差、驻波式、热调、数字以及基于微机电系统的傅里叶变换型硅基片上光谱仪的最新研究进展,分析了各种光谱仪的性能特点和适用范围。在此基础上,展示了本组的最新研究成果,通过创造性地将基于马赫曾德尔干涉仪的空间外差傅里叶变换型光谱仪结构和波导阵列光栅的色散型光谱仪结构相结合,可同时实现较大的光谱范围和较高的光谱分辨率,为硅基片上光谱仪的应用打下了较好的基础。最后,论述了硅基片上光谱仪的发展趋势与应用前景,为芯片级硅基光谱仪的研究提供了参考。     

Recent progress of integrated optics planar lightwave circuits

Planar lightwave circuits (PLCs) are waveguide devices that integrate fiber-matched optical waveguides on silicon or glass substrate to provide an efficient means of interaction for the guided-wave optical signals. PLCs provide various important and functional devices for optical wavelength division multiplexing (WDM), time division multiplexing (TDM) systems and subscriber networks. This paper reviews the recent progress and future prospects of PLC technologies including arrayed-waveguide grating multiplexers, optical add/drop multiplexers, programmable dispersion equalizers and hybrid optoelectronics integration technologies.     

溶胶-凝胶法制备SiO2-TiO2平板光波导工艺研究

采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂-TiO₂平板光波导,计算了平板光波导通光条件,分析了硅/钛溶胶-凝胶材料的热性能,观测了平板光波导的结构形貌,并测试了其通光损耗。结果表明：经过200℃,30 min干燥处理的凝胶薄膜呈疏松多孔状态,对于非对称平板波导,存在芯层通光截止厚度,而且当SiO₂-TiO₂芯层厚度为0.5 μm时,SiO₂下包层厚度至少有6 μm才能防止1550 nm波长光泄露入单晶硅衬底中。制备的光波导对于1550 nm波长光传输损耗最小值为0.34 dB/cm。