基于非对称脊波导的多种聚合物弯波导性能分析

以缩短马赫-曾德尔(M-Z)电光调制器分支波导为目的,将有机聚合物非对称结构的脊波导应用于S弯波导中。采用半矢量有限差分光束传输分析法,系统地分析了不同参数下采用非对称脊波导的三种常见弯波导,即正弦弯、圆弧弯和余弦弯分支波导的TM00光场传输损耗,并与采用对称脊波导的结构相比较。研究表明,在芯层厚度h=1.5μm、脊高为0.3μm、脊宽w=4μm、分支高度G=11μm的情况下,当脊波导短边芯层平板宽度s≥2μm时,在相同传输损耗条件下,正弦弯、圆弧弯和余弦弯分支波导长度分别可减少40%、30%和25%,该结果对有机聚合物M-Z调制器中分支波导的设计具有一定的参考价值。     

带有增益介质层的混合脊状等离子体波导的传输特性

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导,其结构中的介质层部分包含两个区域:前区为单一介质,后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性,得到了TM模下的电场分布图,并对输出功率以及传输损耗与结构参数和介质折射率的变化规律进行了讨论。结果表明,在波导中引入的增益介质材料磷化铟后其损耗达到-6 dB/μm。此种波导结构对于光集成芯片的研究与制作具有重要意义。     

基于可调控狭缝光子晶体波导的微粒操控

提出并设计了一种用于真空中操控亚波长微粒的可调控渐变狭缝光子晶体波导结构.该结构利用光力将微粒捕获到狭缝中,使其沿光传输方向传输,并通过外加折射率调控的方式,将微粒输运到所需位置.分析了狭缝光子晶体波导的带隙结构、传输特性与微粒的受力情况,计算了热调控光子晶体波导的功耗与温度分布.结果表明,利用狭缝宽度渐变的硅基光子晶体波导,通过热调控改变硅折射率,可以实现光波截止位置从出射端到入射端的移动;对于总长度18μm的狭缝光子晶体波导,从入射端到出射端狭缝缩窄4nm时,控制微粒位置所需的折射率变化为0.012,而改变折射率所需的加热功率不高于13.7mW.这一结构将为微粒操控提供一种可能的实现方案.     

基于杂化表面等离激元的多层波导布拉格光栅

根据杂化表面等离激元的产生机理和传统杂化表面等离激元的波导结构,提出了一种多层波导布拉格光栅结构。该结构采用SiO2和NaF两种低折射率介质作为芯层,形成了多层波导布拉格光栅的结构。在1550nm通信波长下,围绕光波的传输距离和模场限制能力对光栅的结构进行了研究及优化。在此基础上,进一步分析了光栅周期数与光波反射率之间的关系。仿真结果表明:该光栅的传输距离和有效模场面积分别为178.12μm和0.203μm2;该结构不仅可以降低金属表面对光场限制所形成的损耗,而且表现出了较强的模场限制能力;当周期数为60时,光波的反射率能够达到71.9%,该结构具有良好的滤波特性。     

网格结构微环谐振电光开关阵列的特性分析

设计了由N+1条水平通道、N条竖直通道和2 N个微环构成的电光开关阵列器件,并对其传输特性进行了分析.通过在列微环上加载不同的工作电压,实现相应通道的开关功能.以5×4通道8微环结构为例,取波导芯的宽度与厚度均为1.5μm,波导芯与电极之间的限制层厚度为2.0μm,电极厚度为0.05μm,微环与通道之间的耦合距离为0.1μm.当开关电压为8V时,该器件的插入损耗在2.79～4.31dB范围内,串扰在-20dB以下,消光比在12.5dB以上.     

基于自准直效应的光子晶体异质结偏振分束器

基于光子晶体的自准直效应和禁带特性,提出了一种具有非正交异质结结构的光子晶体偏振分束器.无需引入缺陷或波导,可使光波在该结构中准直无发散地传输并实现分束功能,对制造工艺的要求大大降低.利用Rsoft软件,结合平面波展开法和二维时域有限差分法,对提出的偏振分束器进行了仿真研究.结果表明,该偏振分束器在一个较大的频率范围f=0.275—0.285(a/λ)内可实现横电(TE)和横磁(TM)模的大角度偏振分离,TE和TM模的透过率均在88%以上,偏振消光比分别大于26.57 dB和17.50 dB.该结构可应用到太赫兹波段的传输系统中,a=26μm,尺寸大小为572μm×546μm,在91—95μm波长范围内可实现TE和TM模的分离.利用该结构可设计用于光通信系统(n=3.48)的偏振分束器,a=426.25 nm,结构仅为9.38μm×8.95μm.本方案结构简单,易于集成,有望在集成光路的发展中发挥重要作用.     

基于质子交换和刻蚀工艺的体铌酸锂阵列波导光栅

提出一种将质子交换技术和刻蚀技术结合的体铌酸锂波导和器件加工方案,基于质子交换的铌酸锂晶体相变特性改变,降低了质子交换区直接刻蚀难度,结合质子交换的纵向折射率改变和刻蚀波导的横向结构改变,波导尺寸显著降低,采用粒子群算法优化波导尺寸,最小可达2.5μm。基于该工艺方案设计了中心波长为1550 nm、四通道且通道间隔为400 GHz的阵列波导光栅,该阵列波导光栅的传输损耗约为6 dB,相邻通道间串扰均低于22 dB,整体尺寸仅为850μm×620μm,在高密度铌酸锂光子集成互连等场景具有较大的应用潜力。     

绝缘体上硅波导侧壁粗糙度与模式损耗的相关性（英文）

绝缘体上硅光波导侧壁粗糙度引起的光损耗是限制硅基集成线路被广泛应用的重要因素之一,利用激光扫描共聚焦显微镜精确测量了SOI波导各相异性分布的侧壁粗糙度,进而将一个三维侧壁粗糙度引入到光波导传输损耗计算的传统理论模型中,获得了更加精确的模型。数值模拟表明,侧壁粗糙度与波导结构决定的相关长度与侧壁粗糙度对光传输损耗产生同步影响。用法布里-珀罗(F-P)腔调制谐振输出方法测量光波导传输损耗,测量结果与数值计算结果非常吻合,说明各相异性粗糙度分布的测量精度及其引起的光传输损耗的理论模型具有很高的可信度。一条4μm脊宽SOI波导,当侧壁粗糙度在水平和垂直方向的平均值分别为22 nm和23 nm时,对于TE-和TM-模式,计算获得的传输损耗均为4.5～5.0 dB/cm,实验获得的平均光传输损耗为4.3 dB/cm。本文研究结果与结论对SOI光波导器件的研究与开发具有参考价值。     

聚合物Y分支脊形波导的单模条件

有机聚合物光波导近年来成为研究的热点,它为实现下一代的光电集成回路提供了另外一种选择。它所具有的一系列优点如下:(1)与传统的材料相比,有机聚合物光波导容易在各种衬底上制作,其制作成本也得以降低,并且使得与有源器件如激光器、调制器、探测器的单片集成成为可能;(2)有机聚合物波导材料的折射率可以进行调整以满足耦合损耗和弯曲损耗的折中选择;(3)此外,有机聚合物的热光系数比SiO₂大一个数量级,而其导热系数却比SiO₂和Si小得多。有机聚合物Y分支是强度调制器和光开关等器件的重要组成。光波导器件在和单模光纤一起使用时要求其实现单模传输,这样可以减少耦合损耗。利用变分有效折射率法计算了聚合物Y分支脊形波导的光场分布。变分有效折射率法是变分法(VM)和有效折射率法(EIM)的结合,它结合了两种方法各自的优点,能够很精确地模拟光场分布情况。利用变分有效折射率法验证了满足单模传输的脊形波导结构参数:芯层厚度为1.5μm,脊高为0.2μm,脊宽为5μm。     

超短脉冲激光在掺Er3+ 磷酸盐玻璃中制备光波导的实验研究

超短脉冲激光通过非线性吸收调制光学材料折射率提供了一种高效制备集成三维光子器件的途径.掺Er³⁺磷酸盐玻璃由于其优异的特性以及在1.55μm通信波段附近的发射光谱,成为了集成光学主动增益材料中的研究热点.实验采用重复频率1 kHz,中心波长800 nm,脉冲宽度120 fs的钛宝石飞秒激光放大系统作为制备波导的光源,系统研究了加工参数对激光写入形貌、波导形成及光学特性的影响.实验结果表明,在狭缝整形辅助短焦物镜横向刻写条件下,写入脉冲能量为1.8μJ时,光波导可以在写入速度为10μm/s-160μm的较宽范围内形成;写入速度为40μm/s时,光波导写入脉冲能量参数窗口为1.6μJ-2.0μJ;波导写入深度在125μm-200μm范围时,波导横截面对称性较好且折射率修改明显;近场强度测量结果显示所制备波导近场强度分布对称,导光特性良好.通过有限差分法反推波导区域折射率修改分布,结果显示最大折射率修改为Δn=6.6×10^-4.截断传输损耗测量结果显示所制备波导的传输损耗低至0.91 dB/cm.     

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。     

Stamp printing of silicon-nanomembrane-based photonic devices onto flexible substrates with a suspended configuration

In this Letter, we demonstrate for the first time (to our best knowledge) stamp printing of silicon nanomembrane (SiNM)-based in-plane photonic devices onto a flexible substrate using a modified transfer printing method that utilizes a suspended configuration, which can adjust the adhesion between the released SiNM and the "handle" silicon wafer. With this method, 230 nm thick, 30 μm wide, and up to 5.7 cm long SiNM-based waveguides are transferred to flexible Kapton films with >90% transfer yield. The propagation loss of the transferred waveguides is measured to be ~1.1 dB/cm. Scalability of this approach to transfer intricate structures, such as photonic crystal waveguides and multimode interference couplers with a minimum feature size of 200 nm and 2 μm, respectively, is also demonstrated.     

平面光波导型单纤三向器的研究

利用光束传输法,分析设计了一种只由两个定向耦合器构成、能直接与单模光纤相耦合、易于集成的平面光波导（Planar Lightwave Circuit,PLC）型1.31/1.49/1.55 μm单纤三向器.该器件的输入输出弯曲波导和耦合区平行波导均采用光束传输法进行优化设计,并对器件的折射率进行了容差分析,获得了当两个定向耦合器的耦合长度分别为6 578 μm、3953 μm时,器件对各波长的隔离度均在47 dB以上,且插入损耗小于0.05 dB.     

Low-loss chalcogenide waveguides on lithium niobate for the mid-infrared

We demonstrate low-loss chalcogenide (As(2)S(3)) waveguides on a LiNbO(3) substrate for the mid-IR wavelength (4.8 μm). Designed for single-mode propagation, they are fabricated through photolithography and dry-etching technology and characterized on a mid-IR measurement setup with a quantum cascade laser. For straight waveguides, propagation loss as low as 0.33 dB/cm is measured and low-loss bends on the order of 100 μm are simulated, with measurement results showing <3 dB for a 250 μm bend radius. The coupling efficiency is estimated to be 81%. In addition, the influences of variations in width and bend radius are also investigated.     

聚硅氧烷改性及多模光波导制备

采用含氢聚硅氧烷(HPSO)和二乙烯基苯(DVB)的交联体掺入聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,使改性的聚二甲基硅氧烷(M-PDMS)折射率发生1%～1.8%的改变。M-PDMS及PDMS薄膜具有良好的光透射率和低的传输损耗,是低成本制备用于高速芯片间光互连聚合物光波导的理想材料。采用软成型和图案转移法,用M-PDMS及PDMS分别作波导的芯层和包层制备了截面为50μm×50μm,长度大于20cm的聚硅氧烷多模光波导。用数字化散射法测量了所制备波导的传输损耗,测得输入光波长为633nm时平均传输损耗为0.137dB/cm。     

聚合物脊波导偏振特性

以有机聚合物脊波导为研究对象,采用半矢量有限差分光束传输法,系统地分析了不同脊高、脊宽和芯层厚度条件下对称脊波导的偏振特性,并在此基础上分析了非对称脊波导的偏振特性,研究了平板芯层短边宽度对偏振特性的影响。结果表明:非对称脊波导结构的引入对偏振特性影响较小,其双折射随平板芯层短边宽度的减小而减小。当脊高为1.3 m、平板芯层短边宽度为2.0 m时,非对称脊波导双折射能控制在可接受范围。     

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。     

涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导的模式特性分析

设计了一种涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导.采用分离变量法,在椭圆柱坐标系中,借助Mathieu函数,得到了色散方程.通过数值求解色散方程,可以得到模式的有效折射率和场分布,从而得到模式的传播长度.研究了工作波长、结构参数以及石墨烯的费米能对模式特性的影响,并给出了前五个模式的品质因数.计算表明,当波长从4.3μm增加到8.8μm,这5个模式的有效折射率的实部减小,基模和一阶模的传播长度增大,二阶模的传播长度先增大后减小.当改变纳米线结构参数半长轴和半短轴时,对基模和一阶模的模式特性影响较小,对二阶模的模式特性影响较大.当石墨烯的费米能从0.45 eV增加到0.72 eV时,有效折射率的实部减小,传播长度可以达到2μm左右.分离变量法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致.本文工作可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的光波导的设计、制作和应用提供理论基础.     

基于深刻蚀SiO2脊型波导的紧凑型多模干涉功分器

采用深刻蚀SiO2脊型波导,利用其弯曲半径小的优点,设计了一种紧凑型1×2多模干涉功分器.在输入/输出波导与多模干涉区域之间引入了逆向锥形波导,有效地减小了输出波导间距,从而减小了多模干涉区域宽度及其长度,进一步实现了多模干涉器件的小型化(仅为150 μm×20 μm).并采用三维束传播方法对多模干涉区域及输入/输出波导中的光场传输进行了模拟仿真,得到了一组最优参量设计值,从而实现其结构优化.