高品质因子聚合物波导微环谐振腔滤波器

基于紫外固化胶和聚砜聚合物材料体系,采用脊形单模波导结构,理论设计并优化了聚合物波导环形谐振腔滤波器的波导截面参数、弯曲半径和耦合区波导间距等结构参数,分析了其滤波响应特性.并在此基础上,结合光刻、反应离子刻蚀等传统的微加工工艺制备了聚合物环形谐振腔滤波器,并进行了光谱测试,器件测试结果与设计基本符合.结果表明,该聚合物微环谐振腔滤波器在通信波段1550 nm附近的自由光谱范围为0.21 nm,3 dB带宽为0.04 nm,插入损耗为26 dB,消光比达到了11 dB,品质因子达到了3.87×104.该聚合物微环谐振腔滤波器可以用于光通信及光传感集成芯片.     

基于表面等离子激元的凸环结构金属-介质-金属滤波器设计

利用边界耦合的方法构造了金属-介质-金属结构滤波器,该结构由一个凸环谐振腔与一个波导管耦合而成.通过有限元法数值仿真得到了该凸环腔体波导结构的磁场分布图、透射谱线和谐振波长分布,分析了各结构参量对滤波器传输特性的影响.结果表明,所提出的凸环滤波器具有透射峰窄,谱线平滑等特点,且阻带透射率最低可达0.001,通带透射率最高可达0.977.增大结构参量h2和neff时,相应的透射谱会发生明显的红移,增大结构参量L1时,透射谱几乎无变化.对结构参量进行调整和优化,相应的谐振波长可分布在第一通信窗口(850nm)和第三通信窗口(1 550nm)附近,能够很好地运用于光通信中.     

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。     

基于对称结构的光纤谐振环辅助马赫曾德尔干涉仪型梳状滤波器的研究

为了改善常规马赫曾德尔干涉仪(MZI)型滤波器的输出特性, 提出了一种由双耦合器和单模光纤构成的“8”字形谐振环,将该光纤谐振环与一个3 dB光纤方向耦合器相结合,利用光纤谐振环反馈回路引入的相位调节效应,选择合适的谐振环耦合角,设计出一种基于对称结构的光纤谐振环梳状滤波器,具有平坦滤波响应的输出光谱。与普通MZI型梳状滤波器和双级级联MZI型梳状滤波器相比,阻带抑制和过渡带滚降特性明显加强;与不对称结构的光纤谐振环辅助MZI型梳状滤波器相比,在考虑传输损耗的情况下,相干涉的两束光信号不存在幅度差异,降低了传输损耗对梳状滤波器消光特性的影响。     

Si基双环级联光学谐振腔应变检测研究

绝缘衬底上的硅材料制备的光学微环谐振腔结构具有高灵敏度、结构尺寸小和极低模式体积等特性,被广泛应用到光信息传递、惯性导航领域,但极少被应用到力学信号的测试,为此,研究了一种基于硅基光学微环谐振腔结构的悬臂梁式应力/应变敏感计,利用微环谐振腔环形波导径向形变量作为感应应力的中间物理量,在外界应力作用下,环形波导的半径将发生改变,使结构的光学谐振参数产生变化,从而使光学微环谐振腔谐振谱线发生明显红移,体现出良好的应力/应变敏感特性;通过设计双环级联光学微腔,并采用MEMS光刻、ICP腐蚀工艺制备了嵌入式光学微腔应变计结构,结合理论计算了悬臂梁结构的应力应变敏感特性,经仿真及实验得到,应变计结构的应力/应变灵敏度分别为0.185 pm·kPa-1,18.04 pm·microstrain-1,与单环微腔结构相比,线性量程增加了近50.3%,应力灵敏度提高了近10.6%,初步验证了嵌入式光学微腔结构进行高灵敏度应力/应变检测的可行性,有望实现新型光学力敏传感器件的微型化、集成化。     

可调耦合器结构集成波导微环谐振腔延时特性研究

对马赫-曾德尔干涉仪(MZI)构成的可调耦合器结构集成波导微环谐振腔延时特性进行了分析,推导得出该结构微环谐振腔的延时响应函数。研究表明马赫-曾德尔干涉仪两臂相位差的变化在实现微环谐振腔等效耦合系数可调谐的同时,其引起的附加相位改变将造成波导微环谐振腔谐振频率发生漂移。分析了马赫-曾德尔干涉仪中3 dB耦合器耦合系数偏差对等效耦合系数调谐范围以及微环谐振腔谐振频率漂移的影响。以四环级联微环谐振腔为例,分析了附加相位改变对延时响应的影响,通过采用环波导上相位修正的方法,获得了延时量为0.6ns,延时带宽为2 GHz,延时抖动品质因子小于1×10-3ns2的目标延时响应。     

微环谐振腔集成波导光延时线研究

从波导微环谐振腔的光场传输函数出发,推导出其延时响应函数,分析了微环波导损耗对其延时响应特性的影响,发现应用于光学相控阵天线系统的微环谐振腔光延时线必须工作于过耦合状态,即耦合系数κ与微环波导损耗因子γ应满足关系式κ(1-γ)。以延时抖动品质因子ε为判据,建立了微环谐振腔光延时线的优化设计方法,获得了目标延时为0.6 ns,延时带宽为2 GHz,延时抖动品质因子小于1×10~(-3)ns~2的四环级联波导微环谐振腔光延时线的优化结构参数。     

基于硅基槽波导的单纤三向滤波器的研究

设计了基于硅基槽波导的微环谐振型单纤三向滤波器。基于电磁场理论得到了二维情形下的硅基槽波导的模场及有效折射率随波长的变化关系,在此基础上,利用硅基槽微环谐振腔谐振波长与微环半径的关系,优化得到了可将1490nm和1550nm两个下载波长分开的谐振环半径,并同时将1310nm波长上传,三个波长信号从不同端口输出,成功地实现了三向器滤波功能。利用传递函数法模拟了所设计的硅基槽微环谐振型三向滤波器的输出光谱,结果显示其串扰可低至-16.9dB。     

带有开口方环谐振腔的MIM波导的Fano谐振特性研究

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500nm/RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。     

四环谐振腔结构中耦合诱导透明特性研究

基于量子相干效应中的电磁诱导透明,设计了一种四环级联谐振腔结构,并对其产生的耦合诱导透明现象进行了理论分析.利用时域有限差分法和束传输法对结构的关键参量进行了仿真模拟,采用电子束光刻与感应耦合等离子刻蚀工艺相结合的方式完成了结构的加工制备.实验中利用垂直光栅耦合法对结构进行测试,测试结果表明:由于相消干涉,该结构可以引起一个狭窄的透明峰;每个环形腔之间相互干涉,产生了两个透射峰,从而实现对光传输的延迟,其中一个透射谱半高全宽为0.022nm,对应的品质因数为0.72×105,且两个谐振峰之间的距离相隔0.084nm.波导直通端与下载端的谐振谱线吻合,与理论分析相符.     

自由光谱范围加倍的单微环谐振滤波器

基于两点耦合和光波干涉控制相移思想提出U型波导耦合单微环的谐振滤波器结构。利用传输矩阵法推导了此结构的数学模型,采用Matlab模拟了输出端口谱线形状。当微环与U型波导的两个耦合点之间的距离为微环周长的整数倍时,此新型微环谐振滤波器比传统的双直波导耦合单微环滤波器的自由光谱范围增加1倍。针对该结构参数,同时讨论了耦合系数对输出谱线的影响,得出当耦合系数为0.018时,输出谱线具有最佳的消光比,同时保持窄的带宽和高的品质因子。     

谐振腔光纤陀螺光纤谐振环特性研究

对有限光源线宽情况下反射式光纤谐振环的响应特性进行了研究,得到了光纤谐振环各谐振特性参量的表示式.分析了特性参量与光源线宽和耦合器特性的关系,结合对方波调制谐振腔光纤陀螺极限灵敏度的分析,给出了设计高灵敏度谐振腔光纤陀螺光纤谐振环的要求和原则.进行了谐振腔光纤陀螺用光纤谐振环的实验研究,制作了适用于谐振腔光纤陀螺的高精细度和高谐振深度光纤谐振环.     

集成光波导陀螺双光路三角波调相谱脉冲噪声特性

基于三角波调相谱技术的谐振式集成光波导陀螺(RIOG)信号检测,光波相位调制引入的频谱分量所带来的光学噪声成为限制陀螺性能提升的主要因素。结合光波在三角波相位调制下的频率变化特性和波导谐振腔的光传输特性,给出了三角波调制下的同步解调信息;依据三角波调制下对背向散射噪声抑制的幅度调制参数和系统最大灵敏度工作点的频率调制参数,结合多光场叠加原理,理论仿真分析了谐振谱不同谐振区的输出脉冲噪声,这种脉冲噪声将对工作于不同调制频率下顺逆时针传输光波的信号采集区带来干扰;搭建了基于二氧化硅波导环形谐振腔的陀螺实验系统,分别测试了激光扫描下谐振腔不同谐振区的脉冲噪声和激光频率锁定在谐振腔谐振点时的脉冲噪声,与理论分析一致。分析结果表明,RIOG采用的三角波调相谱信号检测技术存在无法克服的脉冲噪声,针对不同要求的RIOG,给出了相应的调制技术方案,这为RIOG的工程化和性能优化提供了技术参考。     

带有同心双圆环谐振腔的MIM波导的Fano谐振特性研究

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。     

微波频段表面等离子激元波导滤波器的实验研究

基于理论分析, 实验研究了二维磁单负材料/双正材料/磁单负材料表面等离子波导的滤波效应. 研究表明, 该波导结构具有低通滤波性质, 引入分支缺陷之后, 由于谐振效应该波导具有带阻滤波效应. 分支缺陷相当于亚波长谐振腔, 谐振腔的长度决定带阻滤波器的中心频率, 而中心频率几乎不受缺陷位置的影响; 滤波器透射率下降的幅度由耦合距离决定. 通过引入谐振腔及改变谐振腔的长度、数量以及耦合间距等参数, 可以实现可调节的表面等离子波导滤波器. 实验结果与理论分析符合得很好, 该性质将在可调的单通道或多通道带阻滤波器件中具有潜在的应用价值. 关键词： 表面等离子激元 特异材料波导 谐振腔 滤波器     

枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明：左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm～1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.     

集成串联环型谐振光滤波器特性的数值分析

将串联结构的环型谐振滤波器类比为四端口网络,利用传输矩阵法推导出通路和下话路传输函数的通用公式。对表征串联双环谐振滤波器响应的特性参量:幅度平坦性、通带带宽、相位群时延进行了数值计算和优化设计。结果表明:尽管损耗将引起滤波响应幅度的轻微降低,但在目前改善了的制作工艺下,损耗对器件的影响可以忽略;滤波器的传输特性主要由环与环间耦合系数决定,通过优化使其从中间到两侧对称增加,可以在实现滤波响应最大平坦性的同时,改善通带带宽和过渡带的滚降特性。与单环结构相比,不仅幅度特性得到了明显的改善,而且消除了二阶群时延色散效应。     

级联Sagnac环微波光子滤波器调谐特性的改进

提出一种方案,可改善Sagnac环微波光子滤波器的调谐特性。将高双折光子晶体光纤(HiBi-PCF)Sagnac环级联,对其臂长误差进行定量分析。利用Jones矩阵对级联后的两种Sagnac环进行理论分析,设定功率损耗阈值为8dB,分析级联后的Sagnac环臂长误差容限。通过改变臂长,可实现滤波器带宽连续可调;所得滤波器的旁瓣不到0.4,臂长误差容限可达到136nm,带宽调谐可达0.1nm至0.02nm之间。得到的透射谱更加精确,调谐简单、精确、应用灵活。     

一种用于传感的多Fano通道高灵敏度MIM波导

提出了一种金属-绝缘体-金属波导结构,该结构由带有中央矩形空气路径的方形环谐振腔和带有挡板的总线波导组成。利用有限元法研究了该结构的磁场分布、透射特性和传感性能。仿真结果表明,谐振腔中的中央矩形空气路径可以改变表面等离极化激元在谐振腔中的传播路径,提供更多的等离子体共振模式。在所提出的结构中可以激发四重Fano共振,透射谱中形成一个滤波带。改变结构参数可以调节Fano共振的个数,最多可以获得6个Fano共振和两个滤波带,还可以对Fano共振的位置、强度以及滤波带的宽度进行灵活方便的调节。该结构的最大灵敏度和品质因数分别为3 028 nm/RIU和157.14,可用于制作多波段带阻滤波器和检测葡萄糖等液体浓度的传感器。     

谐振腔侧边1×5介质柱调谐光子晶体滤波器

在正方格二维光子晶体结构中设计了基于可调谐谐振腔的带通滤波器,通过改变1×5谐振腔侧边调谐介质柱位置调节谐振腔与波导系统工作时传输的波段,用CMT理论分析了输入端耦合衰减率及输入端失谐因子对滤波器的影响。借助FDTD方法得到了滤波器波长传输谱,结果表明:当滤波器结构工作于1320~1810 nm波长段时,输出端38个通帯的-3 dB带宽Δλ范围为4.18~11.15 nm,通带峰值波长可调宽度为186.56 nm。该微型滤波器适于光电通信粗波分解复用WDDM系统设计和光集成设计等方面。