聚合物定向耦合电光开关的模拟和优化

阐述了定向耦合电光开关的基本结构及工作原理,利用耦合模理论和电光调制理论,在1 550 nm波长下,对器件的结构参量进行了优化,并对其传输光谱、开关电压、插入损耗、串扰等特性进行了分析.模拟过程中,考虑了因金属电极和聚合物材料引起的模式损耗.器件的结构参量优化值为：波导芯截面尺寸为1.7×1.7 μm2,波导芯与电极间的限制层厚度为1.5 μm、电极厚度为0.15 μm,波导间的耦合间距为2.0 μm,相应的耦合长度为2 926 μm.模拟结果表明,本文所设计的器件在开关转换电压0和17.4 V下,在1 534到1 565 nm的波长范围内,器件的插入损耗小于0.16 dB,串扰小于－20 dB,耦合区在2 734~3 120 μm范围内,器件的插入损耗小于0.22 dB,串扰小于－20 dB.     

激光熔融拉锥型微型光纤耦合器设计

采用聚焦红外激光光束进行熔融加热,针对激光熔融拉锥型光纤耦合器设计了一种熔融区域长度为200 μm的微型光纤耦合器.使用光束传输法对拉锥长度和耦合区域的宽度进行了模拟并与实验结果比较,在1320 μm的拉锥长度和14 μm的耦合宽度处找到了最优化且低损耗的耦合器尺寸配置.     

一种新型光子晶体波导定向耦合型超微偏振光分束器

将两个二维空气孔光子晶体波导平行放置,两波导之间由三排空气孔相隔,构成一个定向耦合器.数值分析了TE(磁场平行于空气孔)和TM(电场平行于空气孔)偏振态光波在该定向耦合器中的传播行为.结果表明,减小耦合区两波导间的一排介质柱的半径,TE模的耦合长度减小,而TM模的耦合长度不变.基于此结构,设计了超微偏振光分束器,整个器件的尺寸为10.1μm,与已报道的24.2μm的结果相比,该器件具有更小的器件尺寸和更高的输出效率.     

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。     

双芯太赫兹光纤定向耦合器

提出了一种双芯太赫兹光纤定向耦合器,两介质圆柱分别悬挂于两环形介质层的内部,形成光纤的两个纤芯,通过调节结构参数可使两偏振模耦合长度相等,从而实现了耦合长度与偏振无关的特性。耦合器件长度可为光纤模式耦合长度的1/2,器件长度较短,这降低了模式传输损耗。采用有限元法对耦合器进行了数值分析研究,结果表明:耦合器的长度为0.535 cm,x和y偏振模的传输损耗分别为0.23 dB和0.19 dB;在保证两偏振模的耦合长度差小于1%的前提下,其带宽可达到220 GHz。     

InP基1×4多模干涉耦合器的设计与制作

在密集波分复用系统中,多波长DFB激光器阵列与多模干涉耦合器集成光源器件具有重要的应用前景.为了研制多波长集成光源中的宽带可用低损耗光耦合器,利用三维有限差分光束传播法仿真设计了一种具有强限制作用的InP/InGaAsP材料的多模干涉型耦合器.输入/输出端波导均采用楔形结构以降低多模干涉型耦合器的插入损耗,提高各个输出端口的出光平衡度.根据仿真结果,结合波导芯层为采用外延生长设备,采用反应离子刻蚀工艺制作了1×乘4多模干涉型耦合器.利用自动对准波导耦合测试系统对所制作器件的插入损耗和出光平衡度进行测量.测试结果表明,该器件在1 550 nm波长附近的40 nm带宽范围内获得了约2.6 dB的通带平坦度,在1 550 nm通信波长处,器件的插入损耗低于10 dB.     

InP基1×4多模干涉耦合器的设计与制作

在密集波分复用系统中,多波长DFB激光器阵列与多模干涉耦合器集成光源器件具有重要的应用前景.为了研制多波长集成光源中的宽带可用低损耗光耦合器,利用三维有限差分光束传播法仿真设计了一种具有强限制作用的InP/InGaAsP材料的多模干涉型耦合器.输入/输出端波导均采用楔形结构以降低多模干涉型耦合器的插入损耗,提高各个输出端口的出光平衡度.根据仿真结果,结合波导芯层为采用外延生长设备,采用反应离子刻蚀工艺制作了1×乘4多模干涉型耦合器.利用自动对准波导耦合测试系统对所制作器件的插入损耗和出光平衡度进行测量.测试结果表明,该器件在1 550nm波长附近的40nm带宽范围内获得了约2.6dB的通带平坦度,在1 550nm通信波长处,器件的插入损耗低于10dB.     

基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器的设计

提出一种基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器,用于分离1310 nm和1550 nm两个波长.通过合理选择夹层结构芯区的折射率及波导间隙,可以调节同一波长两个正交偏振模的耦合长度相等,实现偏振无关;通过合理选择夹层结构波导宽度,可以使两个波长分别从不同输出波导端口输出,实现解复用功能.运用三维有限时域差分法进行建模仿真,对结构参数进行优化,并对器件性能进行了分析.结果表明:该器件定向耦合波导的长度为23μm,插入损耗低至0.1 dB,输出波导间的串扰低至–26.23 dB,3 dB带宽可达290 nm和200 nm.另外,本文提出的器件采用Si3N4/SiO2平台,可有效减小波导尺寸,提高集成度,不仅实现了偏振无关,而且结构紧凑、损耗低,在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.     

平面弯曲波导耦合器的特性分析

根据耦合模理论和弯曲波导耦合器的结构特点，对平面弯曲波导耦合器的特性进行了分析，结果表明弯曲波导耦合器的弯曲半径和最小间距两个可调变量，增加了波导器件设计的灵活性；同时由于等效耦合长度的调制作用使得弯曲波导耦合器在波分复用/解复用中比平行直波导耦合器具有更大的复用带宽；分析了弯曲半径和最小间距对弯曲波导耦合器复用带宽的影响，为实际波导器件的设计制作提供了一定的理论依据.     

采用三维波束传输法的多模干涉耦合器成像位置的数值计算

多模干涉(MMI)耦合器需要精确定位成像位置,以便器件的设计制作。针对强限制和弱限制的三维多模波导干涉耦合器,采用三维交替方向隐式有限差分光束传输法(BPM),数值计算得出多模波导长度、输入波导和输出波导位置。首先通过对对称干涉多模干涉耦合器的数值分析求得多模干涉耦合器的等效宽度Weq及最低二阶模之间的拍长Lc,然后将这些参量结合光束传输法直接用于器件设计。计算显示该方法得到的成像位置和导模传输分析法(MPA)的理论预测比较接近,但Weq和Lc却是由光束传输法计算得到的,导模传输分析法理论只能在得到Weq和Lc的前提下才能得到成像位置。该方法直接针对三维波导进行,没有采用基于等效折射率方法的从三维波导到二维波导的简化处理,并且也没有采用导模传输分析法所采用的近似,保证了计算精度,对于实际多模干涉器件的设计制作可起参考作用。     

Compact triplexer in two-dimensional hexagonal lattice photonic crystals

We design a compact triplexer based on two-dimensional (2D) hexagonal lattice photonic crystals (PCs).A folded directional coupler (FDC) is introduced in the triplexer beside the point-defect micro-cavities and line-defect waveguides.Because of the reflection feedback of the FDC,high channel drop efficiency can be realized and a compact size with the order of micrometers can be maintained.The proposed device is analyzed using the plane wave expansion method,and its transmission characteristics are calculated using the finite-difference time-domain method.The footprint of the triplexer is about 12× 9 μm,and its extinction ratios are less than –20 dB for 1310 nm,approximately –20 dB for 1490 nm,and under –40 dB for 1550 nm,making it a potentially essential device in future fiber-to-the-home networks.     

基于硅基二氧化硅阵列波导光栅宽带低串扰单纤三向器

采用硅基二氧化硅阵列波导光栅设计并制作了宽带低串扰单纤三向器.为使三个波长间隔相差较大的输出谱获得相同的带宽,在输出波导与罗兰圆交界采用了不同结构的多模干涉器.二维有限差分束传播法的模拟结果表明,理论上1310nm、1490nm和1550nm波长的3dB带宽分别达到23nm、23.5nm和25nm,插入损耗均为4dB,1310nm波长的串扰小于-40dB,1490nm与1550nm波长间串扰小于-40dB;采用宽带光源测试结果表明,1550nm波长的3dB带宽为23nm,采用三个独立窄带光源测试结果表明,三个波长的插入损耗均为7dB,1310nm波长的串扰小于-40dB,1490nm与1550nm波长间的串扰小于-39dB,测试与模拟结果基本一致.     

Fabrication of optical waveguides in electron resist films

The fabrication of laterally bounded optical waveguides in an electron resist film is described. The procedure is extremely simple since no processing is required once the desired pattern is electronically inscribed and has enabled us to fabricate complex elements such as directional couplers and filters. Guides having a width of 5 μm and a height of 1 μm have had losses ranging from 2 to 5 dB/cm when excited with 0.6328 μm light.     

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.     

Design for broadband high-efficiency grating couplers

In this Letter, we propose general optimization methods to design broadband high-efficiency grating couplers for planar waveguides. We attribute the coupling bandwidth to the mismatch of effective indices between the diffracted beam and the actual grating structure around the operation wavelength for fiber to waveguide excitation. The coupling bandwidth formula is deduced. A simple parameter-separate optimization procedure is proposed for general layered grating couplers for high coupling efficiency. Using our principle, we optimized a grating coupler for a horizontal slot waveguide operating at wavelength 1.55 μm for TM polarization. The grating coupler has 1 dB bandwidth of 60 nm and coupling efficiency of 65% with incident light from single-mode optical fiber (SMF) at 8°.     

BPM Simulation and Comparison of 1 × 2 Directional Waveguide Coupling and Y-Junction Coupling Silicon-on-Insulator Optical Couplers

For developing large area opto-electronic silicon-on-insulator (SOI) devices, the optical coupler is a basic key device. In this article, the authors design and simulate 1 2 2 directional waveguide coupling and Y-branch coupling optical couplers based on Unibond SOI rib waveguides. The beam propagation method (BPM) is used for light propagation analysis. The simulation results and comparisons of the two kinds of optical couplers are reported. The S-bend waveguide for attaching to the two kinds of SOI optical coupler is also analyzed by BPM. We find that the directional coupler has lower power loss, but the Y-junction coupler is more wavelength insensitive with the same device size and splitting angle. The fabrication tolerance analysis shows Y-junction coupler has better fabrication characteristics.     

空间四波导的传输特性分析与应用

借助于Marcatili原理,将二维分布的空间四波导分解为波导横截面上两个垂直的五层平板波导的组合,提出适于用分离变量处理的解析模型。利用微扰方法对模型与实际结构的偏差进行了一级修正,给出了传播常量的一级和二级近似表达式、静态模场分布、耦合系数以及传输特性公式,并比较了此方法与有限差分直解波动方程和光束传输两种数值方法的计算结果,探讨了该模型的适用性和优点,并检验了其精确性。应用该理论设计了包含光纤到户交换机常用的1.31μm,1.49μm,1.55μm波长的四波长粗波分复用器件,其插入损耗为0.68 dB,通过进一步优化分离的输出端口和波导结构可以获得更好的性能。     

Paired interference 3-dB coupler based on SOI rib waveguides with anisotropic chemical wet etching

A 3-dB paired interference (PI) optical coupler in silicon-on-insulator (SOI) based on rib waveguides with trapezoidal cross section was designed with simulation by a modified finite-difference beam propagation method (FD-BPM) and fabricated by potassium hydroxide (KOH) anisotropic chemical wet etching. Theoretically, tolerances of width, length,and port distance are more than 1, 100, and 1 μm, respectively.Smooth interface was obtained with the propagation loss of 1.1 dB/crn at the wavelength of 1.55μm. The coupler has a good uniformity of 0.2 dB and low excess loss of less than 2 dB.     

光纤到户用单纤三向复用器芯片的研究

采用非对称Y分支波导和多模干涉型耦合器级联的方案设计出了一种光纤到户用单纤三向复用器芯片.模拟光谱响应结果表明,三个波长输出光斑清晰,实现了1 490 nm和1 550 nm下行波长的下传和1 310 nm波长的上传.有限差分束传播法模拟结果表明:该器件插入损耗小于1.49 dB,三个响应波长的带宽满足ITU.984 规定的带宽要求|1 310 nm上传信号隔离度达到47 dB以上,1 490 nm与1 550 nm间信号隔离度达到29 dB以上.     

光子晶体定向耦合三波长功分器

以二维三角晶格光子晶体为研究对象,在该光子晶体中引入两行以一行耦合介质柱为间距的平行单模线缺陷波导.通过分析和研究光子晶体波导耦合结构的耦合和解耦合特性,发现在不同频率下耦合波导的耦合长度不同.利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射光频率下,缺陷波导间耦合波导的耦合长度,设计了一种新型超微光子晶体波导耦合型三波长功分器,实现了归一化频率分别为0.369、0.394、0.435的光波的分束效果.采用时域有限差分法验证了该功分器具有很好的功率分配效果.本文结果有助于光子晶体新型滤波器、定向耦合器、波分复用器、偏振光分束器以及光开关等光子器件的研究.