二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案.以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响.理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅...     

基于边界逆向优化算法的任意分光比耦合器设计

光子集成技术的高速发展对功能器件的设计效率提出了较高的要求。逆向设计利用优化算法实现器件结构的智能设计，从而可有效降低设计复杂度，提升设计效率。利用基于伴随法的逆向设计算法对硅基平台上的光耦合器进行结构设计，通过优化器件的边界形状，实现了高效率、任意分光比输出。仿真验证了三种1×2光耦合器的性能，其分光比分别为1∶2、1∶4和1∶8(3 dB、6 dB和9 dB)。器件的设计尺寸仅为4μm×2μm，且可以通过一步刻蚀完成。在1550 nm波长处，所设计的耦合器均可达到设计目标，且最大插入损耗仅有0.12 dB。在1500～1600 nm波长范围内，三种耦合器的分光比相对于设计目标的误差均保持在±1 dB以内，并且三种耦合器的插入损耗均低于0.28 dB。针对制作工艺误差等问题，对器件的制作容差进行了分析。结果表明，当耦合器的整体宽度变化±20 nm时，三种耦合器在1550 nm波长处的分光比的误差仍能保持在±1 dB以内。此外，制造了分光比为1∶2的耦合器，且实验结果符合设计目标。     

波导阵列与光纤阵列的智能算法自动对接

开发了一种遗传算法和中心寻优算法相结合的阵列自动对接方法,试制了调芯系统,实现了光纤-光波导1×8分支耦合器-光纤阵列系统的自动对接.实验中8个通道的插入损耗平均值为-10.5 dB,均匀性小于0.5 dB,自动调芯时间小于10 min.实验结果表明该方法及其系统具有实现自动高效、低损耗对接的良好性能.     

一种改进的2×2 SOI Mach-Zehnder热光开关

本文设计并制作了基于强限制多模干涉耦合器的2×2 SOI马赫-曾德热光开关.这种光开关采用了深刻蚀结构的多模干涉耦合器和输入/输出波导,较大地提高了干涉耦合器的性能并减少了连接耦合损耗.同时,在调制臂区域采用浅刻蚀结构,保持其单模调制状态.深刻蚀多模干涉耦合器具有优越的特性,在实验中测得不均衡度只有0.03 dB,插入损耗－0.6 dB.基于这种耦合器的新型热光开关,其插入损耗为－6.8 dB,其中包括光纤-波导耦合损耗－4.3 dB,开关时间为6.8 μs.     

波导阵列与光纤阵列的遗传算法自动对接

设计了一种新的阵列对接方法,即将遗传算法导入光纤、光波导分支耦合器、光纤阵列的自动对接。数值仿真结果表明,常规的八通道波导分支耦合器的对接耦合能实现各通道小于9.1dB的插入损耗,最大值与最小值之差小于0.1dB,即自动对接方案具有良好的性能。     

一种亚波长偏振分波/合波器的研制

针对传统偏振分束器窄波段、窄角度范围的不足,研制了一种在宽波段宽角度范围内具有180°分光功能的偏振分束器/耦合器。该器件基于线栅偏振器和亚波长光栅结构原理设计,利用半导体工艺的刻蚀技术制作。利用一维金属线栅对入射电磁波的偏振响应和亚波长光栅仅存在零级衍射的特性,实现了较宽的通带宽度与可接受角度范围、极大的分光角度、高消光比和低插入损耗。实验测得透射、反射消光比均大于20 dB,插入损耗小于0.5dB。通过自行搭建的微结构测试平台,测量了p、s光的透射率、反射率随入射角度变化的曲线,和严格耦合波理论模拟结果符合。深入分析了制作中的过刻蚀对性能产生的影响。     

用于光纤光栅解调的波长敏感光纤耦合器

为了拓宽光纤耦合器的使用范围,开发光纤耦合器的新功能,采用熔锥技术制作波长敏感耦合器,该耦合器在分光的同时对波长敏感。通过耦合理论验证实验结果,实验数据与理论值相符合。实验中得到波长灵敏度最大值为17.86%/nm的耦合器。采用拉锥工艺制作波长敏感耦合器工艺简单,耦合比峰值对应波长控制易于实现。该耦合器可用于光纤光栅布拉格波长漂移解调。令待解调光纤光栅布拉格波长与耦合器波长灵敏度最大值对应的波长一致,当波长发生漂移时,耦合器输出耦合比发生变化。自制的波长敏感耦合器实现了对布拉格波长为1566.71 nm光纤光栅波长漂移的解调,波长漂移1.80 nm,耦合比变化20.34%。此种解调方式具有光路简单,易于与光纤匹配的优点,可以应用在大型建筑中光纤光栅的健康监测。     

二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。     

光子晶体波导定向耦合型1×3光分束器

将五光子晶体单模波导平行、邻近放置构成定向耦合器,依据自映像原理,数值分析了输入光场对称入射时,该系统中光的传播行为.基于此结构,设计了1×3光分束器,其器件长度可短至14.26μm.仅仅通过对称地改变耦合区中两个介质柱的有效折射率,使光场在横向发生重新分布,便可实现输出能量的均分或自由分配.通过非对称地改变耦合区中的一个介质柱,可实现3个输出端的输出能量的自由分配.该光分束器具有微小尺寸和各输出端输出能量的比例可自由调制的特点,在未来集成光回路中具有广泛的应用价值.     

对称结构光纤光栅耦合器及其应用

光纤光栅耦合器(FGC)具有光纤光栅良好的波长选择特性和光纤耦合器的多端口特点，易于实现全光纤的光波分插复用。光纤光栅耦合器主要有4种结构：基于M Z干涉仪的分离型、基于100％耦合器的非对称型、基于0耦合器的非对称型和基于100％耦合器的对称型。着重介绍对称结构光纤光栅耦合器的结构、工作原理和研究现状。提出了测试方案，并探讨了这种器件在大规模波分复用光纤传感器阵列中的应用。     

一种基于斜光栅辅助的非对称耦合器型光分插复用器

提出了一种基于斜光栅辅助的非对称耦合器型光分插复用器。运用复合波导的三维正交模式,对器件的三种可能的结构进行了理论分析,选出粗波导光栅型结构。利用耦合模理论,模拟了斜光栅的耦合特性并对其倾斜角进行优化设计。通过回波峰值设计法,将器件的工作波长放在波分复用信道之内,回波峰值波长放在波分复用信道之外,使得器件的性能大有提高。模拟结果表明器件的串扰可达到-30 dB,回波损耗可达到-25 dB。同时,器件的关键工艺容差较大,易于批量化生产。当斜光栅的倾斜角度在2.5°到4.5°之间时,器件的串扰低于-28 dB,回波损耗低于-22 dB。     

位错型微机械可变光衰减器的研究

介绍了一种基于微机械技术实现的可变光衰减器,通过微电磁驱动器改变输入输出光纤之间的径向偏移量来调整衰减量。基于波导传输理论分析确定了器件的结构参量,并通过集成电路微细加工工艺实现了器件的制作和封装。测试结果表明,该可变光衰减器的插入损耗小于1dB,动态范围约35dB,工作电压小于5V,偏振相关损耗小于0.1dB,体积为20mm×15mm×8mm,有望为全光网提供一种低成本,高性能的光通信器件。     

CMOS compatible highly efficient grating couplers with a stair-step blaze profile

A novel grating coupler with a stair-step blaze profile is proposed.The coupler is a CMOS process compatible device and can be used for light coupling in optical communication.The blaze profile can be optimized to obtain a high efficiency of 66.7% for the out-of-plane coupling at the centre wavelength of 1595 nm with a 1 dB bandwidth of 41 nm.Five key parameters of the stair-step blaze grating and their effects on the coupling are discussed for the application in L band telecommunication.     

Design and Simulation of Broadband Beam Splitter on a Silicon Nitride Platform for Optical Coherence Tomography

ABSTRACT

Integrated photonics enables the miniaturization of bulk optical components for biosensing applications such as optical coherence tomography (OCT) and is therefore promising for future lab-on-chip solutions. Here, we report the design and simulation of a compact low loss broadband beam splitter with arbitrary coupling ratios on silicon nitride platform for OCT systems. The reported coupler uses asymmetric waveguide-based phase control section for 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, and 50:50 splitting ratios and is broadband over 100 nm with the central wavelength of 850 nm. The couplers are realized for transverse electric, transverse magnetic, and fully vectorial modes, and maximum excess loss for all mode types is reported to be less than 0.19 dB. The design tolerance of waveguide width and thickness of the designed coupler is further calculated and is within fabrication limit.     

High‐efficiency single etch step apodized surface grating coupler using subwavelength structure

Grating couplers are key elements enabling the coupling of light between planar waveguide circuits and optical fibers. In this work, it is demonstrated using simulations and experiments that a high coupling efficiency can be achieved for an arbitrary buried oxide thickness by judicious adjustment of the grating radiation angle. The coupler strength is engineered by subwavelength structure, allowing straightforward apodization and single etch step fabrication. The design has been implemented using Fourier‐eigenmode expansion and finite difference time domain methods. The measured coupling loss of a continuously apodized grating is −2.16 dB with a 3 dB bandwidth of 64 nm, therefore opening promising prospects for low‐cost and high‐volume fabrication using 193 nm deep‐ultraviolet lithography. It is also shown by simulations that a coupling loss as low as −0.42 dB is predicted for a modified coupler structure with bottom mirror.     

Tapered fused fiber bundle coupler capable of 1 kW laser combining and 300 W laser splitting

A high efficiency 7 × 1 multimode fiber coupler using the method of fusion and tapering is reported. This coupler can be applied to combine laser power, ad it can be used as a 1 × 7 splitter with reversible simultaneously. In the experiment, for combiner, coupling output power of 1032 W is obtained with the input power of 1066 W. The total coupling efficiency is 96.8%. The average insertion loss of each input fiber is 0.14 dB at ∼150 W input power. To splitter, the sum of 7 output ports power is 294 W with the input power of 341 W, and the insertion loss is about 13.8%. This fiber coupler can be applied in pumping all-fiber double clad fiber laser, as well as power combination and splitting of fiber lasers.     

一种二元光学元件阵列微芯模的工艺设计研究

提出一种二元光学元件微型芯模的工艺设计方法,该方法利用了数字调制器件（DMD芯片）的空间光调制特性。首先通过编程设计出二元光学器件的相关软件,以实现菲涅耳透镜、达曼光栅、龙基光栅等各种矢量图形,经过14倍精缩光学系统,将由DMD芯片生成的二元光学器件图像成像在涂有光刻胶的基板上。经显影、定影和坚膜后,再利用电化学蚀刻,得到一种二元光学阵列的微芯模。这种二元光学的芯模制作方法可以方便、高效、低成本地用于制作微光学器件。     

单模与多模光纤耦合器的光束合波

现有的光纤耦合器在作为分波器使用时具有较低的插入损耗,在作为合波器时插入损耗较大,为实现低损耗合波目的,提出一种由单模与多模光纤共同构成的混合型光纤耦合器。利用耦合波方程理论分析其工作原理,计算机模拟其耦合过程。采用熔锥法制作工艺,完成单模与多模光纤耦合器的制作,实验结果与理论模拟相吻合;该器件单模到多模光纤的耦合效率、多模到多模光纤的耦合效率均在90％以上,实现了两路光束的功率合波。作为低插入损耗合波器件可广泛应用于光通信以及双包层光纤激光器抽运光的注入。     

Dammann光栅在光互连中的应用

本文将Ｄａｍｍａｎｎ光栅［１，２］应用于光互连，提出了用Ｄａｍｍａｎｎ光栅实现完全混洗的方法．一个２×２的Ｄａｍｍａｎｎ光栅与一个成像透镜的组合，具有与四焦点透镜类似的成像作用．像面上，像的位置与Ｄａｍｍａｎｎ光栅的位置有关，适当选择光栅的位置可以实现不同元素数目及不同元素密度的完全混洗．本文给出了有关的理论推导及实验结果．     

High efficiency grating couplers based on shared process with CMOS MOSFETs

Grating couplers are widely investigated as coupling interfaces between silicon-on-insulator waveguides and optical fibers.In this work,a high-efficiency and complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) process compatible grating coupler is proposed.The poly-Si layer used as a gate in the CMOS metal-oxide-semiconductor field effect transistor(MOSFET) is combined with a normal fully etched grating coupler,which greatly enhances its coupling efficiency.With optimal structure parameters,a coupling efficiency can reach as high as ～ 70% at a wavelength of 1550 nm as indicated by simulation.From the angle of fabrication,all masks and etching steps are shared between MOSFETs and grating couplers,thereby making the high performance grating couplers easily integrated with CMOS circuits.Fabrication errors such as alignment shift are also simulated,showing that the device is quite tolerant in fabrication.