一维光子晶体槽型微环谐振器及其传感特性

为了使折射率传感器具有高品质因子和高灵敏度,提出一种基于槽型光波导的一维光子晶体微环谐振器。该结构中两种不同状态的光模式在不同的光路上相互干涉而产生Fano共振,这种非对称线型的结构能够获得更高的消光比和品质因子,在折射率传感方面也有更好的灵敏度。采用时域有限差分法对结构进行分析和模拟仿真。仿真结果表明,所提结构的品质因子达到30950,比传统微环谐振器提高4倍以上;消光比为29.08 dB,比传统微环谐振器高出16.89 dB。在折射率传感特性的分析中,所提结构的灵敏度达到344 nm/RIU,比传统微环谐振器提高3倍;灵敏度检测下限为1.4×10^-4 RIU。     

基于光栅辅助微环结构的高斜率Fano谐振器

在集成光学回路中,相较于对称的洛伦兹线型,非对称的Fano谐振线型能实现光传输强度的急剧改变,从而有效提升光开关、调制器和传感器的灵敏度.提出了一种基于光栅辅助微环结构的Fano谐振器.该谐振器采用绝缘体上硅材料,通过在跑道微环内加入两组波导光栅结构实现Fano谐振.基于传输矩阵理论,推导了该谐振器的传输谱线,并分析了器件中不同结构参数对Fano谱线谐振峰位置、凹陷深度和斜率的影响,实现了最高斜率为-299.67 dB/nm、凹陷深度为9 dB、损耗为6.4 dB的Fano谐振谱线.该Fano谐振器具有斜率高、尺寸小、制造简单等优势,能广泛应用于光开关、光传感和光探测等领域.     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

基于绝缘硅超小微环谐振器的微波光子相移器设计EI北大核心CSCD

设计了一种基于绝缘硅材料的超小微环相移器,能够在自由频谱范围内实现2π相移的同时相移达到最佳线性化.根据全通微环谐振器的相移特性可知,在临界耦合点时微环谐振器达到π的相移,在过耦合领域达到2π相移.分析了直波导宽度及间距两个参量,用精细度F表征间距,讨论了由于这两个参量变化对微环谐振器相移的影响,并且给出了设计的相移范围和相应的功率变化.实验结果表明:若采用40GHz的射频信号,设计的微环相移器射频相移范围为0～4rad,功率变化不到6dB.     

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.     

基于差分群时延的磁场传感中光纤布拉格光栅结构影响的性能分析

对基于差分群时延的磁场测量方法中光纤布拉格光栅(FBG)结构的影响进行了分析。利用耦合模理论和传输矩阵法仿真,分析了均匀FBG的长度和折射率调制系数对传感系统测量范围和灵敏度的影响。同时改变FBG制作结构,研究了啁啾光栅、相移光栅和切趾光栅的差分群时延性能。并对各种光栅结构的差分群时延峰值大小进行了理论和实验比较。对均匀光栅和相移光栅的实验比较测量表明,采用相移光栅结构可以明显提高传感测量系统的灵敏度,实验数据和理论吻合较好。     

基于带有模式分离器的微环谐振器的波长-模式混合复用系统

在微环谐振器耦合区添加模式分离器,提出一种硅光混合集成的波长复用和模式复用的结构,以解决微环谐振器无法进行模式分离的问题。该微环谐振器的品质因子为3 692,3 dB光学带宽为52 GHz,自由光谱范围为1.03 THz,TE0模式产生的串扰为-11.0 dB,插入损耗低至-0.66 dB。基于此,提出一个双模式输入的发射-接收的模式复用系统。仿真结果显示该系统可以有效分离TE0和TE1模式,且微环具有波长选择能力。系统复用器和解复用器在C波段可以实现超紧凑的波长/模式复用结构。此外,制造公差从-10 nm到+15 nm内滤出端口有大于1 dB的响应,传输端口有小于-20 dB的响应。该微环结构能够同时实现模式和波长选择功能。     

具有皮秒量级开关窗口的光波导微环谐振器

提出一种可以产生皮秒量级开关窗口的光波导微环谐振器,对其设计与性能进行了分析和研究。采用多环层叠结构来设计微环谐振器的传输特性曲线,利用特性曲线的非线性特征,在正弦电压的作用下改变材料的折射率可获得一个较窄的开关窗口。采用耦合矩阵理论研究了系统的调制特性以及开关窗口特性,分析了开关窗口宽度和消光比与驱动电压的关系。研究结果表明,10 GHz驱动电压情况下,开关窗口宽度、消光比和插入损耗可以分别优于10 ps,40 dB和1 dB。只需要电的控制信号而无需高质量的光控制脉冲,且具有工作速率高、结构简单、消光比高、传输损耗小和工作电压低等特点。     

高Q值、超窄带宽反向耦合型相移光栅

相移光栅是光子集成电路的基本元件之一，被广泛应用于多种领域中。与传统的反射型相移光栅相比，反向耦合型相移光栅无需光环形器，易实现大规模集成。提出了一种高Q值、超窄带宽的反向耦合型相移光栅。利用光栅的Moire效应，通过将不同周期的波导光栅组合在一起，实现了Q值为12893、3 dB凹陷带宽为0.12 nm的反向耦合型相移光栅。该相移光栅具有尺寸小、Q值高和凹陷带宽窄等优势，能被广泛应用于生物传感、激光器和波长滤波等领域中。     

基于等效折射率人工剪裁的宽带高效光栅耦合器

利用不同占空比的亚波长结构剪裁光栅槽的等效折射率来改变光栅的衍射特性实现衍射输出光束与单模光纤之间的模式匹配,通过优化埋氧化层厚度和集成底部金反射镜,可以改善光栅耦合器弱的方向性,从而设计出用于SOI波导与光纤之间高效率耦合的光栅耦合器。采用本征模展开方法,模拟了光栅耦合器随剪裁的光栅槽等效折射率变化的相关特性,在SOI波导和单模光纤之间对波长为1550nm的光获得了最高93.1%的耦合效率,3dB带宽为82nm。     

温度测量范围加倍的单微环传感器

本文提出了一种基于U形波导耦合单微环结构的新型SOI(绝缘体上硅)温度传感器.温度变化引起感温部位有效折射率和长度变化,导致传感器的输出光谱发生漂移.根据传输矩阵法和耦合模理论,设计了新型传感器模型,并且分析了感温部位不同时系统输出光谱特性.结果表明:当U形波导耦合单微环整体结构感温时,输出光谱无伪模,消光比达到31 dB,可作为最佳感温元件.相比于传统的双直波导耦合单微环结构,当U形波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍数时,FSR(自由光谱范围)可加倍至56 nm,灵敏度提高到89.2 pm/?C,测量范围为298—720 K,实现了SOI微环谐振器的高温测量.     

用于光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔的改进的Rouard算法

比较了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔的极限法、平衡法及传输矩阵法3种算法,证明了它们是一致的,指出了光纤布拉格光栅复振幅传输矩阵的相移特性对法布里一珀罗腔透射率的影响.对计算任意折射率调制的光纤布拉格光栅的Rouard算法进行了改进,在分层方法中考虑了折射率分布初始相位的影响,获得了更为准确的反射复振幅相位特性,将该结果应用于计算光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔,得到了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔具有多峰结构的透射谱,并经过实验验证了该理论的正确性.     

光梯度力驱动的纳米硅基光开关

通过一道光改变另一道光的传输路线是光子集成网络中重要而长远的目标, 然而, 由于硅材料的光学非线性较弱, 在硅材料上实现开关的全光控制难以实现. 因此本文提出了一种由光梯度力驱动的纳米硅基光开关, 实现了硅基光开关的全光控制. 该光开关由一个部分悬空的微环谐振器和一个交叉波导结构构成, 当通入一道控制光时, 悬空的微环谐振器在光梯度力的作用下发生弯曲, 微环谐振器的谐振波长随之发生变化, 从而实现光信号的传输路线发生改变. 该光开关利用纳米光子制造技术在标准绝缘体上硅晶圆上制造, 实验数据得出其最小消光比为10.67 dB, 最大串扰为 -11.01 dB, 开关时间分别为180 ns和170 ns. 该光开关具有尺寸小, 响应速度快, 低损耗和可拓展等优点, 在片上集成光路、高速信号处理以及下一代光纤通信网络中具有潜在应用.     

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     

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。     

串联双微环湿度传感器光谱特性研究

提出了一种基于串联双微环谐振器的新型聚酰亚胺(Polyimide,PI)湿度传感器,采用传输矩阵法和耦合模的理论计算微环谐振器的传递函数,并对比了传统单微环与串联不同半径的双微环的输出光谱特性。外界湿度变化使得聚酰亚胺SOI波导吸收水汽后折射率发生变化,从而引起微环输出光谱发生漂移,通过探测光谱漂移量来测湿度值,得到了串联双微环传感器的灵敏度和测量范围,并且分析了感湿部位不同时谐振器输出光谱特性。理论结果表明：串联不同半径的微环谐振器的自由光谱范围（FSR）要比单微环有所提高,而且串联双微环谐振器整体感湿比单个微环单独感湿的传感性能更优良,可作为最佳的湿敏元件。与传统的单微环传感器相比,串联不同半径的微环结构可提高系统的测量范围和灵敏度,半径为30和50 μm的串联微环谐振器的FSR可达到0.15 μm,传感器测量湿度范围为10%RH～80%RH,灵敏度可达到0.001 7 μm·(%RH)-1。因此串联不同半径的双微环谐振器为制备成本低、结构简单、高灵敏度、可集成的微型湿度传感器件提供一定理论基础。     

垂直耦合结构纳米微环谐振器工艺失准分析

垂直耦合结构纳米微环谐振器是光子集成电路的重要组成单元.主要研究了与其实际制作相关的工艺失准问题.针对高折射率差波导材料垂直耦合结构纳米微环谐振器,先用耦合模理论解析方法研究了耦合系数与直波导和微环波导耦合层厚度d以及横向偏移量△之间的关系,为三维时域有限差分法(3D-FDTD)的精确数值计算确定了模拟范围.之后结合解...     

硅基光波导化学传感器研究

研究了基于硅基集成光波导的马赫-曾德干涉仪(MZI)型化学传感芯片的设计、制备及相关敏感特性的模拟和分析.传感芯片采用硅基二氧化硅光波导材料,利用与传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的工艺技术制作.通过波导的单模设计以及对MZI结构的优化,获得了有效折射率分辨率达到10-7量级的高灵敏度传感芯片.作为化学传感器,把MZI的其中一臂设计成传感臂.并进行适当的表面修饰,可制作出高灵敏度的干涉型光波导化学传感器.最后,对该传感器的折射率分辨率、敏感特性等进行了分析、模拟,同时,对面临的关键问题进行了分析和讨论.     

硅基槽式微环谐振腔型偏振解复用器全矢量分析

提出一种紧凑型偏振解复用器, 其中两条常规硅基波导作为输入/输出信号通道, 居于其中的槽式微环谐振腔用于偏振态/波长选择组件. 采用全矢量频域有限差分法详细分析了硅基常规及槽波导的模式特性, 结果发现其横磁模的模场布及其有效折射率相似, 而其横电模相应的特性则差异明显, 结果输入横磁模能够在谐振工作波长下从下路端口输出, 而输入横电模与微环耦合可以忽略, 直接从直通端口输出, 从而实现两偏振态的高效分离. 采用全矢量时域有限差分法详细分析了该偏振解复用器的光波传输特性, 结果表明, 当微环半径为3.489 μm时, 在1.55 μm工作波长下, 横磁模与横电模的消光比与插入损耗分别为 ～ 26.12 (36.67) dB与 ～ 0.49 (0.09) dB. 另外, 论文详细讨论了器件关键结构参数的制作容差, 并给出了输入模场在器件中的传输演变情况.