基于共振波导光栅结构准连续域束缚态的低阈值纳米激光器的数值研究

纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件.激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小,其损耗迅速增大.连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗.本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures,RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值.将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式.本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性.结果表明:TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%.TM偏振光照射时,阈值比传统RWG结构降低了3.3倍.而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级,这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内,增强了光与增益材料的相互作用,从而降低了纳米激光的阈值.     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

基于导模共振效应三基色窄带滤光片的研究

为获得性能优良的三基色窄带滤光片,提出了一种基于减反射薄膜波导光栅结构的导模共振滤光片.该滤光片由亚波长光栅结构、波导层和基底组成.采用严格耦合波理论分析了亚波长光栅结构和波导层厚度对导模共振滤光片反射光谱性能的影响.数值分析表明λ/4-λ/2-λ/4结构能有效提高导模共振滤光片的性能.当光栅结构位于基底侧时,红绿蓝三...     

介质光栅导模共振耦合波分析

导模共振是由于光栅介质内高级次子波耦合进光栅所支持的泄漏模中,导致传播波能量重新分布的结果.采用严格的耦合波方法,通过分析波导的导波模式,正确估计出弱调制介质光栅导模共振的位置.并对导模共振与光栅厚度、基底厚度以及入射角的关系作了讨论.通过采用抗反射设计,获得了具有对称、低旁带特点的窄带共振峰 关键词： 导模共振 耦合波     

反射型光变色超表面滤光结构

提出了一种反射型超表面滤光结构,该滤光结构由基底、低折射率纳米光栅、Ag光栅、SiNx高折射率介质层组成.理论模拟结果表明:45°入射角下,在垂直于光栅栅线的入射平面内,反射谱峰值出现在475 nm波长处;在平行于光栅栅线的入射平面内,反射谱峰值出现在550 nm波长处.其电场分布特性表明,在不同的平面内TE偏振入射光激发的导模共振区域不同,TM偏振下激发的导膜共振强度与表面等离子体共振强度不同,导致该结构在垂直于光栅栅线方向与平行于光栅栅线方向的两个平面内表现出两种截然不同的颜色.基于此制备的超表面结构样品不但光变色效果明显,且易于与纳米压印工艺相结合实现大幅面光变色结构制备,在防伪和图案信息编码等领域有广阔的应用前景.     

二波混频高功率单频窄线宽光纤激光器

设计并制造了一种基于二波混频的高功率单频窄线宽光纤激光器.激光器采用长线形腔结构,以Er3+/Yb3+双包层光纤作为增益介质,利用输出信号光分束反馈注入,与腔内振荡激光混频干涉,形成分布的增益光栅与折射率光栅共同作用选模,获得稳定的1550.63 nm单频高功率激光输出.在975 nm多模激光二极管(LD)抽运下,激光...     

反射型导模共振滤波器设计

导模共振滤波器由于其高峰值反射率,低旁带反射,窄带以及带宽可控等优良特性引起了人们极大的关注,采用亚波长光栅的导模共振效应可以实现传统基于高低折射率介质的多层膜滤波器所无法实现的特殊功能,在弱调制模式下,其共振带宽可以被压缩到零点几纳米,但是由于介质表面和空气层的菲涅耳反射,使得偏离或者远离共振区时的反射率偏高,根据等效介质理论,亚波长光栅在远离共振区可以被看为均匀的薄膜,本文通过对导模共振光栅进行单层、双层以及三层抗反射设计,有效的降低了导模共振光栅的旁带反射率,从而在可见光波段获得了性能优良的共振滤波 关键词： 导模共振 平面波导 傅里叶模式理论 窄带滤波     

傅里叶域锁模扫频激光光源

报道了一种傅里叶域锁模(FDML)的扫频激光光源.扫频激光光源由激光谐振腔和光功率增强单元组成,激光谐振腔主要包含增益介质、调谐滤波器和延迟线.增益介质采用了两个串联的半导体光放大器,调谐滤波器则采用了基于利特罗结构的光栅旋转多面镜.研制的FDML扫频激光光源的中心波长为1290 nm,扫频速度为14.8 kHz,扫频...     

光电集成与器件

TN256 2004064289 氧化多孔硅周期性波导光栅耦合器的实验研究=Grating coupler of oxidized porous silicon[刊,中]/贾振红(新疆大学信息科学与工程学院.新疆,乌鲁木齐(830046)),涂楚辙…∥光电子·激光.—2004,15(5).—534-536 报道了用两柬相干激光在HF溶液中的多孔Si(PS)表面上干涉形成光强周期分布,通过光溶解得到了孔隙率周期变化的结构.从而制备出氧化PS周期性波导光栅。实现了辐射模与波导中传输模之间的耦合,并由外部入射光波或衍射光的方向确定了波导层的有效折射率。图3参10(于晓光)     

基于导模共振效应提高石墨烯表面等离子体的局域特性

本文构建了一种包含石墨烯和亚波长光栅的复合结构, 借助衍射光栅的导模共振效应, 在石墨烯表面激发高局域性表面等离子体激元, 研究了石墨烯与光栅结构对表面等离子体激元局域特性的影响规律, 并借助基于有限元法的COMSOL软件, 分析了缓冲层厚度、光栅周期、载流子迁移率和费米能级对石墨烯的表面电场、品质因子Q和有效模式面积S_eff的影响. 结果表明, 石墨烯表面等离子体激元的局域性在特定的参数点获得显著提高: 当μ = 0.7 m²/(V·s)时, 品质因子达到最大值Q_max = 1793; 当p = 235 nm或E_F = 0.72 eV时, 表面电场达到了入射光的3000倍以上. 强烈的局域性导致强烈 的光-物质相互作用, 因而本文提出的复合结构可实现高灵敏度传感器和高效率的非线性光学设备, 极大地扩展了石墨烯在纳米光学领域中的应用.     

基于混合表面等离子体波导的纳米激光器的研究

设计了一种带有金属脊和低折射率介质夹层的新型混合表面等离子体波导结构，利用有限元法对该结构进行了数值仿真。COMSOL Multiphysics软件是一款基于有限元法模拟真实物理现象的仿真软件。在COMSOL Multiphysics软件平台上，构建该结构的三维模型，使用模态分析和频域分析模块，研究了其电场分布、归一化模式面积、传输长度、增益阈值、品质因数。结果表明：在工作波长为370 nm时，所设计波导的光场约束可达到较好的深亚波长水平，同时保持大的传输长度。提出的带有金属脊结构与平坦金属层结构相比，波导特性更好。将该结构应用于纳米激光器，由基模和纵模反映出，激光器内光场分布稳定且集中在极小的面积内。在波导特性良好的情况下，该激光器可保持较低的增益阈值和较高的谐振腔品质因数。综合考虑，选取最优尺寸为ｒ＝80 nm, d＝45 nm，此时有效模式面积为0.005 1λ2，传输长度为1 668 nm，增益阈值为1.46×10-6 m-1, 品质因子74.5。最后，在最优尺寸下，通过仿真得到了该结构的发射光谱，其发射波长为360 nm，输出电能比输入电能增强了3 100倍。该结构为小型化和集成化的纳米设备提供了技术支持，在生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。     

Design of single-material guided-mode resonance filter

In this letter, a guided-mode resonance （GMR） filter with the same material for both the grating layer and the waveguide layer is designed, and its optical properties are investigated. The GMR filter owns almost 100% reflection at the resonance wavelength of 800 nm with the full-width at half-maximum （FWHM） of 20 nm, and its sideband reflection from 700 to 1000 nm is less than 5%. As the resonance wavelength is influenced by more than one parameter during the fabrication process, GMR filter with the same resonance wavelength can be obtained by adjusting other parameters or even one parameter to deviate from the design value.     

Low threshold gain metal coated laser nanoresonators

We introduce a low refractive index layer between the metal and the gain medium in metal-coated laser resonators and demonstrate that it can significantly reduce the dissipation losses. Analysis of a gain medium waveguide shows that for a given waveguide radius, the low index layer has an optimal thickness for which the lasing threshold gain is minimal. The waveguide analysis is used for the design of a novel three-dimensional cylindrical resonator that is smaller than the vacuum wavelength in all three dimensions and exhibits a low enough threshold gain to lase at room temperature.     

Authentication labels based on guided-mode resonant filters

A guided-mode resonance (GMR) filter with wide angular tolerances is experimentally demonstrated as an authentication label illuminated with unpolarized white light. The proposed filter, based on a free-standing silicon nitride membrane suspended on a silicon substrate, is fabricated by using anisotropic wet etching to remove the substrate beneath the silicon nitride layer. Both grating and waveguide structures without a lower cladding layer, i.e., a substrate, are fabricated simultaneously on a silicon nitride membrane. Since the silicon nitride is transparent within the spectra of visible and infrared light, such suspended-membrane-type GMR filters are well suited for applications within the visible spectrum. Moreover, the high refractive index of silicon nitride allows the proposed filters to have strongly modulated gratings and an immunity to high angular deviation. The measured reflection resonance has an angular tolerance up to +/-5 degrees under normal incidence for the wavelength of 629.5 nm.     

Below-band-gap waveguiding behaviors of a weakly index-guided GaAs/AlGaAs quantum well laser

We report the reduced waveguiding efficiency for the signals around 1560 nm as the injection current of an GaAs/AlGaAs multiple quantum well laser diode (lasing wavelength at 840 nm) with a ridge-loading waveguide configuration increased. This reduction trend stopped when the injection current reached the threshold condition of the laser diode. The decreased waveguide transmission and the more expanded mode profile indicated the variation of the effective refractive index gradient in the lateral dimension with injection current. This variation was due to the refractive index decrease with increasing carrier density even below band gap. A slab waveguide model was used to simulate the lateral mode profile variation with injection current. The refractive index differences between the guiding layer and claddings in the slab waveguide model provided estimates of refractive index contrasts of the laser diode at a concerned wavelength under various injection conditions.     

表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析

基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hänchen)位移理论,提出一种表面覆膜波导光栅传感结构,并研究其共振光谱特性。通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,选用多孔硅作为待测物承载单元,可以使光学探针更充分地接触待测样本,从而提高其检测性能。根据波导光栅共振相位条件,建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型,通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。研究表明,该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性,可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性,其Q值为1 488,对折射率的检测极限可达5×10-4 RIU(RIU为折射率单位)。通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析,结果表明,共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系,对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%,证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性,可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测,并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。     

All organic DFB laser enhanced by intermediate high refractive index polymer layer

Performances of a distributed feedback (DFB) organic dye laser were enhanced by introducing an intermediate high refractive index layer of poly(N-vinylcarbazole) (PVCz) laminated between a glass substrate and a laser dye doped active polymer layer. The active layer is consisted of rhodamine 6G and cellulose acetate (CA). Introduction of an intermediate layer allows a single mode lasing. Slope efficiencies of 2.2 and 4.7% and thresholds of 0.3 and 0.14 mJ/cm²/pulse were measured for the waveguides with 1.7 and 3.4 μm active layers, respectively. Furthermore, permanent relief grating on an intermediate layer gave rise to the reduction of the threshold. With increasing in amplitude of the relief grating from 20 to 45 nm, lasing threshold was reduced from 0.18 to 0.04 mJ/cm²/pulse for the waveguide with 1.7 μm active layer. The slope efficiency increased from 3.5 to 4.2%.     

胆甾相液晶激光器的调谐特性研究

基于胆甾相液晶螺距及折射率随温度与电场变化的特性, 研究了温度与电场对液晶染料可调谐激光器发射特性的影响. 首先探讨了手性剂浓度、温度与液晶螺距的关系, 制作了液晶染料可调谐激光器, 在温度23–35℃变化时, 其发射波长调谐范围为618.90–594.76 nm, 达到24.14 nm, 在电压0–9 V 变化时, 其发射波长调谐范围为617.40–608.11 nm, 共9.29 nm. 关键词： 可调谐激光器 胆甾相液晶 激光染料     

SU-8光栅结构中的液晶激光特性

设计制作了SU-8光栅结构的染料掺杂手性向列相液晶激光器件,在器件正面和侧面均实现了随机激光辐射。将激光染料PM597、手性剂S-811、向列性液晶TEB30A按一定比例均匀混合,注入反平行摩擦处理的液晶盒中,器件的下基板通过光掩模法刻蚀出周期为15μm的光栅。利用532 nm的Nd∶YAG固体脉冲激光器作为泵浦源,器件的侧面既在580~590 nm范围内出现了多个离散分立的随机激光辐射峰,FWHM约0.19 nm,又在579~585 nm范围内出现独立的两个激光辐射峰,FWHM约0.19 nm;在器件正面获得了584~590 nm范围的随机激光辐射谱,FWHM约0.17 nm。加热器件至61℃,液晶相变为各向同性态,器件侧面仍出现了波长约590.60 nm、FWHM约0.24 nm的激光辐射峰。分析得出,液晶盒中引入SU-8光栅结构后,光子同时在液晶分子间多重散射和SU-8光栅中布拉格反射获得反馈放大,两种机制相辅相成。器件侧面出现的独立激光辐射峰主要由SU-8光栅布拉格反射提供反馈放大形成,而器件侧面和正面的随机激光辐射峰主要由液晶分子间多重散射提供反馈放大形成。     

光纤回音壁模式的三波段激光辐射研究

将石英光纤浸入低折射率的激光染料溶液中构成圆柱形微腔.采用沿光纤轴向光抽运的消逝波激励增益方式,获得了沿光纤轴向长距离的激光染料增益,受激辐射光在圆柱形微腔中回音壁模式的支持下形成激光振荡.在直径为288 μm的同一根光纤外分三段分别填入罗丹明6G、罗丹明610和罗丹明640激光染料乙二醇溶液,实现了波长分别在567～575 nm、605～614 nm和656～666 nm三个不同波段的回音壁模式激光振荡,用一根光纤同时获得了红、橙、黄三种不同颜色的激光辐射.对实验所获得的回音壁模式激光光谱做了模式标定,依据标定的模式数计算了各种模式以及抽运光在光纤截面的强度分布.计算结果表明,激光增益区域总是局限在圆柱形微腔回音壁模式的模场区域内,由此可以显著地提高抽运效率,增加抽运光沿光纤轴向的增益长度.