硅基光栅耦合器的研究进展

硅基光子集成芯片的研究近年来发展迅速, 已成为信息技术领域中最热门的研究方向之一, 光通信、光互连、光传感等相关研发应用机构高度关注其发展, 并积极介入. 硅基光子集成芯片中, 光栅耦合器作为光信号的输入和输出装置受到极大重视, 尤其在封装和测试等环节体现出极具价值的技术优势. 本文主要分析了光栅耦合器的工作原理、基本特性及国内外的发展现状和趋势, 同时也概括了本课题组近期在该方向上的研究成果.关键词：光栅耦合器耦合效率绝缘体上硅光子集成     

不同折射率调制的光纤光栅的特性及其应用

介绍了九种不同折射率调制的光纤光栅的折射率分布及其光谱特性,建立了各种光纤光栅的数学模型,并分析了它们的优缺点及其应用特点。给出了各种光纤光栅之间的联系,并指出两种或多种单一折射率分布的光纤光栅的组合形式将是以后的发展趋势。以折射率分布为出发点,深入地讨论了各种光纤光栅的周期、折射率调制深度、中心反射光波长或透射光波长、带宽、反射率等参数与其功能的关系,为实际系统的设计提供了参考。     

镀膜长周期光纤光栅耦合系数的研究

给出了镀膜长周期光纤光栅芯层模式和包层模式耦合的耦合系数的详细表达式,应用此表达式对镀膜长周期光纤光栅的耦合系数的特性进行了较为详细的研究。研究发现:1)同次模式的耦合系数随薄膜厚度变化而变化,在某些厚度下,奇次模式耦合的耦合系数与偶次模式耦合的耦合系数几乎相等;2)在某些厚度处,交流耦合系数会有跳变发生;3)交流耦合系数随环境折射率的变化而变化,并且当环境折射率靠近光纤包层折射率时交流耦合系数会有急剧跳变发生。     

Ability and Limitation of Effective Medium Theory for Subwavelength Gratings

In the recent researches of subwavelength relief gratings, the effective refractive indices are used for calculating the coefficients of reflection and transmission of light waves. The effective refractive indices are given by the effective medium theory for light waves propagating in a bulky stratified medium. This paper describes the ability and limitation of the theory applied to estimate the performance of such subwavelength gratings. The limitation is revealed by numerical calculations using a rigorous electromagnetic grating theory and the effective medium theory. As a result, an understanding of the wave behavior in the subwavelength grating has been acquired, which explains the limitation of the effective medium theory.     

长周期光纤光栅模式与耦合的研究

长周期光纤光栅是在光纤纤芯中沿轴向形成折射率周期性调制的带阻型光纤器件。与光纤布拉格光栅不同,它表现为前向传播的纤芯基模与同向传播的各阶次包层模式在特定波长的耦合。研究了纤芯基模、包层模式（HE1t/EH1t）及其有效折射率随波长的变化,研究了纤芯基模与包层模式（HE1t/EH1t）的耦合系数。研究表明,纤芯基模与一阶低次包层模式的有效折射率随波长增大而减小,纤芯基模与HE1t产生的耦合系数远大于与EH1t的耦合系数,并且包层模式次数较低时,耦合系数随次数的升高而增加。这与以前的研究结果有所不同。     

不同包层直径的倾斜光纤光栅折射率传感特性

倾斜光纤光栅的透射谱中有纤芯模和大量的包层模,它们具有与布拉格光栅相同的温度特性.利用HF酸腐蚀的方法得到具有不同包层直径的倾斜光纤光栅,研究了其对外界折射率的传感特性.结果表明,外界环境折射率在1.333～1.4532之间变化时,同一直径倾斜光纤光栅的高阶包层模的敏感性要比低阶包层模强;随着包层直径的减小,包层模的敏感性增强,且在折射率比较高的环境中有更高的敏感性.因此,利用倾斜光纤光栅的温度特性不仅可以解决温度交叉敏感问题,而且通过小同的腐蚀程度能定制所需要的灵敏度,以实现对环境折射率的高灵敏度测量.该办法可应用于对生物和化学等高灵敏度传感领域的各种溶液进行实时监控.     

少模光纤布拉格光栅折射率传感的分析与测量

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大.实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果.而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法.这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径.     

利用线阵CCD测定液体折射率

采用几何光学与波动光学相结合的方法,利用CCD图像测量技术实现了透明液体折射率的自动化测量.     

多量子阱波导等效折射率的新公式

利用转移矩阵技术,建立了薄膜近似下的多量子阱波导芯子区域等效折射率的解析公式。该公式是偏振态和量子阱波导折射率分布的函数。     

聚合物分散液晶光栅的衍射特性的研究

报道了一种由聚合物分散液晶膜与具有周期性条状电极结构板结合的新型光栅器件，借助于聚合物分散液晶膜的电光特性，这种栅对入射光的散射或衍射取决于对其施加的电压，即它是电场可调的，实验结果显示出当驱动电压超过器件器件阈值电压时，衍射光的强度和衍射斑的可见级次被电场调制，而且它能入射光的线性偏振态变为椭圆偏振态。     

一种制作超高频全息光栅的新方法

为了满足测量的高分辨率和灵敏度,基于光栅为关键元件的光学测量方法要求光栅有很高的频率。在已有的高折射率介质制栅方法的基础上提出了一种新的制作超高频全息光栅的方法,该方法制栅准确、简单、方便,其特点是所制光栅的频率与激光波长及介质的折射率无直接关系,而是等于制栅光路所得频率与两倍母栅频率之和。实验表明,利用该方法制得１００００线／ｍｍ的光栅是完全可能的     

利用光衍射效应探测周期极化微结构晶体

以光栅衍射理论为基础,从理论上分析研究了微结构晶体衍射效率与占空比和折射率的关系.采用波长为532nm,最大功率为80mW 的连续激光为光源,分别对周期极化掺镁铌酸锂微结构晶体和周期极化同成分铌酸锂微结构晶体的占空比及极化反转引起的折射率变化进行了测试.测试结果表明,掺镁铌酸锂晶体周期极化反转所引起的折射率改变量大于同成分铌酸锂晶体极化反转所引起的折射率变化.关键词：光栅衍射占空比折射率变化     

Oval-Shaped Spectrogram Formed by Randomly Oriented Refractive Index Gratings in Photorefractive Crystals

Ｏｖａｌ┐ＳｈａｐｅｄＳｐｅｃｔｒｏｇｒａｍＦｏｒｍｅｄｂｙＲａｎｄｏｍｌｙＯｒｉｅｎｔｅｄＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＩｎｄｅｘＧｒａｔｉｎｇｓｉｎＰｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅＣｒｙｓｔａｌｓＳＨＥＷｅｉｌｏｎｇＹＵＺｈｅｎｘｉｎ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａ...     

镀有SiO_2-WO_3薄膜LPFG折射率传感特性研究

采用四层阶跃折射率几何模型,研究了镀有SiO2-WO3薄膜LPFG在溶液折射率测量方面的特性,并与未镀膜情况进行了比较。当LPFG包层外镀膜后,测量纯水、CaCl2溶液(浓度为450gL-1,折射率为1.4056)时波长漂移量分别是未镀膜时的1.67和2.55倍;谐振峰的损耗变化分别是未镀膜时的4.44和2.82倍;在1.36-1.38折射率范围内,传感器的灵敏度和分辨率分别是216.58nm和0.82×10-5,是镀膜前的3.27和0.30倍,说明镀膜后LPFG对溶液折射率测量的灵敏度和分辨率得到了很大的提高。     

基于长周期光纤光栅的折射率与浓度传感方案的研究

采用简化的3层光纤模型,利用耦合模理论对长周期光纤光栅周围环境折射率、浓度敏感特性进行研究,并用计算机进行模拟及数值计算．得出长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境折射率及浓度的关系．实验证明测量结果与计算机模拟结果基本吻合。     

超声光栅实验中声致折射率变化的研究

为了研究声光效应中声致折射率变化情况,以超声光栅实验为基础,用CCD结合光强分析软件,分析了衍射光的强度分布;通过数值计算衍射光相对强度,比较得到了在超声场频率为10.27 MHz时,介质中的声光相位延迟Aφ=I.2855 rad,声致折射率变化量Δn=3.014×10-6;进而讨论了电声换能器的机电耦合效率与超声频率的关系,给出当超声频率为10.33 MHz时,耦合效率最高,介质中折射率变化量最大;结果表明,在超声光栅实验中,引入这些测量内容,不仅能丰富实验内容,更能加深学生理解声光效应,扩展学生的知识面.     

温度对气体折射率的非线性影响

对测量群折射率的迈克耳孙白光干涉技术进行了改进,采用光栅线位移传感器提高反射扫描镜的位移精度. 实验确定了空气折射率对温度的非线性曲线拟合方程,其拟合因子的精度达到10-5℃-1.