反馈式跑道型光学微环的传感灵敏度研究

提出了一种由U型反馈波导、跑道谐振腔和敏感环组成的反馈式跑道型光学微环传感器.采用耦合模理论推导了该传感器的归一化输出光强公式,数值分析了传输损耗因子、自耦合因子和敏感环尺寸对归一化输出光强的影响.分析表明:敏感环的损耗因子对归一化输出光强的调制作用明显,只要损耗因子发生微小变化,输出光强即发生较大变化;敏感环工作在弱耦合状态时传感灵敏度较高;敏感环的尺寸对传感灵敏度影响较大,适当地调整敏感环的大小可得到陡峭的输出光强谱线.对结构参数进行优化后不仅可以输出尖锐陡峭的非对称法诺谐振光强谱线,而且具有较高的法诺谐振光谱斜率,能更好地增强传感灵敏度.在信噪比为30dB的测量系统中,优化的反馈式跑道型光学微环传感器的探测极限达4.48×10-8单位折射率.     

马赫曾德环腔相位调制器的研究

为提高相位调制器的调制效率,结合单直波导光学环腔与带反馈的马赫曾德,提出用环形谐振腔等效为马赫曾德的上、下臂的新结构.采用耦合模理论推导了该模型的输出相位及归一化光强输出公式,数值分析了传输损耗因子、耦合角度对归一化输出光强及输出相位的影响.分析表明,输出光相位谱线随敏感环相位改变呈周期性变化,当耦合角度逐渐增大时,输出光相位谱线变尖锐,此时若要使输出相位产生π的相位差,敏感环的相位调制角度需较大.当传输因子较小时,相位谱线变化比较平缓,其最大值与最小值之间的差值不满足π的相位差.根据分析结果对结构参量进行优化,发现通过调节敏感环结构的耦合系数可以提高调制效率,仿真结果表明,当敏感环相位变化0.1π时,可以输出π的相位变化,同时归一化光强保持在0.9,满足了差分相移键控所需要的相位变化和信号幅度一致的要求,为进一步研究相位调制器提供理论依据.     

微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究

为满足加速度传感器微型化、低成本的需求,提出了一种带有单微环谐振腔的悬臂梁式光学加速度传感器结构,采用耦合模和传输矩阵理论求取了微环谐振器的传递函数,利用检测同一波长处光强度变化的新测量方法实现了对加速度的探测,从而得到了加速度传感器的灵敏度和探测极限,深入研究了不同结构参数对系统灵敏度的影响,数值仿真并分析了输出端口的光谱特性。结果表明：加速度传感器在外界加速度作用时,悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲,使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变,即微环谐振器的长度和折射率都发生了变化,从而光在微环谐振器中的传输特性发生变化,因此可以通过探测微环输出端光场强度的变化来测定加速度值;悬臂梁的长度、厚度以及微环谐振腔的固定位置都是影响加速度传感器性能的直接因素,并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度。经过数值仿真,对于信噪比为30 dB系统,波长在1.515 μm处,悬臂梁的长度、厚度分别为180和3 μm时,系统的灵敏度可达到2.112 g-1,探测极限为1.421×10-3 g,因此在悬臂梁可承受的范围内,选取长度较长的悬臂梁结构能够有效地改善系统的灵敏度和探测极限。该结构为制备高灵敏度、低成本、易于加工的加速度传感器及可嵌入式微型光学器件提供理论基础。     

基于眼型谐振腔的Fano谐振曲线尖锐度的分析

为了获得较大的尖锐度,提升微环传感器的灵敏度,提出利用眼型谐振腔结构在下路端输出的非对称Fano谐振光谱,眼型谐振腔由一个外环和内环构成,外环与总线波导耦合,内环与外环耦合.利用传输矩阵法对下路端输出光谱进行了数值计算,在不同剩余电场比例系数下,发现非对称Fano谐振峰的尖锐度随电场剩余比例系数的增大而增大;改变外环与总线波导间的场强耦合系数和内环与外环之间的场强耦合系数,其尖锐度的最大值随外环和内环场强耦合系数变化缓慢增大,尖锐度最大值处谐振点传输系数值在不同电场剩余比例系数和内外环场强耦合系数下稳定在-6dB附近.因此利用眼型谐振腔结构下路端的Fano谐振峰,可获得对耦合系数不敏感的尖锐度和谐振点传输系数,降低器件对耦合区加工准确度的要求.     

579 nm外腔式拉曼激光器传输耦合方程的数值计算

 为了提高以KGd(WO4)2晶体为拉曼介质的外腔式拉曼激光器的输出功率和转化效率,采用面积求和法编制matlab计算程序,对该激光器的传输耦合方程进行数值求解。计算得到了一至三阶斯托克斯光输出光强随时间的变化规律和受激拉曼散射的弛豫振荡过程。得出：拉曼谐振腔输出耦合镜对一阶斯托克斯光的反射率越高,拉曼谐振腔内的一阶斯托克斯光功率密度就越高,越有利于泵浦光向二阶斯托克斯光的转换。     

带有开口方环谐振腔的MIM波导的Fano谐振特性研究

本文设计了一种支持Fano谐振传输特性的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导和一个开口方环谐振腔组成。利用数值方法详细研究了Fano谐振传输特性对几何参数的依赖关系,并通过时域耦合模理论(CMT)对给定参数条件下的传输谱进行了拟合验证。同时,也对该结构在折射率传感器方面的应用进行了研究,通过计算介质折射率变化引起的Fano谐振峰的波长变化可以发现,传感器的灵敏度高达1500nm/RIU,品质因子超过1800。这种表面等离子体光波导结构在光子器件集成及纳米滤波器、快速光开关以及折射率传感器等领域有一定的应用前景。     

枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明：左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm～1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.     

再入式光纤角速率传感器的研究

对新型再入式光纤角速率传感器进行了理论分析与实验研究 ,推导了它的光强透过率、灵敏度以及极限分辨率的解析表达式 ,分析了环形谐振腔中定向耦合器的耦合比与灵敏度以及极限分辨率的关系 ,并依据理论分析 ,研制了采用长度为 2 0 0m环形谐振腔的再入式光纤角速率传感器的实验装置。实验结果表明 ,这一实验装置具有0 2 (° h)的常值漂移以及优于 0 1(° h)的零偏稳定性 (10s积分时间和 10min采样样本长度 )     

孔径光阑输出对太赫兹激光器模式特性的影响

孔径光阑耦合技术是大功率光泵气体太赫兹激光器的一种常用谐振腔设计方法。在不考虑波导对腔内模式形成的影响下,采用传输矩阵的特征向量法,针对孔径光阑耦合太赫兹谐振腔的腔内本征模式以及输出光束特性进行了数值模拟,得到了该种谐振腔在不同g参数下损耗最低的几种本征模式及其相应的衍射损耗;采用衍射积分与矩阵光学结合的方法计算了孔径光阑输出太赫兹激光的光束特性,得到不同本征模式的远场衍射光斑及发散角。研究工作为孔径光阑耦合的气体太赫兹激光器设计提供了理论参考。     

基于Ring-down光学谐振腔的新型瓦斯传感器

提出将光谱吸收型传感技术和Ring-down光学谐振腔理论相结合的设计思路,将吸收光强与气体含量之间的定量关系与Ring-down光学谐振腔理论有机结合起来,设计了基于Ring-down光学谐振腔理论的光学瓦斯(甲烷)气体传感器气体吸收腔,以解决传统瓦斯传感器因为气体的谱宽很窄而难以提高微弱信号检测精度和灵敏度的问题....     

纳流通道-谐振腔耦合结构测量荧光物质微位移

本文提出了一种纳流通道-谐振腔耦合结构,用于实现对荧光物质微位移的检测.在本文中,首先,使用时域有限差分法,研究了量子点偏振态及结构参数对荧光与结构耦合效果的影响,进而对结构进行优化;然后,通过测量耦合结构输出光功率的变化,实现对荧光物质微位移的检测;最后,对影响传感灵敏度的因素进行研究.结果表明,相比传统方法,纳流通...     

缓变回旋管谐振腔研究

在高次模回旋管中, 模式竞争是亟待解决的问题. 本文基于广义传输线理论, 得到能准确描述缓变结构谐振腔模式耦合的一阶传输线方程组; 通过分析耦合系数, 优化得到了一种新型光滑渐变(缓变)谐振腔. 与直线连接的(折变)谐振腔相比, 该腔体有更强的模式抑制能力, 腔中非工作模式归一化幅值可达-100 dB, 输出行波段非工作模式归一化幅值可达-88.6 dB.     

谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响

研究了谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响。构建无液膜负载和有液膜负载下压电基片和金属指条结构的三维有限元模型,利用有限元方法提取不同周期结构的耦合模参量,结合P矩阵级联技术,推导出传感器灵敏度随检测器腔体结构改变的变化关系。实验制备了两种三换能器结构的声表面波谐振器,其输入换能器与输出换能器间距离分别为22.25倍波长和1.25倍波长,通过测试甲基膦酸二甲酯气体,验证理论计算结果。结果表明:缩短谐振器的谐振腔长度使器件中心处能量更为集中,有效地提高了声表面波气相色谱仪灵敏度。      

谐振腔光纤陀螺相位调制复位误差影响的研究

对数字相位斜波调制中2π复位误差对谐振腔光纤陀螺（R-FOG）的影响进行了研究.结果表明,相位复位误差将会导致R-FOG输出光强信号的波动,光强波动周期等于相位斜波复位周期.反射输出光强的波动在相位斜波的前后半周期明显不同,前后半周期输出光强平均值的差异与复位误差的大小和方向相关.提出了一种相位调制复位误差的消除方法,利用前后半周期平均光强差作误差信号,反馈控制相位调制通道增益,可实现复位误差的消除.     

谐振式检测器指条厚度对质量型声表面波传感器灵敏度的影响

研究了谐振器指条厚度对质量型声表面波传感器灵敏度的影响.利用耦合模方程推导出耦合模参量与周期栅阵禁带边界频率的关系,结合有限元及P矩阵模型,获得了声表面波传感器灵敏度随指条厚度的变化关系。制备3种不同铝指条厚度(1600?,1900?,3100?)的声表面波谐振器,通过对其表面中心区域沉积SiO_2层验证了计算结果。结果表明:采用ST-X石英基底的声表面波谐振器对SiO_2负载检测时,传感器的灵敏度随铝指条厚度的增加先变大后减小,最优归一化指条厚度为1.9%。分析表明,指条厚度对传感器灵敏度的影响主要来自于传播速度和耦合系数的共同作用,通过优化指条厚度的方法可改善传感器的灵敏度.     

激光、激光技术 激光器结构与设计

TN2422006054034热透镜谐振腔参数对指向精度的影响=Influence of ther-mal lens resonator on pointing stability[刊,中]/路鑫超(华北光电技术研究所.北京(100015)),刘先达…//激光与红外.—2006,36(6).—448-451从谐振腔理论出发,论证了谐振腔参数与谐振腔灵敏度对热透镜谐振腔指向精度的影响,计算了经过优化后的热透镜谐振腔参数,并通过实验测量了不同谐振腔参数下输出激光的指向精度。实验结果表明,优化后的热透镜谐振腔具有较高的指向精度。图6参6(王淑平)激光、激光技术 激光器结构与设计…     

含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.     

用于集成光学陀螺的波导谐振腔设计

给出了一种集成光学陀螺谐振腔的优化设计方案,在保证集成光学陀螺精度的同时更利于微型化。选用传输损耗为0.01dB/cm的硅基二氧化硅材料作基底,谐振腔内损耗仅为0.5dB,保证了谐振腔的高清晰度;采用准单模矩形波导结构,利用弯曲波导对一阶模的有效限制实现了光的基模传输,利于谐振腔的小型化;分析了波导的传输损耗、波导耦合器分光比对谐振腔性能及陀螺极限灵敏度的影响,得出波导耦合器分光比的优化参数,并仿真得到谐振腔的谐振清晰度达到70以上。在激光器线宽为30kHz,探测器响应度0.95A/W,积分时间为10s的条件下,系统的极限灵敏度为1.6°/h。     

基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.     

SOI微环谐振腔测试信号纹波噪声的分析

基于绝缘体上硅材料（SOI）的微环谐振腔作为各种集成微光学器件的核心部件,其传输特性的好坏直接决定微光学器件的性能优劣。结合微环谐振腔理论和多光束干涉原理对微环谐振腔测试信号中纹波的产生原因和影响因素进行了分析,通过耦合实验测试得到了纹波信号的特征参数并进行了分析,实验结果与仿真分析吻合。进一步分析了耦合光栅刻蚀深度对纹波幅值的影响及原因,为微环谐振腔结构参数的进一步优化和微环谐振腔传感系统误差分析提供了依据。