基于电驱动纳米光栅的结构设计及仿真分析

针对传统机械光栅周期不可调、检测精度低、无法实现光谱的连续扫描等问题,提出了一种基于石墨烯(GNP)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)构成的复合材料的低压直流电驱动可调谐纳米光栅,并对光栅整体结构进行了设计.利用COMSOL Multiphysics软件研究了光栅结构尺寸和驱动电压对光栅周期和膜层温度的影响规律.分析结果表明,在低电压驱动下膜层最大温度变化约为160℃,光栅周期在5s内的最大调谐量为160 nm.此外,在不同的驱动电压下,光栅周期和膜层温度的变化规律是相似的,这满足了工业气体的不同检测需求.     

PDMS梯度光栅结构制备技术研究

由于传统方法制作的梯度光栅,工艺条件苛刻,制作过程复杂,难以控制,制作成本高,周期较长,提出了一种成本低、工艺简单、可大量制备梯度光栅的工艺方法,采用基于刚性薄膜/柔性衬底的自组装工艺和氧等离子体(Plasma)的方法制备了微米尺度的梯度光栅,利用Plasma时间的可控性和聚二甲基硅氧烷(PDMS)优异的弹性制得所需要尺寸的光栅。首先在聚乙烯对苯二酸脂(PET)薄膜上旋涂一层PDMS薄膜,待PDMS薄膜固化后将双层薄膜弯曲并用Plasma处理,在其表面生成一层刚性氧化层,借助柔性的PET对刚性层施加均匀应力,当应力超过临界值时,在PDMS基底上自组装形成光栅褶皱结构。由于弯曲时预应力的变化,所以在PDMS薄膜上会形成周期和高度呈阶梯状的的光栅褶皱,也就是梯度光栅。采用可见光作为梯度光栅的性能测试光源,选用一级衍射光作为检测对象,从图谱中可以看出以PDMS为基底制备的光栅具有很好的衍射效应,并可实现很好的分光效果。实验表明：梯度光栅具有明显的衍射现象,并且衍射角变化显著,可广泛用于应力测量。这种方法制备的柔性梯度光栅也可以作为微型应变装置来检测应力的变化,未来有望用于微型光谱仪、扫描仪、光通讯等领域中。     

基于铌酸锂薄膜波导的电光调谐光栅辅助定向耦合器研究

提出并实验研究了一种基于铌酸锂薄膜光波导的电光调谐的光栅辅助定向耦合器。该耦合器由单模与双模脊形波导及制作于双模波导侧壁的长周期光栅构成。长周期光栅的引入补偿了单模与双模波导中基模的相位失配,可在共振波长实现两波导中基模的高效耦合。进一步地,在双模脊形波导两侧制作调谐电极实现了高速、低驱动电压的电光调谐功能。优化了器件的制作工艺,并采用单次干法刻蚀将耦合器的光栅与波导同步制作于X切铌酸锂薄膜上。测试结果表明所制作的器件在1 595.3 nm波长处实现了14.8 dB的隔离度,其电光调谐效率为0.38 nm/V(1 595.3 nm～1 599.0 nm),热光调谐效率为0.14 nm/℃（25℃～50℃）。该器件可用于实现可调谐滤波、滤模、电光调制及高灵敏度温度传感等功能。     

可编程带宽波长独立可调光纤光栅滤波器

研究了一种基于线性啁啾光纤布拉格光栅(LCFBG)和热光相移技术的可编程带宽波长独立可调光纤光栅滤波器,透射峰数目、带宽、中心波长及波长间隔独立可调。由于热光效应,对LCFBG局部区域进行加热便可在加热处引入相移,使LCFBG透射禁带上产生透射峰。采用可编程的热打印头作为数字化加热单元,精确加热光纤光栅的特定位置,通过控制加热区域的数目和加热区域的间隔来分别确定透射波长的数目和透射波长的间隔;通过改变LCFBG被加热区域的宽度,实现可变带宽滤波。此可编程带宽波长独立可调光纤光栅滤波器的透射峰带宽调谐范围为0.07～1.55nm,透射峰中心波长调谐范围为1547.44～1558.64nm,两透射峰间距最小为0.95nm。     

超导-介质型Fibonacci光子晶体的透射谱与滤波特性分析

目前广泛应用的可调谐光滤波器通过调节干涉腔长度来实现波段的调谐。它需要制备高反射悬浮膜,而悬浮膜在驱动电压的影响下其运动会受到限制,且较窄的透射峰与较大的调谐范围二者不可兼得。为此,本文将光子晶体中的其中一种介质以超导材料取而代之。基于超导理论,利用传输矩阵法对一维超导-介质型Fibonacci光子晶体的透射谱进行了计算,讨论了厚度、折射率以及温度对透射谱的影响。结果表明,受光子带隙的影响,超导体的频率禁带中会出现一系列的通带;Fibonacci等级的增加会导致第一透射峰更加尖锐;介质层光学厚度增大、超导层厚度减小、温度升高均能使透射峰向长波方向移动。最后,在透射谱分析的基础上给出了结构为S11(S5)n的滤波特性,兼顾透射峰半高宽与可调谐范围,确定了滤波器的可调谐波段,在无需调整任何几何参数的条件下实现了温控调谐。     

光学薄膜塔姆态诱导石墨烯近红外光吸收增强

提出了一种增强石墨烯光吸收率的布拉格光栅/石墨烯/金属薄膜光学结构。运用传输矩阵和时域有限差分法研究了其光传输特性,发现布拉格光栅与金属薄膜之间形成的塔姆等离激元局域场可有效增强光与石墨烯的相互作用,单层石墨烯的近红外光吸收率约增大了36倍。探讨了布拉格光栅的周期、石墨烯位置、入射角度、布拉格光栅层厚度及石墨烯化学势与石墨烯光吸收的关系。研究结果表明,上述物理参数的变化可有效调控石墨烯的光吸收波长及效率。研究结果为高性能石墨烯探测器等新型光电子器件的实现提供了新的途径。     

亚波长金属光栅的光耦合增强效应及透射局域化的模拟研究

介质层上的亚波长金属光栅产生的表面等离子体（surface plasmons,SPs）可以极大地增强光栅下介质层内的透射光强.增强作用从500 nm延续到近红外区域.在波长610 nm附近有接近110%的增强,在波长700 nm及740 nm处也有180%左右的增强.而这个波长范围与薄膜太阳能电池的吸收谱很相近,因此这种结构有望大幅度提高薄膜太阳能电池及不同波长光探测器等光电转换器件的光耦合效率. 关键词： 表面等离子体 亚波长光栅 薄膜太阳能电池 透射增强     

可调谐交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器

设计一种新颖的交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器。利用石墨烯与电介质交界面产生的表面等离子体效应,在中红外波段获得双共振透射现象,结合石墨烯的电可调特性来实现透射谱的动态调制,采用时域有限差分法研究该结构中石墨烯的化学势、层数及几何参数对双共振透射现象的影响。结果表明:通过改变石墨烯的化学势及层数能够实现共振位置的调谐;优化结构参数后,该结构具有较好的传感性能和双共振透射现象,2个共振谷的灵敏度分别高达(1280±24) nm/RIU和(2800±49) nm/RIU,品质因数分别为17.1 RIU~(-1)和12.3 RIU~(-1)。研究结果为石墨烯等离子体生物传感器的设计提供了理论依据。     

磁光光子晶体结构的法拉第效应增强

在超薄薄膜的基础上,基于时域有限差分法原理,利用FDTD Solutions仿真软件分别研究了基于两种多层膜结构和一种金属光栅结构的磁光光子晶体法拉第旋光效应。研究表明,多层膜结构的法拉第旋光效应增强原理为入射光在薄膜中心层的透射谱谐振,而金属光栅周期结构的法拉第效应增强是通过金属光栅激发表面等离子体实现的;在三种结构中,金属光栅周期结构具有更广的法拉第偏转角增强域。进一步通过参数优化,实现对金属光栅周期结构工作波长的可调节性研究,为薄膜型磁光器件设计提供了理论依据。     

基于石墨烯纳米条波导边耦合矩形腔的等离子体诱导透明效应

为了减小器件尺寸、实现超快速响应和动态可调谐,研究了基于石墨烯纳米条波导边耦合矩形腔的单波段和双波段的等离子体诱导透明(PIT)效应,通过耦合模式理论和时域有限差分法从数值计算和模拟仿真两方面分析了模型的慢光特性.通过调节石墨烯矩形腔的化学势,同时实现了单波段、双波段PIT模型的谐振波长和透射峰值的可调谐性.当石墨烯的化学势增加时,各个波段PIT窗口的谐振波长逐渐减小,发生蓝移.此外,通过动态调谐石墨烯矩形腔的谐振波长,当石墨烯矩形腔的化学势为0.41—0.44 eV时,单PIT系统的群折射率控制在79.2—28.3之间,可调谐带宽为477 nm;当石墨烯矩形腔1, 2, 3的化学势分别为0.39—0.42 eV, 0.40—0.43 eV, 0.41—0.44 eV时,双PIT系统的群折射率控制在143.2—108.6之间.并且,整个系统的尺寸小于0.5μm~2.研究结果对于超快速、超紧凑型和动态可调谐的光传感、光滤波、慢光和光存储器件的设计和制作具有一定的参考意义.     

基于PDMS薄膜的等离子体光栅仿真分析

为了实现对等离子体光栅共振波长的测量,研究光栅参数对应力的响应敏感程度,提出了一种新型的应力敏感型聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜等离子体光栅.基于时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法的原理,构造了一种结构仿真模型,即周期性等离子...     

Magneto-Optic Fiber Gratings Useful for Dynamic Dispersion Management and Tunable Comb Filtering

Intelligent control of dispersion management and tunable comb filtering in optical network appfications can be performed by using magneto-optic fiber Bragg gratings （MFBGs）. When a nonuniform magnetic field is applied to the MFBG with a constant grating period, the resulting grating response is equivalent to that of a conventional chirped grating. Under a linearly nonuniform magnetic field along the grating, a linear dispersion is achieved in the grating bandgap and the maximal dispersion slope can come to 1260ps/nm2 for a l0-mm-long fiber grating at 1550nm window. Similarly, a Gaussian-apodizing sarnpled MFBG is also useful for magnetically tunable comb filtering, with potential application to clock recovery from return-to-zero optical signals and optical carrier tracking.     

High efficiency continuous-wave tunable signal output of an intracavity singly resonant optical parametric oscillator based on periodically poled lithium niobate

In this paper we report on a continuous-wave (CW) intracavity singly resonant optical parametric oscillator (ICSRO) based on periodically poled LiNbO₃ (PPLN) pumped by a diode-end-pumped CW Nd:YVO₄ laser. Considering the thermal lens effects and diffraction loss, an optical ballast lens and a near-concentric cavity are adopted for better operation. Through varying the grating period and the temperature, the tunable signal output from 1406~nm to 1513~nm is obtained. At a PPLN grating period of 29~μ m and a temperature of 413~K, a maximum signal output power of 820~mW at 1500~nm is achieved when the 808~nm pump power is 10.9~W, leading to an optical-to-optical conversion efficiency of 7.51%.     

Narrow-bandwidth tunable bandstop filters with circularly cylindrical self-suspended silicon gratings

A circularly cylindrical self-suspended silicon grating (SSG) is proposed, and its reflectance spectrum is investigated by the rigorous coupled-wave method (RCWM). For TM incident polarization, when the grating period is tuned, numerical results by the RCWM reveal that the circularly cylindrical SSG possesses a tunable narrow reflectance bandwidth property in the optical telecommunication wavelength region. It is also demonstrated that both TM incident polarization and the circular grating cross section are easier to bring narrow reflectance bandwidth, compared with TE incident polarization and square grating cross section. Via a micro-electromechanical systems actuator, the proposed circularly cylindrical SSG is expected to serve as a narrow-bandwidth tunable bandstop filter in micro-optical telecommunication systems.     

Study and investigation of long period grating as refractive index sensor

In this paper, we have investigated the response of long period grating (LPG) as refractive index sensor. The response has been studied for refractive index variation ranging from 1 to 1.45. In this work, we found that the sensing mechanism is based on two different aspects. First is the change of coupling power from the guided core mode to other co-propagating cladding modes and second is the wavelength shift of the peak resonant wavelengths from their original positions due the change of refractive index of the environmental (external) medium surrounding the cladding of the grating.     

Tunable Ytterbium-Doped Fiber Laser Based on a Mechanically Induced Long Period Holey Fiber Grating

We describe a tunable double-clad Yb-doped fiber laser based on a long period fiber grating mechanically induced in a section of single mode holey fiber inserted into the laser cavity. The mechanically induced long period holey fiber grating acts as a wavelength-selective fiber filter whose central wavelength, linewidth, and strength can be tuned by changing the period, the length of the grating, and the applied pressure. The fiber laser gives a ∼12.6 nm tuning range, from ∼1079:4–1092nm, with slope efficiencies of 18.7–26.3% at this wavelength range, with respect to the launched pump power.     

基于准相位匹配晶体的宽带可调谐光参量放大过程研究

系统分析了基于准相位匹配晶体的光参量放大过程中极化周期和非共线结构对信号光调谐带宽的影响.提出了最大极化周期的概念,用于描述非共线相位匹配和群速度匹配同时满足时晶体的极化周期所能达到的最大值,给出了用于计算不同温度下周期极化铌酸锂晶体的最大极化周期的数学公式,并确定了宽带可调谐光参量放大过程应使用的最佳非共线结构.当采用此非共线结构时,通过将晶体的极化周期设定为最大极化周期可以在相对最大的波长范围内实现信号光的调谐放大输出.在此基础上提出了一个用于最大化光参量放大过程的信号光调谐带宽、确定工作温度等最佳工作参数以及简化实验操作方法的可行性方案.最后对最大极化周期和非共线结构对光参量放大的参量带宽的影响进行了研究. 关键词： 光参量放大 极化周期 非共线结构 带宽     

准相位匹配PPMgLN光参量振荡技术

 理论上分析了PPMgLN光参量振荡波长调谐特性,计算了泵浦阈值和转换效率。准相位匹配情况下,周期调谐是获得中红外波长调谐有效方法之一。采用高斯光束泵浦,当泵浦功率密度超过阈值泵浦功率密度约6.5倍时,可以获得最高转换效率,约71%。采用1 064 nm激光泵浦多周期PPMgLN晶体,实验上获得了波长调谐范围2.7~4.8 mm,当泵浦功率为8 W时,在波长3.7 mm处激光输出功率超过1.6 W,斜效率超过20%,相应的转换效率约为69%,与理论分析基本一致。     

一维增透亚波长光栅的研究

将具有高透射性的亚波长光栅置于微机械波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)的内腔当中可以提高波长的调谐范围,为了使波长调谐范围达到最优则必须优化高透射性的亚波长光栅使其透射率达到最大。利用严格耦合波法分析了亚波长光栅的占空比、周期、厚度和入射角对其透射率的影响并找出最优的光栅参数。通过计算分析可得,对于TE和TM偏振存在最佳的占空比使其透射率达到99.5%。在文中条件下,它们对应的占空比分别为0.23和0.80。而光栅厚度对于TE和TM偏振透射率的影响是周期性的,在一个周期内存在一个最佳值使其透射率达到最高。在文中条件下,TE偏振的厚度周期是150 nm,TM偏振的厚度周期是300 nm。当光栅参数不变时,无论是TE还是TM偏振光,它们的透射率只有在垂直入射光栅时(入射角为0°)才能达到最大。而通过等效介质原理可以得出,周期对透射率没有影响。最后计算了透射率在光栅厚度和占空比同时变化时的变化趋势,并从中得出最优的光栅参数。