聚合物填充的狭缝波导定向耦合器的数值分析(英文)

利用亥姆霍兹方程和有限差分法,给出一种用于分析聚合物SU-8填充的双狭缝波导定向耦合特性的数值方法,推导出双耦合狭缝波导模式特性的特征方程,并做了离散化和稀疏化处理,得到耦合波导的模式场分布和有效折射率.通过求解最高阶偶对称和最高阶奇对称模式的有效折射率,得到TE和TM偏振态下定向耦合器的耦合长度.数值分析结果表明,当耦合间距小于800nm时,耦合长度小于100μm.利用椭偏仪测得狭缝波导各层材料的光学参数随工作波长的色散关系,研究分析了双狭缝波导耦合长度和模式损耗的色散特性.分析显示,随着工作波长的增大,两种偏振模式下的耦合长度均减小,且TM模式下的耦合长度大于TE模式下的耦合长度,当工作波长为1 550nm时,二者分别为28.2和26.2μm(两狭缝波导间的耦合间距为0.5μm时).同时,模式损耗也随波长的增大而减小,且TE模式损耗大于TM模式损耗,当工作波长为1 550nm时,TE及TM模式的振幅衰减系数分别为5.65和3.16dB/cm.     

掺铒聚合物狭缝波导放大器的增益特性研究

设计了一种高浓度稀土铒掺杂聚合物填充硅狭缝结构的平面光波导放大器（工作波长1 550 nm,泵浦波长1 480 nm）,能够在低泵浦下获得高增益,可以应用于硅基光互联的损耗补偿。通过扫描电镜照片观察发现,合成的铒掺杂聚合物材料具有良好的纳米狭缝填充能力。考虑铒离子的合作上转换和激发态吸收,利用铒离子四能级跃迁模型,建立原子速率方程和光功率传输方程,数值仿真分析了聚合物光学性质、狭缝波导结构参数及信号光泵浦光功率等放大器增益特性的影响因素。这种具有纳米截面尺寸的光波导放大器,获得4.5 dB的信号光相对增益仅需要1.5 mW的泵浦光,展现了良好的集成光学应用前景。为了进一步提高增益,引入了多层狭缝结构,四层狭缝波导的重叠积分因子比一层狭缝的高42%。     

聚合物脊形光波导TM模色散特性的偏振修正

有机聚合物脊形光波导的色散特性对聚合物光子学器件性能具有重要影响.本文利用标量变分理论计算脊形光波导的有效折射率,其用到的近似光场分布运用变分有效折射率法获得.考虑折射率分布的横向变化,基于导模满足的矢量波动方程,利用微扰法对标量变分理论所得有效折射率进行偏振修正,求得精度更高的色散特性.对聚合物多模脊形光波导基模和高阶模的色散特性进行分析,研究了波导结构参数对色散特性的影响,分析了单模波导TM、TE基模的偏振色散特性.研究结果表明,运用本征方程分析TM模的色散特性误差大,必须加以修正;而对于TE模,其误差相对较小.     

高折射率厚平面光波导与光纤的水平耦合技术研究

光纤与平面光波导高效耦合是光波导器件互联设计中的重要环节,常用的倒锥波导已经解决了光纤与波导芯片之间的模式不匹配问题。然而,高折射率差波导与光纤耦合时通常需要较小的尖端尺寸(<180 nm),加工复杂且波导易坍塌。设计了一种宽波段(可见光和近红外波段)光纤-波导水平耦合器,通过引入聚合物SU-8锥形结构,提高了三端口分支波导的线宽,实现了850 nm波段超过300 nm的1 dB有效带宽。     

聚合物波导制备研究

研制出可行的聚合物光波导制备工艺，采用极化电光聚合物NAPA3做芯层和CL－1做包层制作出脊型结构聚合物光波导，波导通光情况良好。     

兼具低非线性和高功率限制的狭缝波导（英文）

利用非线性效应的全矢量模型和狭缝波导的有限元模场求解法,系统地研究了狭缝波导结构和包层材料对其非线性和功率限制特性的影响.研究结果表明,狭缝波导的硅臂宽度、狭缝宽度、硅层高度和包层材料均影响其非线性和功率限制特性.对于空气包层狭缝波导,不同结构参数下的最高功率限制因子对应的非线性系数均高于20 W^-1·m^-1,而最低非线性系数6.5 W^-1·m^-1均出现在模式截止附近,泄露损耗较大,功率限制较弱,故空气包层狭缝波导无法同时实现低非线性和高功率限制;如果在狭缝波导上包覆二氧化硅,则可以同时获得低非线性和高功率限制,非线性系数可低至4.12 W^-1·m^-1,同时功率限制因子可达42%.     

键合型掺铒纳米晶-聚合物波导放大器的制备

为了克服主客掺杂型有源材料均匀性和稳定性差的问题,采用键合掺杂方法,将高温热解法制备的油酸修饰掺铒氟钇钠纳米晶粒与甲基丙烯酸甲酯发生共聚反应,形成键合型有源芯层材料。纳米晶粒均匀固定在聚合物分子链上,抑制了高浓度掺杂时的团聚析出且材料更稳定。纳米粒子在聚合物中的质量百分比达到约1wt%,具有良好的成膜性,用原子力显微镜照片观察薄膜表面粗糙度为1.76 nm。用椭偏仪测量薄膜光学性质,并用柯西色散模型拟合出薄膜折射率随波长的变化关系,材料在1550 nm信号光波长的折射率为1.485。设计嵌入式波导结构,采用有限元方法进行模式分析和计算光场强度分布。采用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺制备凹槽形下包层,填充有源材料制备条形波导放大器。实验结果表明,当1550 nm信号光功率为0.1mW,1480 nm泵浦光功率为390 mW时,在1.2 cm长的样品中得到了3.58 d B的信号光相对增益。     

一种硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟,并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明:光场被高度限制在芯层区域,在金属结构顶角为135°时,其能量限制因子更高;在金属材料确定的情况下,有效折射率随芯层宽度增大而减小,而传播长度增大;在芯层宽度一定的条件下,两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大,最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.     

基于离子交换条波导的生物溶液浓度传感研究

提出并实施了一种实验推定离子交换单模条波导折射率分布的新方法,给出扩散系数可用常量等效的离子交换条件,导出了条波导离子交换制备过程的两维扩散方程的一般解,拟合推定了离子交换条波导的折射率分布.多波长测试的折射率色散通过引入玻璃色散关系解决,样品测试中表征导模吸收损耗的传播常量虚部由KK变换确定.在此基础上,试制了光纤-条波导-光纤一体化传感器结构,验证实测了多种不同浓度的葡萄糖溶液,最低检测限为0.1 μM,实现了低浓度微量测试,验证了条波导传感机制的有效性.     

费米折射率波导的包层吸收模谱特性和溶液浓度传感研究

采用0.004AgNO3-0.996NaNO3混合熔融盐,用离子交换技术在德国B270光学玻璃上制备了费米折射率分布渐变波导,理论分析了费米折射率分布渐变波导的包层吸收模谱特性.导波损耗测试实验验证了解析结果.在此基础上,提出了一种用于液体包层吸收损耗测试的双样品盒串连的波导回路.测试结果证实表征溶液包层吸收特征的折射率虚部与溶液浓度之间具有十分显著的线性关系,测试灵敏度与波导的模式和波导参量有关,尤其与波导层厚度有非常敏感的关联性.利用这个关系传感测试了13种不同浓度的耐晒果绿染料水溶液样品的浓度,结果显示测试值与实际配制浓度值的均方差小于0.07%.     

一种适用于任意折射率分布的等效折射率方法

提出了一种新的等效折射率方法,可以将光波导的两维折射率分布精确等效成一维折射率分布。从波动方程出发,通过严格的数学推导,得到了一维等效折射率分布的表达式。该等效折射率分布由二维光波导的模场分布和折射率分布决定。在此等效过程中,几乎无任何近似,因此具有比传统等效折射率方法(EIM)更高的精度,而且不受波导截止条件的限制,并适用于任意的折射率分布结构。以SOI(silicon-on-insulator)脊型光波导为例,给出新方法的一个具体等效实施过程,比较了新方法与传统等效折射率方法计算得到的等效模场分布及等效折射率,结果显示本文方法的有更高的计算精度。最后,文中给出了一个利用这种等效方法计算弯曲波导损耗的例子。新方法可以使对三维结构(截面为任意折射率分布)的模拟简化成二维模拟。     

支化聚甲基苯基硅烷薄膜波导的光折变效应研究

掺入0.33%苯基三氯硅烷制备了分子量为51 874的支化聚甲基苯基硅烷,由此改善了聚甲基苯基硅烷薄膜波导的成膜质量.报告了相应的成膜技术、膜厚控制技术、热处理技术和热氧化现象.采用紫外曝光手段研究了支化聚甲基苯基硅烷薄膜的光漂白效应,定性测试了曝光剂量与反应生成硅氧烷的正比关系.实验归纳了支化聚甲基苯基硅烷薄膜的光折变规律,获得了控制薄膜厚度和折射率的定量条件.     

迭代法重建平板光波导折射率分布

提出了一种用于重建渐变折射率平板光波导折射率分布的方法,这种方法通过数值法求解亥姆霍兹方程．从光波导的低阶模开始采用迭代法顺次对各个模式对应的“转折点”位置进行校正．并多次重复迭代以消除“转折点”外折射率分布的变化对相应模式“转折点”位置的影响。借助WKB近似原理说明了这种方法迭代过程中“转折点”坐标的收敛性。对折射率按照指数规律变化的平板光波导的折射率分布重建结果证明这种方法具有较高的精度。分析表明：这种方法克服了WKB法固有的缺陷,即忽略模式“转折点”外折射率分布对相应模式传输常鞋的影响和“转折点”处相移的不确定性,因而比逆WKB法具有更好的自洽性和精确性。     

UV-written long-period waveguide grating coupler for broadband add/drop multiplexing

We demonstrate a UV-written polymer long-period waveguide grating (LPWG) coupler, which offers a bandwidth of ∼20 nm, a maximum coupling efficiency of ∼80% and ∼60% for the TE and TM polarizations, respectively, and a wavelength-tuning range over the (S + C + L)-band (∼140 nm) with a temperature control of ∼25 °C. The LPWG coupler has the potential to be developed into a practical broadband add/drop multiplexer for coarse wavelength-division-multiplexing applications.     

K+-Na+和Ag+-Na+两步离子交换技术制作玻璃基光波导研究

利用K+-Na+和Ag+-Na+两步离子交换得到掩埋型光波导.该方法抑制Ag+-Na+离子交换时产生的Ag+微粒,降低波导损耗,增加波导截面的圆对称性,从而提高光波导器件的性能.用该方法制作了1×8光功分器,其插入损耗平均为10.9 dB.