超低损耗铌酸锂光子学

铌酸锂光子集成是推动未来高速光通信和光信息处理领域变革性发展的重要前沿技术。介绍了利用铌酸锂光子芯片制造技术制备集成光路中关键光子结构与器件的最新研究进展。得益于单晶铌酸锂晶体的高非线性系数和强电光效应,利用制备的高性能铌酸锂光子器件演示了多种高效的非线性光学过程。     

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     

硅基光子集成研究进展

报道了国际上关于硅基光子集成的最新研究进展和本课题组在该领域的研究成果,包括对一些光收发模块、III-V族/硅基激光器等集成器件的结构改进和工艺的探索,展示了兼容互补金属氧化物半导体工艺的硅基光子集成在信息技术领域中的巨大前景.可以预见,硅基光子集成已成为硅光子学的主要研究内容,硅光子学及硅基光子集成的发展目标是趋向更高速率、更低功耗及更大集成密度.     

硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

随着超高速光互连、相干光通信、相干检测等技术的不断发展,对激光光源的线宽、相频噪声、可调谐性和稳定性等都提出了更为严格的要求。利用基于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺的硅光子芯片与半导体增益芯片各自的优势,将二者准单片集成实现结构紧凑、低功耗和高稳定性的窄线宽半导体激光器成为近年的研究热点。该结构可通过微环谐振器、环形反射镜和马赫曾德干涉仪等提供光反馈压窄线宽,并实现宽调谐范围和稳定功率输出。本文主要阐述了硅光子芯片外腔半导体激光器的最新研究进展,针对几种包含微环谐振器的结构进行了分类介绍,深入讨论了增加耦合效率和降低端面反射率等技术难题。针对未来空间光通信和光互连等应用前景,展望了该类激光器在功率提升和光子集成方面的未来发展方向。     

基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究

为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm～1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃～42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz～100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。     

铌酸锂基光量子器件与集成技术：机遇与挑战

铌酸锂材料具有宽的透光范围和高的非线性光学、电光、声光、热光系数,且化学性能稳定,是理想的光子集成芯片的衬底材料。在量子光学领域,人们已经发展出一系列铌酸锂基集成器件,能够实现光子态的高效率产生、调控、频率转换、存储和异质集成的单光子探测,有望实现全集成的频率态操控、确定性多光子态制备和单光子间相互作用,最终形成全功能集成的有源光量子芯片,推动量子物理基础研究和光量子信息应用发展。文章回顾了基于铌酸锂基量子集成的研究进展,并对其在未来光量子信息时代的机遇与挑战进行探讨。     

飞秒激光在三维微细体系中的应用

飞秒激光的超快特性使其能以极低的脉冲能量获得超强光场,并且激光加照区淀积的能量能以通过热扩散途径逸出辐照区域,其与透明物质相互作用是通过双光子或多光子吸收过程实现,故作用区限域于焦点核心很小体积内,因而在三维微制备及生物医学领域有着独到优势。文章介绍了飞秒激光应用于微爆炸、高密度三维光学数据存储、直写光波导及三维光子晶体制备、生物医学工程等方面的最新进展。飞秒激光三维微制备技术在微电子、计算机、光通信、生物医学等高技术领域有着广阔的应用前景。     

紫外光通信用日盲型LED研究进展

紫外光通信在激光雷达、战术通信、航空航天内部安全通讯和片上集成通信等领域有着重要应用前景。传统的紫外光通信LED光源的调制带宽窄、输出光功率低和制造工艺复杂等缺点限制了它在长距离、高速率通信和片上集成通信领域的广泛应用。实验表明，增加单个器件发光面积可提升光输出功率，但增加的器件电容对带宽提升是不利的，因此紫外光通信LED未来的重要研究方向是提升并优化带宽的同时增加器件的光功率密度。UVC Micro-LED器件有着光提取效率高、时间常数小、载流子寿命短、调制速率快及工作电流密度高等出色性能，因此在通讯领域受到科研界和工业界的广泛青睐。本文总结了紫外LED、特别是UVC MicroLED的相关研究进展，并重点介绍了它们在光通信及其片上集成互联方面的应用。研究发现，对UVC MicroLED及其阵列制备与性能提升加强研究，是未来提升自由空间和片上互联紫外通信系统性能的最佳解决方案之一。     

硅基混合集成技术的研究进展

硅基光电子集成技术(PICs)为高速宽带光互连和光通信的发展提供了一种低成本的有效方案,受到人们的高度重视.目前将III-V族和锗等半导体化合物集成到硅衬底的方法主要分为两类:异质结外延生长和异质材料的键合.低温下晶片键合的方法克服了异质结外延生长中的生长温度高、晶格失配和材料热膨胀系数非共容性的缺点,为大规模的异质(不同半导体材料)集成提供了可能.文章综述了近几年来一些常用的键合方法,并对低温键合方法的发展动向做了展望.     

石墨烯-硅基混合光子集成电路

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.     

发现和优化新材料的集成材料芯片方法

简要地介绍了发现和优化新材料的集成材料芯片方法的基本思想;重点点说明了转动四元物理掩模,以２０步沉积获得１０２４种不同材料的方法;介绍了相关的测量技术（光致发光和电光／磁光）及其应用。     

一种微波光子探测器组件的封装设计与实现

为实现微波光子系统的高集成度、高可靠性,进行了一种微波光子探测器组件的封装设计与实现。介绍了定制化封装设计思路,选择可伐合金作为壳体材料,采用的卧式贴装方案中选用斜面透镜光纤,给出了封装工艺流程和关键工艺点,最终封装的组件光电耦合效率在68%～79%之间,满足总体指标需求。该组件通过混合集成封装方法,实现了微波芯片与光子芯片在同一封装内的阵列化集成及气密性封装。该组件的封装设计与实现方法,可用于其他微波光子产品,有助于提升光载射频传输系统的集成度与可靠性。     

基于单个微盘谐振器光的学微分和光学希尔伯特变换

正光学微分(OD)和光学希尔伯特变换(OHT)在光通信、光计算、光信息处理和光信号分析等领域都具有非常重要的作用。由于二者之间具有一些相似之处,关于二者之间的关系成为一个研究热点。目前已有期刊报道了关于二者之间相互关系的理论分析研究,但还没有进一步的实验对其进行验证。同时,由于硅基光子集成波导具有低功     

可调反射器辅助的可重构微环光滤波器

为了适应光学滤波、微波信号处理等各种应用场景的需求,集成硅基光子滤波器需要具备多功能可重构和灵活可调谐特性.本文提出了一种可调反射器辅助的微环光滤波器芯片设计.通过传输矩阵模型,仿真结果表明,该器件可实现4种自由光谱范围的切换、100 dB消光比滤波、带通与带阻切换、Fano共振、类似电磁感应透明和类似电磁感应吸收等谱型的重构,且每种谱型均可以实现滤波中心频率的大范围调谐.本技术在集成光子模拟信号处理和微波光子学等领域具有广阔的应用前景.     

玻璃基集成光量子芯片：从二维到三维

玻璃基集成光量子芯片已经应用于量子计算、量子模拟、量子通信、量子精密测量等光量子信息处理领域,显示出强大的功能。文章从量子计算和量子模拟两个方面介绍利用飞秒激光三维高精度直写技术在玻璃中制备集成光量子芯片的重要进展。量子计算芯片包括面向通用量子计算的单比特到多比特光量子逻辑门以及用于解决特定问题的芯片,可实现玻色采样、量子快速傅里叶变换、量子快速到达等功能。在量子模拟方面,玻璃基光量子芯片成为研究关联粒子量子行走动力学和拓扑量子光子学的极佳平台,揭示了一维、二维和合成维度的离散以及连续时间量子行走的演化规律,展示了光子拓扑绝缘体的鲁棒性拓扑模式对量子态传输的保护作用等。     

基于选区外延技术的单片集成阵列波导光栅与单载流子探测器的端对接设计

选区外延技术是实现有源与无源光器件单片集成的一种有效的工艺手段,但同时对两种器件在异质生长界面处的对接结构提出了更高的设计要求.本文通过选区外延技术实现了InP基O波段4通道阵列波导光栅与单载流子探测器的单片集成.通过光学仿真重点研究了选区外延后界面处形貌对无源波导结构与有源光探测器间光耦合效率的影响,包括伸长的光学匹配层、二次外延生长边界位置、波导刻蚀边界位置等因素.研究结果表明,在保证二次外延生长边界对准异质对接界面时,将光学匹配层伸出探测器前端10μm并与外延边界无缝对接既可以保证高效的光传输效率(或探测器量子效率),又可以避免外延界面处的异常生长对器件制备工艺的影响,保证生长工艺与器件制备工艺的兼容性.成功制备的单片集成芯片具有高达76%的探测器量子效率,证明了对接方案的有效性.同时,集成芯片的低串扰(-22 dB)与解复用特性展示出其作为解复用光接收芯片具有巨大潜力.     

基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调技术综述

基于阵列波导光栅的光子集成解调技术是硅光领域的研究热点和难点.相比传统解调方法,基于阵列波导光栅的光子集成解调技术因其解调精度高、解调速度快、封装体积小等优势,在光纤布拉格光栅的高速、高精度解调上具有明显优势.近年来,随着光子集成技术的发展,各科研院所和相关机构对阵列波导光栅的光子集成解调法进行了广泛深入的研究与优化.本文通过介绍阵列波导光栅工作原理及基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅波长解调原理,结合基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调仪在材料体系和系统性能两个方面的重要进展,归纳了基于阵列波导光栅的解调仪的典型应用场景,从新材料、系统集成和规模化三方面对光纤布拉格光栅解调系统的未来发展提出针对性建议,为基于阵列波导光栅的光子集成解调技术的研究发展提供参考.     

光子集成射频自干扰消除系统性能仿真分析

针对全双工通信系统设计了光子集成射频自干扰消除功能芯片.该芯片采用相位调制将射频信号转换至光域,在光域内进行光载射频信号的幅相调控以实现干扰对消功能.对功能芯片中主要功能单元进行优化设计后,延时调谐范围为0～10ps,30GHz带宽内的延时抖动小于0.1ps;滤波响应阻带抑制度为36.5dB,通带带宽为60.6GHz,边沿陡峭度为9.2dB/GHz.建立了光子集成芯片射频自干扰消除系统的理论模型,对功能芯片中可调光延时线、可调光衰减器及滤波器等引入的延时、幅度不匹配对系统消除性能的影响进行了仿真分析.结果表明,幅度失配量为0.02dB时,2GHz带宽信号下系统抑制度为-42.7dB;延时抖动为0.07ps时,2GHz带宽信号下系统的抑制度为-37dB.研究结果可为光子集成射频干扰抑制功能芯片的研制提供参考.     

光子晶体器件进展

光子晶体对光具有独特的局域、反射、传导、分束、耦合、调制、慢光等操纵能力,使其成为微/纳光电集成的重要材料之一。介绍了光子晶体的几种重要物理特性——带隙特性、慢光特性、自准直和负折射特性,叙述了光子晶体集成器件方面所取得的最新进展,对光子晶体器件的发展动向做了展望。     

光纤陀螺中的多功能集成光学芯片

介绍了多功能集成光学芯片在光纤陀螺中的应用。在光纤陀螺中采用了多功能集成光学芯片后 ,可以大大简化光纤陀螺系统的结构 ,缩小光纤陀螺的体积。光纤陀螺中的一些器件如相位调制器和光学开关、消光器甚至光波导谐振腔都可以集成在一个多功能集成光学芯片上。这样可以提高光纤陀螺的性能 ,增加其稳定性和可靠性 ,在某些特殊的设计中还可以对陀螺系统的误差进行补偿。