带空气狭缝倒置结构的脊型硫系光波导后向受激布里渊散射研究

受激布里渊散射效应具有光谱线宽窄、频率稳定和增益方向敏感等优点,常用于激光器,慢光产生和微波光子滤波器等.本文基于As_(2)S_(3)硫系玻璃、以SiO_(2)为衬底设计了一种亚微米尺寸的带空气狭缝倒置结构脊型波导结构,具有高达8.22×10^(4)W^(–1)·m^(–1)的后向受激布里渊散射增益系数.研究显示在该结构的同种光学和声学模式下,更小的声光场有效模场面积具有更高的后向受激布里渊散射增益系数.还分析了硫系玻璃的光学损耗对后向受激布里渊散射的影响,发现当波导长度超过最优值后,斯托克斯光波功率开始下降,而增大泵浦光功率不仅可以提高斯托克斯光波功率的极大值,同时还会增大波导长度的最优值.当所输入的泵浦光功率为20 mW时,受激布里渊散射增益达到100 d B波导长度仅需要2 cm,这非常有利于光子器件的片上集成.

基于复合结构微光纤曲率传感器研究

提出了一种基于熔锥型多模微光纤(MMMF)马赫-曾德尔干涉的曲率传感器,该曲率传感器通过将105多模光纤(MMF)两端与普通单模光纤(SMF)进行电弧熔接,并对MMF进行熔融拉锥,构成了单模光纤-多模微光纤-单模光纤的复合结构。实验研究了拉锥长度分别为12000μm,16000μm两种腰锥直径不同的微光纤,并进行曲率传感测量。实验结果表明:随着传感器曲率的逐渐增大,传输光谱出现很明显的蓝移现象,可通过监测透射谱谐振波谷波长的漂移实现曲率灵敏度的测量,传感器的灵敏度随着腰锥直径的减小而增大,在拉锥长度达到15000μm,2.545~3.136 m^(-1)的曲率测量范围内可获得最大的曲率灵敏度为-20.267 nm·m^(-1),具有较好的线性拟合度。该传感器具有结构简单,易于制造,灵敏度较高,价格低廉等优点,可广泛应用于桥梁、建筑等土木工程的曲率传感领域。

面向通感一体系统的耐弯三芯光纤

为了同时兼顾狭小空间下的光纤数据通信与环境感知,设计并制备了一种面向通感一体系统的耐弯三芯光纤。该光纤采用三角形纤芯排布和深掺氟折射率沟道结构,标准外径为125μm,优化了O波段(1260~1360 nm)的传输特性,具有与G.657.A1光纤相似的布里渊增益谱(BGS)分布。测试结果表明:在1310 nm波长处,芯层的平均损耗为0.58 dB/km,平均芯间串扰低于-50 dB/km;当最小弯曲半径R=10 mm且缠绕50圈时,光纤的弯曲损耗低于0.1 dB。

多芯光纤关键性熔接技术研究

利用长度为10 km的长距离传输七芯光纤模拟实际干路,对多芯光纤熔接技术进行了实验研究,并通过传输性能测试分析进行了熔接参数优化。实验结果表明:多芯光纤的熔接质量直接影响光纤传输损耗和串扰;熔接质量受光纤端面的处理质量、光纤重叠量、放电时间、电极间距等参数的综合影响。实验中通过程序控制多个熔接参数关联性优化,实现了典型值小于0.35 dB的低损耗七芯光纤熔接,且串扰小于-41 dB,可以更好地满足工程干路铺设的应用要求。

基于色散调制的硒化砷条型波导的超连续谱产生

研究了基于色散调制硒化砷条型波导超连续谱的产生,通过调整波导结构参数,使零色散点转移到通信波长附近,在1.55μm波长处获得反常色散。波导长度为10 mm,波导横截面面积为500 nm×800nm,获得1.55μm波长处的非线性系数为48.754W^(-1)·m^(-1)。利用脉宽为579fs、重复频率为50 MHz、峰值功率为70 W的光纤激光脉冲在波导中产生了带宽600 nm的超连续谱。研究结果提供了一种使用常见激光泵浦平面波导实现集成片上超连续光源的途径。

部分刻蚀光栅对衍射光束影响的仿真研究

为了研究部分刻蚀光栅对波导光栅衍射光束的影响,提高集成光子学设计自由度,通过有限时域差分法仿真分析了分别在光栅边缘或中间进行波导部分刻蚀后的不同结构的性质,输入光波长为1400~1700 nm,覆盖1550 nm通信波长,仿真结果表明:边缘刻蚀方法具有更高的辐射率、更低的反射率,并且可以控制辐射光场的强度分布;中间刻蚀方法波导中的反射能量更强且线宽更窄。2种刻蚀方法下,光栅尺寸越大则辐射率越高;当光栅尺寸固定,波导宽度越大则边缘刻蚀的辐射率越低。波导光栅的部分刻蚀方法可以用于集成光路的设计优化。

偏振光复用的液晶体光栅波导AR近眼显示系统

光波导组合器在增强现实显示的出瞳扩展和外观薄化方面颇具优势。出瞳扩展技术是通过在耦出区域诱导多次衍射,将光线引导至人眼。然而,这种多次衍射可能导致出瞳亮度在沿光路径的空间分布上逐渐减弱,从而造成亮度不均。特别是当使用液晶制备而成的偏振体全息光栅作为耦合元件时,由于光栅仅对一种圆偏振光敏感,与之正交的圆偏振光会被直接透射,导致波导系统的能量利用率并不高。针对这一挑战,本文提出了一种实现左旋和右旋圆偏振光复用的偏振体全息光栅光波导AR显示光学系统,同时实现了大出瞳尺寸和良好入眼均匀性。在理论设计和仿真方面,首先通过k空间理论设计了大视场角下的光栅结构,再以微型发光二极管(Micro-LED,μLED)作为微显示屏,设计了一套与之匹配的投影镜头,并对整个波导系统进行了成像仿真。在实验部分,制备了中心波长为532 nm、出瞳尺寸为45 mm×25 mm的偏振体全息光栅波导。实验结果显示,该波导系统在基板折射率为1.51下的对角线视场角达到了预期的32.86°。相比于仅响应单一圆偏振光的方案,采用九点法测得的均匀性提升了48.8%,整体均匀性提升了34.1%,波导组合器的光学效率也实现了1.2倍的提升。本文工作为偏振体全息光栅波导的设计提供了宝贵的指导和参考。

Simultaneous guidance of electromagnetic and elastic waves via glide symmetry phoxonic crystal waveguides

A phoxonic crystal waveguide with the glide symmetry is designed,in which both electromagnetic and elastic waves can propagate along the glide plane at the same time.Due to the glide symmetry,the bands of the phoxonic crystal super-cell degenerate in pairs at the boundary of the Brillouin zone.This is the so-called band-sticking effect and it causes the appearance of gapless guided-modes.By adjusting the magnitude of the glide dislocation the edge bandgaps,the bandgap of the guided-modes at the boundary of the Brillouin zone,can be further adjusted.The photonic and phononic guided-modes can then possess only one mode for a certain frequency with relatively low group velocities,achieving single-mode guided-bands with relatively flat dispersion relationship.In addition,there exists acousto-optic interaction in the cavity constructed by the glide plane.The proposed waveguide has potential applications in the design of novel optomechanical devices.

薄膜铌酸锂反向锥形端面耦合器

薄膜铌酸锂波导与单模光纤在模场尺寸上存在很大差异,模场失配严重,导致两者直接耦合的效率低下。针对薄膜铌酸锂波导与超高数值孔径(ultra-high numerical aperture, UHNA)光纤的端面耦合问题,基于时域有限差分(finite difference time domain, FDTD)法优化设计了反向锥形端面耦合器的结构参数,仿真实现了薄膜铌酸锂矩形波导与UHNA光纤的高效耦合。利用电子束曝光、电感耦合等离子体刻蚀等工艺,制备了反向锥形耦合器,设计并建立了端面耦合测试平台,完成了反向锥形耦合器的性能测试。实验结果表明,反向锥形耦合器近场输出光斑在水平和垂直方向的模场直径分别为3.3和3.6μm,水平和垂直方向的3 dB对准容差分别为3.0和3.2μm,单端插入损耗为6.24 dB/面,表明设计制作的反向锥形耦合器具有较好的耦合性能。该研究为大容量、高速率的集成光子器件与光纤之间的耦合提供了高耦合效率的光接口方案。

片上红外气体传感技术的研究进展(特邀)

片上集成的光波导气体传感器具有体积小、重量轻、功耗低、无需光路校准等优点,近年来光学气体传感器逐渐由体积较大的分立系统向片上集成系统演变。中红外波段的气体吸收系数大,但二氧化硅在中红外波段的损耗较大,所以常用的绝缘衬底上的硅材料体系不适用于中红外波段。因此,片上气体传感器需要采用硫系玻璃、锗等中红外透明材料来拓宽工作波段。同时,波导结构直接影响了气体对光的吸收,而且气体传感技术也会影响传感器性能。本文总结了基于红外吸收光谱的片上气体传感器的最新进展。介绍了片上气体传感方法、波导材料、波导结构、片上气体传感的理论和实验进展。阐述了矩形波导、狭缝波导、悬浮波导、微环谐振波导和光子晶体波导在片上气体传感领域的应用现状。最后对基于红外吸收光谱的片上气体传感器进行了展望。

光学微瓶腔特性及温度传感应用研究

设计并测试了两种基于微瓶腔结构的温度传感系统。分别基于电弧放电法和自主装法制备了氧化硅材料(SiO2)和紫外光固化胶(UCA)聚合物材料微瓶腔,通过锥形光纤耦合的方式分析了两种微瓶腔基本特性,并测试它们在温度传感中的应用。实验结果表明,SiO2微瓶腔在温度上升时的灵敏度为11.13 pm/℃,在温度下降时的灵敏度为10.25 pm/℃;UCA微瓶腔在温度上升时的灵敏度为111.89 pm/℃,在温度下降时的温度灵敏度为102.02 pm/℃。两者在上升和下降时均保持很好的一致性,尤其UCA微瓶腔温度灵敏度比SiO2微瓶腔提升了10倍。本文传感器具有体积小、价格低、可塑性和重复性好、灵敏度高等优势,在温度传感领域具有潜在应用。

金属多包层波导的红外传输特性

利用高斯光束激励一个非对称的五层金属波导结构,分析了其传输特性和透射谱。首先,数值求解了该波导的本征方程得到波导支持的模式类型以及各模式的截止情况。进而利用高斯光束激励该波导,根据高斯光束的角谱分布和模式耦合效率得到不同模式的振幅表达式,并通过场分布方程得到出射口的平均功率流密度从而得到透射谱。研究结果显示当中心层介质折射率每增加0.02,透射谱的极大值和极小值对应波长的相对距离偏移可达35 nm,表明该波导可用于探测中心介质的传感器,为波导在传感探测方面的应用提供了理论参考。

物理信息神经网络驱动的光纤非线性建模

近年来,在计算物理领域提出了一种具有变革意义的利用神经网络直接求解微分方程的方案——物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN),引起了广泛关注,并且已经在多个领域的微分方程相关的问题中都得到了成功的验证。着眼于光纤非线性的建模,针对光纤中:光信号传输时受损耗、色散以及非线性等多种物理效应影响而发生演化;受激拉曼散射引起的功率转移;光模场在多种几何结构光纤中的分布与传输这三个场景展开研究。在数学上,这三个场景的控制方程分别为:非线性薛定谔方程、受激拉曼散射常微分方程以及傍轴亥姆霍兹方程,文中先后呈现了利用PINN求解这三个方程的具体实施方案及结果,并与数值方法进行对比分析,二者结果显示出较高的一致性,且PINN具备更低的计算复杂度。PINN作为一种精准、高效的微分方程求解框架,在未来有潜力推进光纤非线性建模的发展。

基于AZ5214光致保护层的As2S3硫系脊型波导制备

实验研究发现AZ5214光刻胶在一定曝光剂量下显影后会留存一定厚度的底膜,该底膜可以在干法刻蚀过程中避免As-S薄膜与碱性显影液直接接触,减轻薄膜表面损伤,起到保护作用。基于此,采用该底膜作为保护层制备As2S3脊型波导,研究结果表明,在AZ5214光刻胶匀胶厚度为2.1μm、紫外曝光剂量为200 mJ/cm2、显影时间为45 s的条件下会留存约为220 nm厚的光致保护层,该条件下保护层均匀性较好,且在刻蚀阶段可以完全去除。实验表明利用此保护层制备的As2S3脊型波导具有良好的形貌特征,波导脊宽约为3μm、脊高约为800 nm的As2S3脊型波导的传输损耗约为0.74 dB/cm@1 550 nm。

环境自适应相位噪声抑制的光载时频传递技术

高精度、高稳定、高可靠的时间频率基准在导航定位、测量测控和协同组网等军民应用领域有着重要应用。基于光纤链路的时频传输能够有效突破传统微波链路精度低的技术瓶颈,而静态或动态的温度、振动等环境变化将引起传输光信号的相位抖动。高精度相位稳定纠正通常借助于比例-积分-微分(PID)反馈控制来实现,但常规PID存在参量不可在线调整、稳定性差等缺陷,尤其是瞬态强变化将导致系统难以工作。创新性地提出了一种基于单神经元的自适应PID控制器,实现了高精度光载时频传递的主动控制,通过自主在线学习可实现对环境变化的自适应纠正,恢复时间小于40个控制周期。

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。

抗弯曲大模场面积少模光子晶体光纤

为更好地解决少模光纤在传输中由于模式耦合过强而导致的信号串扰问题,对弱耦合光子晶体光纤中的线偏振(LP)模式以及矢量模的传输特性进行了研究,设计了一种可传输20种矢量模的双包层光子晶体光纤。通过有限元法模拟光纤参数对相邻LP模式间最小有效折射率差的影响,优化结构参数,使光纤支持稳定传输6种LP模式并满足弱耦合要求。最后分析了不同模式的有效模场面积、弯曲损耗。结果表明:各模式之间的最小有效折射率差达到1.12×10^(-4),表明模式间的串扰可忽略。基模有效模场面积达到了1040μm^(2),且其相应的非线性系数低至1.07×10^(-10)。此外,在弯曲半径为38 mm时,各模式弯曲损耗最大仅为5.65×10^(-8)dB/km。与主流的单模光纤及少模单包层相比,该结构具有大模场面积,低模间串扰及更强的抗弯曲能力,丰富了空分复用技术的开发思路。在大数据、虚拟现实、网络传输容量等新兴业务以及光纤传感方面提供了有益的参考方案。

应用于C波段的二维光栅耦合器的设计与优化

针对二维光栅耦合器存在耦合效率低、偏振相关损耗大、结构复杂等问题,提出了一种应用于C波段的基于绝缘体上硅(SOI)材料的新型二维光栅耦合器,该耦合器由具有45°倾角的四孔交错菱形刻蚀晶胞单位周期排列组成,采用倾斜耦合方式对耦合器的周期、刻蚀深度、刻蚀圆孔的相对位置、刻蚀圆孔半径进行优化,并对其进行仿真验证。仿真结果表明:该耦合器在1540 nm处耦合损耗低至-2.4 dB,C波段的偏振相关损耗低于0.2 dB,1、3 dB工作带宽分别是36、58 nm。

基于SOI的类梅花型二维光栅耦合器

为设计出高效率且低偏振耦合相关损耗的二维光栅耦合器(2D-GC),提出一种基于绝缘体上硅(SOI)的类梅花型2D-GC。该2D-GC由多个单元周期排列而成,每个单元的图案呈类梅花型,该结构中的晶胞由2对圆形图案构成,并采用时域有限差分(FDTD)法对2D-GC结构参数进行数值仿真优化。仿真结果表明:在最佳优化参数结构时,所提2D-GC的有效工作波段为1.525~1.6μm,最佳耦合效率为56%,对应的耦合损耗为-2.4 dB,偏振相关损耗为0.18 dB。

弱耦合多芯少模光纤的声波导布里渊散射特性

光纤中的声波导布里渊散射(GAWBS)可在较低光功率水平激发,该散射噪声对大容量空分复用光纤通信、数字相干传输及光量子传输影响较大。针对空分复用光纤通信系统,文章对自制弱耦合7芯4模光纤的GAWBS特性进行了理论和实验研究。结果表明,由于不同纤芯与光纤中心的距离差异,弱耦合7芯4模光纤中不同纤芯具有明显的GAWBS分布差异。未来需要在不同的纤芯中采取不同的GAWBS噪声补偿方法以实现高信噪比和低误码率的空分复用传输。