基于微波光子晶体的温度传感方法研究

针对基于电子技术的测温传感器灵敏度低、尺寸大和易受环境影响等缺陷,提出一种基于镜像型一维微波光子晶体模型的温度测量方法。利用传输矩阵法计算了一维缺陷微波光子晶体在不同环境温度条件下的带隙和缺陷峰频谱,建立了缺陷峰波长或缺陷峰偏波长移量与环境温度之间的关系;通过自由空间法测量缺陷峰波长在待测温度条件下的缺陷峰波长或其偏移量,则可以反演环境温度。结果表明,该温度测量方法具有较好的温度传感灵敏度和较大的温度测度范围,为设计微波传感器提供了一种新理论和实践案例。

变周期亚波长介质光栅多层膜的双重Fano共振特性

现在众多传感结构模型只能对单变量待测样本折射率进行传感检测,为实现不同待测样本的高通量检测并降低环境因素的干扰,提出了一种基于波长调制的变周期亚波长介质光栅多层膜复合结构。以双周期为例进行分析,变周期光栅层由两个具有不同光栅周期的介质光栅A和B组成,通过有限元法对传输特性进行分析,TE偏振入射光以垂直于光栅层表面的方式入射至介质光栅表面,当在介质光栅区域A和B内分别满足相位匹配条件时,变周期亚波长介质光栅会形成GMR,提供两个具有单一窄带的双离散态共振缺陷峰;由于类F-P腔中含有周期性光子晶体,光波传播到光子晶体会产生光子禁带,提供一个较宽频带的连续态。在满足相位匹配条件时,变周期亚波长波导结构中形成的双离散态共振缺陷峰与周期性光子晶体多层介质薄膜构成的类F-P腔中形成的连续态发生耦合,实现双重Fano共振。然后通过探究波导层厚度dw和光子晶体周期数N对传感特性的影响,选择dw=97 nm和N=3,使其达到FOM值最大。最终因变周期介质光栅层是由两种具有不同介质折射率的材料构成,在介质光栅区域A和B的光栅凹槽部分可设置两个传感检测单元,建立基于波长调制的双重Fano共振全电介质传感模型,设置不同的传感检测区域,发现双重Fano光谱曲线在不同传感检测区域内都能随着ns1和ns2变化,间接实现了对待测样本折射率的动态检测,因而可在同一传感结构模型中实现对不同待测样本折射率区间的多变量检测。结果表明,在传感检测单元A内,FR1和FR2的FOM值分别为631.53和463.7 RIU^(-1);在传感检测单元B内,FOM值分别为480.67和834.04 RIU^(-1)。所设计的传感结构模型通过结构参数优化,实现了传感结构的高反射率、高FOM值和较宽的检测范围,对双重Fano共振提供了理论参考,对待测样本折射率的多变量检测具有一定的研究价值。

基于锁模光学频率梳的高速数据传输

大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战.本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法,通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域,生成携带编码信息的高速、高阶、低相位噪声的调制信号,再结合锁模光学频率梳窄线宽、多波长的特性,仅使用单个激光器即可实现基于波分复用技术的大规模并行高速通信.仿真验证了该方案的可行性,随后在100 m的自由空间光链路中使用光子微波信号进行16元正交幅度调制通信实验,实现了误码率低于10^(–6)的14 Gbit/s数据传输.

宽波段、大模场双包层光子晶体光纤结构设计及性能分析

设计了一种独特的双包层光子晶体光纤结构,由外包层的2层圆形空气孔及内包层的2层正八边形空气孔构成,芯材料为稀土掺杂铋的多组分玻璃。采用有限元法结合散射边界条件分析了该结构光子晶体光纤的模场面积、限制损耗、有效折射率、时均功率等特性。结果表明:在波长为1310 nm、1550 nm、1600 nm时对应的模场面积、限制损耗分别为726.5μm^(2)、1.24×10^(-8)dB.km^(-1);731.26μm^(2)、1.32×10^(-8)dB.km^(-1);732.28μm^(2)、1.72×10^(-8)dB.km^(-1)。其中在工作波长1550 nm的时均功率z分量最高可达313 W·m^(-2),可以为高功率激光器的增益介质作参考,为宽波段可调谐激光器提供新的选择。

基于X切薄膜铌酸锂的4×4 MMI耦合器的设计和制造

针对多模干涉(MMI)耦合器存在尺寸大、插入损耗高、工艺复杂的问题,在基于X切薄膜铌酸锂(X-cut TFLN)平台上设计了一种基于横电(TE)模式的4×4 MMI耦合器,采用三维时域有限差分(FDTD)方法对MMI区域长度及宽度进行仿真优化,最后根据优化结果并利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀方法在该平台上制造4×4 MMI耦合器。仿真结果表明,优化后的4×4 MMI耦合器总插入损耗为0.36 dB,实际测量插入损耗为0.78 dB。

石墨烯混合等离子体波导光子轨道角动量产生及转换器设计

为满足现代社会对通信容量日益增长的需求,设计了一种基于石墨烯混合等离子体波导的可重构光子轨道角动量产生及转换器,利用时域有限差分法对器件的性能进行了仿真分析.仿真结果表明:石墨烯费米能级为0 eV时,该装置实现了拓扑荷由+1向−1或者−1向+1的光子轨道角动量的转换,转换效率达到93.6%;石墨烯费米能级为0.9 eV时,该装置可以将线偏振光转换为携带轨道角动量的涡旋光,此时该器件还可以用于识别拓扑荷为±1的涡旋光.

基于国际原子能机构277和381报告对直线加速器双模式光子线和电子线输出量校准研究

目的:基于国际原子能机构(IAEA)TRS 277和TRS 381《高能电子束和光子束中使用平行电离室的国际剂量测定操作规范》报告,校准加速器配置的不同档能量射线水中的吸收剂量,确保临床放疗中直线加速器输出剂量的精确性。方法:采用Elekta Infinity直线加速器,光子线能量6 MV分别为均整(FF)模式和非均整(FFF)模式;电子线能量分别为4、6、8、10、12和15 MeV。根据IAEATRS277和TRS381报告,使用PTW剂量仪、PTW30013指型电离室和PTW34001平行板电离室分别进行光子线和电子线水中输出剂量的校准,对各步骤的误差进行分析,对比采用不同标准对直线加速器的输出量水中校准的准确性。结果:6 MV的FF模式和FFF模式光子线在水中最大剂量点处的输出量分别为1.003和1.008 cGy/MU;4、6、8、10、12和15 MeV的电子线每档能量在水中最大剂量点处的输出量分别为1.003、1.002、0.998、0.999、1.000和1.003 cGy/MU。每档能量的射线在水中最大剂量点处的输出量校准为1 MU对应1 cCy,误差<1%。结论:根据IAEA TRS277号和TRS381号报告对直线加速器的输出剂量在水中进行校准,可以保证直线加速器的输出剂量的准确性。

激光3维成像线性焦平面探测器读出电路研究进展

激光焦平面探测器是一种新型的光电成像器件,它利用半导体内部载流子的雪崩倍增效应实现高速、高灵敏度、纳秒级时间分辨探测,用于凝视型激光3维成像系统。探测器主要分为线性和盖革两大类,其中线性模式探测器具有响应速度快、无死时间和后脉冲、可实现单脉冲瞬时成像等优点。首先介绍了在不同应用场景下,线性模式焦平面读出电路的两种架构并简述其原理,然后阐述像素单元的关键电路模块,比较了其优缺点,最后分析了两种减小行走误差的双阈值时刻鉴别方法。为相关领域的研究者提供了一些有益的参考和借鉴。

一维三格点光格子中拓扑振荡及拓扑非对称边缘态

为了全面认识奇数格点原胞中拓扑保护对于光束稳定传输的重要性,系统研究了一维三格点光格子模型中的光传输特性。利用能带理论和耦合模方程,对模型进行了模拟和仿真,发现两种在经典的两格点模型中不存在的具有拓扑保护的光传输行为,即具有拓扑保护的类拉比振荡光传输和具有拓扑保护的非对称传输,揭示了这两类光传输现象的物理机制,深入解析了光束振荡的本质,并验证了这两类光传输行为的鲁棒性,强调了光学系统在不同条件下的稳定性和可靠性。该研究可为利用奇数格点原胞中拓扑性质操纵光传输的潜在应用提供启示,并为新型拓扑光学器件的设计提供新的思路。

集成微光学陀螺研究现状、发展趋势和挑战

随着集成光子学和微纳工艺的飞速发展,微光学陀螺以其在芯片化、集成化上的优势广泛应用于下一代高精度小型化惯性导航系统中,在国防武器、微型飞行器以及无人机器控制等领域发挥重要作用。充分调研了国内外微光学陀螺研制方案及研究现状,介绍了包括干涉式、谐振式、布里渊散射式光学陀螺以及微光机电陀螺等四类微光学陀螺的工作原理和性能指标;光学微腔作为微光学陀螺中角速度核心敏感器件,其性能直接决定着陀螺系统精度指标,因此充分论述了氮化硅波导以及回音壁模式等新体制微腔的特性及优点,并针对其传输损耗、品质因子和陀螺性能等指标进行了对比和分析;最后总结了微光学陀螺芯片化的发展趋势以及在分立元器件性能提升、系统耦合与封装上遇到的机遇和挑战。

碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices,EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增分离型(Separation of Absorption and Magnification,SAM)、平面PIN型和高密度垂直集成型(High Density Vertically Integrated Photodiode,HDVIP)三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延(Molecular-Beam Epitaxy,MBE)方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,增益可达350,光子探测效率达95%以上,工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE)碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件,在0.4~4.3μm的可见光到中红外波段都能响应,最高增益可达6100,光子探测效率大于70%,可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件,短波器件增益达2000,中波最高增益可达13000,内光子探测效率达90%,实现了80 Mbps的自由空间通信,在300 K和增益为1时,带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array(SAPHIRA),器件增益可达66@14.5 V,单光子探测率达90%以上,中心距为24μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司,研发出了C-RED ONE相机,相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器(Michigan Infrared Combiner,MIRC),将MIRC的系统噪声降低了10~30倍,大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚,主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所,受限于芯片制备技术和电路技术,目前没有实现光子计数方面的应用,但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTeAPD器件,器件增益可达1000以上,增益100以内,增益归一化暗电流密度低于1×10^(−7)A/cm^(2),增益400以内的过剩噪声因子小于1.5,增益133时的噪声等效光子数为12,进行了短积分快速成像演示;单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件,单元器件增益可达1000以上;在偏压8.5 V以内,焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10^(−14)~1.6×10^(−13)A,过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件,技术路径与法国基本相同。因而,我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式,持续推进HgCdTe APD器件的研究,以早日达到国际先进水平,实现单光子探测和光子计数应用。

读光与读出光子模式腰斑比对腔增强量子存储器恢复效率的影响

Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)量子中继协议中,量子存储器的恢复效率直接影响纠缠分发速率.研究了读光与读出光子模式腰斑比对DLCZ型量子存储器恢复效率的影响.本文将87Rb冷原子系综置于中等精细度的环形腔内,开展了腔增强DLCZ量子存储的实验研究.通过改变读光腰斑大小来调节读光与读出光子模式腰斑比,研究了其对腔增强量子存储器恢复效率的影响.结果表明,读光与读出光子模式腰斑比为3时,实现了68.9%±1.6%的本质恢复效率,这时写出光子与读出光子的互关联函数g((2))为26.5±1.9.理论上建立了本质恢复效率随腰斑比的变化关系模型,理论计算与实验相吻合,演示了高恢复效率的量子存储器.

基于布拉格反射镜的单模太赫兹量子级联激光器

常规的分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器中,增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2,以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器(THz-QCL),并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构,利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔,利用有源区增益谱较窄的特点,通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠,从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距,即显著提高了激光器中增益区域的长度,从而降低阈值并提高功率特性。实验上,作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器,单模激射的频率为2.7 THz,边模抑制比达到25 dB,该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。

GaAs光电导开关非线性模式的雪崩畴输运机理

光电导开关非线性模式的产生机理研究是该领域热点问题之一.本文采用波长1064 nm、脉宽5 ns的激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关,在触发光能1 mJ、偏置电压2750 V时获得稳定的非线性波形.基于双光子吸收模型,计算了开关体内光生载流子浓度,计算结果表明光生载流子弥补了材料本征载流子的不足,在开关体内形成由光生载流子参与的电荷畴.依据转移电子效应原理,对畴内的峰值电场进行了计算,结果表明高浓度载流子可使畴内峰值电场远高于材料的本征击穿场强,致使畴内发生强烈的雪崩电离.基于光激发雪崩畴模型,对非线性模式的典型实验规律进行了解释,理论与实验一致.基于漂移扩散模型和负微分电导率效应,对触发瞬态开关体内电场进行仿真,结果表明开关体内存在有峰值电场达GaAs本征击穿场强的多畴输运现象.该研究为非线性光电导开关的产生机理及光激发电荷畴理论的完善提供实验依据和理论支撑.

使用灰度矩阵分析光子灯笼模式控制性能波动

为了分析光子灯笼用于光合束时的模式控制能力波动,建立算法提取光场灰度矩阵,使用数值计算结果替代角功率分布方差来分析光子灯笼模式控制能力随合束功率的波动。根据功率流方程与临近模耦合理论推导了算法的理论基础。从算法结构和灰度值提取精度参数两方面详细介绍灰度提取算法。通过对比复原图与原光场图,证明算法将光强分布情况转化成灰度值矩阵的数值准确性;最后,以自制的3×1光子灯笼在弱主动模式控制下的表现为例,分析其模式控制能力随合束功率变化导致的输出光质量与合束损耗的变化。实验结果解释了合束功率从0增加到270 mW时3×1光子灯笼的光合束损耗曲线斜率变化以及合束光最大高斯拟合度波动。算法能简单、快速地分析光子灯笼用于基模合束光制备时模式控制能力的波动情况,且环境敏感度低,光场功率分布提取准确率大于99%。

石墨烯三缺陷光子晶体滤波特性分析

为了优化信息光电子技术中传统滤波器的材料性能,设计了一种含石墨烯缺陷的一维光子晶体。利用新的传输矩阵推导了其光学特性,讨论了结构周期数、光入射角、介质层光学厚度等参数对透射谱的影响。仿真结果表明:石墨烯的加入对可见光有一定的吸收作用,使透射峰的高度降低;入射角增大时,透射谱中的透射峰发生蓝移;两介质层的光学厚度同时增大时,三个透射峰高度不变整体发生红移,透射峰的半高宽度随外层周期数的增大而变小,透射峰的位置随内层周期数的增大相互靠近;为三通道光子晶体滤波器的设计提供一定的理论指导。

940 nm垂直腔面发射激光器单管器件的设计与制备

计算了InGaAs/AlGaAs量子阱的激射波长与阱垒厚度的关系,并通过Rsoft软件计算了不同温度下的材料增益特性.计算并分析了渐变层厚度对分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors,DBRs)势垒尖峰及反射谱的影响,通过传输矩阵理论得到P-DBR和N-DBR的反射谱和相位谱.模拟了垂直腔面发射激光器(vertical surface emitting lasers,VCSEL)结构整体的光场分布,驻波波峰与量子阱位置符合,基于有限元分析模拟了氧化层对电流限制的影响.通过计算光子晶体垂直腔面发射激光器(photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers,PC-VCSEL)中不同的模式分布及其品质因子Q,证明该结构可以有效地实现基横模输出.通过光刻、刻蚀、沉积、剥离等半导体工艺成功制备出氧化孔径为22μm的VCSEL和PC-VCSEL,VCSEL的阈值电流为5.2 mA,斜率效率0.67 mW/mA,在不同电流光谱测试中均是明显的多横模输出;PCVCSEL的阈值电流为6.5 mA,基横模输出功率超过2.5 mW,不同电流下的边模抑制比超过25 dB,光谱宽度小于0.2 nm.

光子灯笼模分复用系统MIMO-free高速传输实验

为考察无需多输入多输出模分复用系统的高速信号传输能力,采用模式选择光子灯笼型模式复用/解复用器构建了2×100 Gb/s双偏振正交相移键控模分复用通信实验系统,系统中用到的少模偏振控制器状态可由LP_(01)和LP_(11b)两个模式信道的信串比参数准确表征。测试了系统误码率与信串比关系,实现两个信道纠后无误码传输的条件为信串比约大于8 dB。当两个信道的信串比分别为14.25 dB和13.81 dB时,与背对背收发系统相比,纠后无误码阈值(10^(-2))的接收光功率代价分别为1.40 dB和4.76 dB。分析了光纤衰减、偏振模色散和模式串扰对高速传输系统的影响,估算了串扰受限系统可支持的少模光纤传输距离约为30 km。

新型太赫兹光子晶体OAM光纤设计

太赫兹通信兼具微波通信和光波通信的优势,是解决通信容量紧缺难题的最有效技术手段之一。针对太赫兹波段吸收损耗严重及抗外在扰动差,难以支持长距传输问题,设计了一种基于环形光子晶体光纤(PCF)结构的新型太赫兹光纤。以现有常见材料作为光纤基底材质,通过创新光纤结构中空气孔排布方式,抵消材料高吸收损耗,以支持高性能轨道角动量(OAM)模式传输。选择最优参数,实现6个OAM模式群的高模式质量、低限制损耗和宽带宽的稳定传输。在0.2~0.9 THz宽波段内,实现模式纯度超过88.9%,限制损耗小于10^(-7) dB/m。通过软件仿真实验设计,解决了太赫兹与OAM技术相结合的关键问题,为模分复用(MDM)技术在太赫兹通信系统的应用奠定了理论研究基础。

脉冲模式光子治疗仪在慢性难愈创面治疗中的疗效研究

目的探讨脉冲模式光子治疗仪对慢性难愈创面的应用效果。方法60例慢性难愈创面患者,按照治疗方法不同分为观察组和对照组,每组30例。对照组患者进行光子治疗仪连续模式照射治疗,观察组患者进行光子治疗仪脉冲模式照射治疗。比较两组感染控制时间、创面结痂时间和创面愈合时间,干预前后炎症因子[超敏C反应蛋白(hs-CRP)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)]水平,临床效果。结果观察组感染控制时间、创面结痂时间和创面愈合时间分别为(5.6±1.8)、(6.8±2.3)、(7.9±2.8)d,均短于对照组的(8.9±2.8)、(10.8±3.6)、(13.5±4.1)d,差异具有统计学意义(P<0.05)。干预前,观察组和对照组hs-CRP分别为(16.5±3.2)、(16.7±3.3)mg/L,TNF-α分别为(144.7±18.7)、(145.4±20.2)ng/L,两组比较差异无统计学意义(P>0.05);干预后,观察组和对照组hs-CRP分别为(7.3±1.2)、(11.4±2.1)mg/L,TNF-α分别为(30.7±5.5)、(43.5±8.9)ng/L;两组干预后hs-CRP、TNF-α均低于本组干预前,且观察组低于对照组,差异具有统计学意义(P<0.05)。观察组治疗总有效率为96.7%,显著高于对照组的70.0%,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论针对慢性难愈创面使用光子治疗仪的脉冲模式功能干预可有效促进创面愈合,抑制炎症反应,临床治疗效果理想。