一种新颖的偏振不敏感的阵列波导光栅

提出了一种新颖偏振不敏感的阵列波导光栅(AWG)。器件的输入端增加了一个全光学偏振自动控制器(AOPSC),可将注入AWG的随机偏振的输入光转换为与AWG中TE0模偏振方向相同且功率损耗很小的线偏振光。AWG结构设计采用非对称的平面波导,包层与波导芯层的相对折射率差为0.7%,波导芯层的宽厚比要高,可以消除TE与TM模的简并,使波导中只能激励TE0模,而使TM0模截止。这种AWG结构完全消除了不同偏振态信号光对AWG工作性能的影响,从而使器件对偏振不敏感。设计的8×0.8nm器件整体尺寸为2cm×1cm,串扰优于-30dB,最大插入损耗为4.2dB。

偏振不敏感的九聚物太赫兹超材料

在实验上提出将九个开口谐振环以第一个谐振环的开口方向为基准按照涡旋状的轨迹排布,且依次将开口环逆时针扭转40°,构成九聚物太赫兹超材料,并在理论上系统研究了该超材料的传输特性。将原本只具有单一谐振模式的开口谐振环按照类似于低聚物的结构排布方式构成周期单元结构时,利用结构末端引起的能量耦合来增强相邻谐振器间的能量耦合,便会有更多的谐振模式产生,最终实现偏振不敏感的效果。这种思路丰富了传统超材料离散结构的设计理念,为太赫兹超材料功能器件,如开关,调制器和滤波器等的设计提供了一种新的参考方案。

基于SOI材料的偏振不敏感的阵列波导光栅

阵列波导光栅 ( AWG Arrayed Waveguide Grating)是实现多通道密集波分复用( DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing)光网络的理想器件 ,偏振敏感性是它的一个重要性能指标。本文针对 SOI材料的阵列波导光栅 ,分析了如何采用特殊的波导结构来减小它的偏振相关性 ,并对 1 6通道、间隔为 0 .8nm的 AWG解复用器进行了计算 ,结果表明其偏振敏感性低于 0 .0 6nm。

偏振不敏感的表面等离激元三维聚焦研究获进展

表面等离激元（ surfaceplas-mons ）是一种局域在金属和电介质界面处的电磁场模式，能够突破光学衍射极限，将携带的光学信息和能量局域在亚波长尺度。在高端纳米光学应用领域，如高分辨近场光学成像、针尖增强拉曼光谱，光学集成器件、纳米光刻、光学信息存储以及生物传感等领域，通常需要将信号光聚焦至纳米量级，因此对表面等离激元纳米聚焦的研究成为近年来国内外的研究热点。传统的表面等离激元聚焦一般采用二维金属纳米结构，如牛眼结构、弧形纳米孔阵列、渐变球链、楔形波导以及二维光栅等结构，对入射光的偏振方向具有强烈的依赖性。针对这些问题，最近中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理重点实验室的李家方副研究员、李志远研究员与微加工实验室的顾长志研究员、牟佳佳博士研究生、李无瑕副主任工程师合作，在偏振不敏感的表面等离激元三维聚焦方面的研究获得进展。

基于改进PSO算法设计的TFLN平台偏振不敏感光栅耦合器

针对光栅耦合器存在偏振依赖性问题,在薄膜铌酸锂(TFLN)平台上相继设计了标准型和改进型偏振不敏感光栅耦合器。在设计过程中,首先对粒子群(PSO)算法进行了改进,然后利用改进后的PSO算法对光栅参数进行了优化,包括光栅周期、占空比、刻蚀深度以及入射角等关键参数。最后,设计了偏振不敏感啁啾光栅耦合器,并通过线性啁啾调节有效折射率,从而显著提升了耦合效率和偏振不敏感带宽。仿真结果表明:在波长为1 544 nm时耦合效率最高,偏振不敏感啁啾光栅耦合器的横电(TE)、横磁(TM)模式耦合损耗分别为-4.88、-5.05 dB;在1 500~1 580 nm波长内偏振相关损耗(PDL)小于0.5 dB,偏振不敏感带宽为45 nm。

瑞利判据启发的可见光波段宽带消色差偏振不敏感超构透镜的设计

超构表面作为亚波长结构单元排布而成的新型平面光学元件,可对光场相位、振幅、偏振及频率进行灵活剪裁,为光学元件集成化和小型化提供了强大的支撑平台。超构透镜是超构表面最重要的应用之一,消色差对于超构透镜的成像质量至关重要。然而,受限于超构元胞共振色散及有限共振带宽,超构透镜在偏离设计波段会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或连续宽带器件中的应用。为此,文中基于焦斑分辨瑞利判据(Rayleigh criterion)原理,提出了一种面向可见光波段宽带消色差偏振不敏感超构透镜的新型设计策略。通过采用共轭相位自旋复用设计理论,将面向两边缘波长、高效工作、两尺寸不同、各向异性的TiO_(2)纳米柱(均具备半波片功能)的旋转角度限制在0°或90°,作为一复合超构胞元构建超构透镜。通过两纳米柱之间的色散互补效应,实现了在可见光波段(λ=470~650 nm)宽带消色差偏振不敏感聚焦性能,同时保持了较高聚焦效率。这一工作为宽带消色差超构透镜的设计领域带来了重大进步,并有望在超紧凑芯片级设备中实现潜在应用。

基于氮化硅波导的超宽带偏振不敏感光分束器

【目的】为了解决偏振不敏感光分束器带宽受限问题,文章提出了一种基于氮化硅(Si 3N 4)波导的超宽带偏振不敏感光分束器。【方法】所提光分束器采用绝热耦合波导结构设计,可在1400~1700 nm波长范围内实现横电(TE)模式和横磁(TM)模式的光均匀分束(光学带宽为300 nm)。【结果】在工作波长范围内,TE和TM模式的损耗分别小于0.10和0.15 dB。而且文章所提光分束器的结构尺寸小,仅为60.00μm×2.75μm,便于实现大规模集成。此外,文章还研究了所提光分束器各结构参数对器件性能的影响。【结论】仿真结果显示,各结构参数在±50 nm的范围内变化时,对光分束器的性能基本没有影响,表示该超宽带偏振不敏感光分束器具备较大的制备容差,易于制备。

偏振不敏感的阵列波导光栅复用器

由双折射造成的阵列波导光栅 (AWG)复用器的偏振敏感性是一个严重的问题 ,本文论述了各种消除偏振敏感性的方法 ,并分析了各自的优、缺点。

基于太赫兹亚波长超材料的偏振不敏感调制器的理论研究(英文)

对太赫兹波超材料调制器的偏振响应进行了研究。提出并计算仿真了两种特殊结构的调制器,包括中心十字结构和双开口环结构。传统的开口环结构的调制器是偏振敏感的,而所研究的两种结构都是偏振不敏感的。中心十字结构是一个完全对称的金属结构,并具有完美的偏振不敏感特性。对于双开口环结构,它没有达到完全的偏振不敏感,但从太赫兹偏振透射率曲线来看,这种差别可以忽略不计。此外还模拟了双开口环的表面电流分布,并提出了产生两个谐振吸收波谷的主要机制。

用形状双折射实现零耦合器声光开关偏振不敏感

对光纤型非对称束腰横截面耦合器进行了理论分析 ,并在实验上证明了耦合器的形状双折射随光纤的熔融程度从正到负的变化 ,最终可以达到偏振不敏感的目的。

高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能被广泛应用于量子通信等众多领域,然而其独特的线性结构会导致SNSPD的探测效率对入射光的偏振态具有依赖性,从而限制了SNSPD在非常规光纤链路或其他非相干光探测环境中的应用.本文基于传统的回形纳米线结构设计制备了一种新型偏振不敏感SNSPD,在纳米线周围引入一层高折射率Si薄膜作为介质补偿层来提高纳米线对垂直偏振态入射光的吸收效率,并将补偿层的上表面设计为光栅结构以减小不同波长下纳米线对不同偏振态入射光的吸收差异从而实现在特定波长范围内的偏振不敏感.除此之外,还采用介质镜和双层纳米线结构来提高器件的光吸收效率,测试结果表明该器件在1605 nm波长处最大探测效率为87%,对应的偏振消光比为1.06.该工作为未来实现高探测效率的偏振不敏感SNSPD提供了参考依据.

宽入射角度偏振不敏感高效异常反射梯度超表面

偏振不敏感超表面在实际应用中具有重要意义,本文提出了一种光通信波段的、对偏振不敏感的异常反射式梯度超表面,这种超表面对于x-偏振和y-偏振入射光都能够实现高效率的异常反射,表现出偏振不敏感特性,为解决传统反射式超表面的偏振敏感性问题提供了一种新途径.它采用金属(Au)-绝缘层(SiO_2)-金属(Au)结构,超表面的超晶胞由五个各向同性的、尺寸不同的十字形基本结构单元组成.仿真结果表明,这种超表面结构对不同线偏振入射平面光波有几乎相同的相位和振幅响应;合理的选取五个基本结构单元的尺寸,在一个超晶胞内实现了2π相位的覆盖,反射光波阵面畸变小,而且反射光都集中到异常反射级次,在工作波长1480 nm处具有较高的异常反射率(～70%).此外,这种结构的超表面在-30°—0°的宽入射角度范围内都具有偏振不敏感的异常反射特性.在光通信、光信号处理、显示成像等领域具有潜在的应用前景.

一维偏振不敏感双频吸收器的设计

设计一种偏振不敏感、制作简单的一维双频吸收器,该吸收器一个周期阵列中采用垂直方向上级联四对金属介质层。仿真结果显示,可以实现偏振不敏感的双频吸收,其吸收原理是根据磁激元共振对TM偏振波吸收和波导模式共振对TE偏振波吸收,通过LC等效电路和本征方程来预测结构参数,以及对电磁场分布进行分析来进一步了解吸收器的吸波原理。更重要的是,一维偏振不敏感结构的吸收器对TM、TE偏振波的吸收是独立的,且临近的金属-介质之间的距离对波的吸收影响很小,这样使设计更加自由、灵活,制作更加简单,灵活性高,覆盖的电磁波范围增大,可以延伸到微波频段和太赫兹频段。这样的一维偏振不敏感双频吸收器的研究对以后实现一维偏振不敏感宽带吸收器有很大的意义,它将会应用到很多设备当中去。

偏振及光源不敏感的光子晶体平板透镜

提出了一种散射子尺寸梯度型光子晶体平板透镜,该透镜在TM偏振和TE偏振模式下可同时实现对点光源的成像及对平面波的聚焦,且在TM偏振模式下成像及聚焦均突破了衍射极限,而在TE模式下均实现了亚波长成像及聚焦。该平板透镜无需任何偏振附加组件便可实现偏振不敏感成像及聚焦,有望用于设计多功能新型光学偏振不敏感成像及聚焦器件,可应用于实时生物显示、高密度光存贮及微电子光刻等领域,提高梯度光子晶体平板透镜的应用潜力。

基于多层结构的偏振不敏感超材料太赫兹宽带吸收器

为了解决宽带吸收器结构设计复杂的问题,提出了一种结构简单、偏振不敏感、吸收性能优良的超材料太赫兹宽带吸收器。该吸收器采用对称结构设计,以金属层--介质层--金属层的三层架构为基础。其中,介质层中嵌入了两个不同尺寸的圆形金属片,从而形成多层结构。采用频域有限元法(Frequency Domain Finite Element Method,FEM)分析了该吸收器的宽带吸收率、偏振敏感性和入射角度等特性。仿真结果表明:该吸收器可以实现5.86~7 THz的宽带吸收,吸收带宽为1.14 THz,带宽内的吸收率在95%以上,且对于垂直入射的电磁波偏振并不敏感,在一定入射角度内依然保持宽带吸收。该吸收器结构设计简单且具有优良的性能,在太赫兹成像和电磁隐身等领域中具有重要的应用价值。

一种偏振不敏感双频太赫兹吸收器的研究

为了易于后续加工,提出了一种偏振不敏感的太赫兹双频窄带吸收器,其单元结构为金属谐振层-介质层-金属衬底层,面积为25μm×25μm,厚度仅为3μm。通过S参数,分析了器件单元结构的尺寸参数与共振频率、吸收率之间的关系。仿真结果表明:该吸收器在1.508 THz和2.464 THz共振频率处的吸收率均达到98.8%以上,而且对入射电磁波偏振方式无限制,在0°~40°的入射角度范围内仍然保持着良好的吸收性能。

偏振不敏感高选择性颜色滤波器

提出一种偏振不敏感且高选择性的新型纳米结构颜色滤波器。当平面光入射到超材料表面时,金属与介质交界处会发生表面等离子体共振和光学异常透射现象,部分频率的光被束缚在微纳结构中,而其他频率的光发生透射,从而实现滤色效果。采用时域有限差分法,对4种不同结构的滤波器的透射光谱和颜色显示规律进行研究。同时,还研究了结构周期、圆环直径、十字架宽度和偏振角等参数对透射光谱和滤波特性的影响。结果表明:与单层表面等离子结构相比,所提双层等离子体亚表面结构模型的透射率更高;在可见光波段内,该滤波器具有偏振不敏感特性,半峰全宽的最小值为23.26 nm,并且具有90.5%的高透射率。这项研究为下一代颜色滤波器的设计提供了理论参考。

孔洞式偏振不敏感红外超构透镜

超构透镜通常由矩形、椭圆形或圆形柱状微结构按设计要求的相位有序排布,由于单元柱的结构尺寸为亚波长级,单元柱高度和长宽(或直径)之比往往大于5,加工制备难度大,特别是对于激光直写这种无需掩膜版、加工自由度高的微纳加工方式,其加工精度还难以满足对复杂阵列的单元柱进行加工的需求。而激光直写在开孔洞方面的加工精度和工艺稳定性要明显优于雕刻微柱阵列。因此,文章研究了一种孔洞式红外超构表面,不同于柱状的超构透镜组成方式,孔洞式超构表面通过单元孔洞的尺寸大小对入射光的相位进行调控,进而实现光学聚焦。加工完成的超构透镜由于孔洞周边连成一体,不易发生柱状超构表面的单元柱断裂、倒伏等现象。将孔洞式超构透镜开孔洞面朝光学系统内部,超构透镜另一面镀红外增透膜,可以同时提高孔洞式超构透镜的光学透过率和环境适应性。文章以硫化锌为基体,利用时域有限差分数值模拟软件FDTD Solutions探索了孔洞式超构透镜在长波红外9μm处,设计焦距为1mm时的聚焦性能,仿真结果表明孔洞式超构透镜聚焦效率高,具有良好的应用前景。

相变材料辅助的非易失性硅基偏振不敏感1×2模式光开关

提出一种相变材料辅助的非易失性硅基偏振不敏感1×2模式光开关,该器件包括偏振分束单元、偏振合束单元、定向耦合结构单元、偏振不敏感交叉波导以及模式转换单元。通过调谐相变材料的晶态与非晶态,可实现偏振不敏感的多模光开关功能。利用粒子群智能算法和时域有限差分法对所提出的器件进行优化并分析其性能。仿真结果表明,在1535~1569 nm波长范围内:输入TE_(0)模式时,所设计器件的插入损耗小于1.37 dB,串扰小于-13.12 dB;输入TM_(0)模式时,所设计器件的插入损耗小于1.61 dB,串扰小于-17.39 dB。

基于偏振不敏感超材料的全光可调谐太赫兹慢光效应研究

太赫兹(terahertz, THz)慢光效应可以有效地提升THz脉冲数据传输的安全性和存储性,而一般THz慢光器件对入射THz波偏振态变化敏感。本文设计了一种超材料结构,其微结构单元由一个十字型谐振器和4个U型谐振器构成。研究表明:基于超材料的THz慢光效应对线偏振光和圆偏振光均不敏感。通过对超材料结构的参数优化,获得到了最大群折射率为1 618的慢光效应。另外,本文在超材料微结构层和SiO2衬底之间嵌入了一层二硫化钼(MoS_(2))薄膜,当MoS_(2)的载流子浓度从1.7×10^(17)cm^(-3)增大到5.1×10^(19)cm^(-3)时,群折射率从1 566减小到26。实现了偏振不敏感全光可调谐的THz慢光效应。该研究有望为偏振不敏感和全光可调谐的THz慢光器件设计提供崭新的研究思路。