可见光宽入射角度金属偏振分束光栅的消光比特性研究

设计出一种工作在可见光波段宽入射角度范围具有高消光比的金属偏振分束光栅。采用等效介质理论对金属偏振分束光栅原理进行定性分析,利用严格耦合波理论和时域有限差分法对金属Al光栅进行数值仿真并详细分析了结构参数中周期、高度以及光波长和入射角度等参数对偏振特性的影响。结果表明:当Al光栅占空比为0.5,周期为0.15μm,光栅脊高度为0.15μm时,在0.4~0.7μm波段和45°±10°入射角范围内,该金属偏振光栅对TM波高透射,对TE波高反射,光栅透射消光比平均35 dB,反射消光比平均12 dB,最后对制作的金属偏振光栅进行消光比测量,验证了设计结果的正确性。该研究结果对设计和制备高衍射效率、高消光比、宽波段宽入射角度范围的偏振分束器具有较好的实践指导价值。

基于PSO算法的硅基C波段低损耗紧凑型偏振分束旋转器

提出了一种基于模式演变原理的紧凑型偏振分束旋转器(Polarization Splitter Rotator,PSR)。该器件由锥型TM0-TE1模式转换器与非对称定向耦合(Asymmetric Directional Coupler,ADC)结构的模式分束器组成,经粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)和样条插值原理优化后的器件总长度仅为45μm。利用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain method,FDTD)对器件进行仿真,数值结果表明:输入TE0模式时,在100 nm(1500~1600 nm)带宽内具有低插入损耗(<0.007 dB)、低串扰(<-28.7 dB)、高偏振消光比(>49.1 dB);输入TM0模式时,在整个C波段内具有低插入损耗(<0.34 dB),低串扰(<-47.1 dB),高偏振消光比(>15.5 dB),且在中心波长1550 nm处插入损耗值仅为0.06 dB。此外,对器件的公差进行了分析,结果表明该器件具有良好的鲁棒性。所设计的PSR具备低损耗、小尺寸以及低串扰特性,在未来大规模光子集成领域具有重要应用价值。

800 nm亚波长夹层式金属偏振分束光栅

为获得高性能的偏振分束光栅,设计了一种亚波长夹层式金属光栅结构,通过严格耦合波分析和遗传算法优化出最佳光栅结构。所设计的光栅在波长为800 nm时,0级衍射级次上TM偏振波的透射率和TE偏振波的反射率分别为98%和96.5%。在波长747 nm<λ<854 nm,以及入射角-27°<θ<27°范围内,光栅的透射和反射消光比都大于20 d B,达到了高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度的要求,数值分析表明该光栅对周期、槽深、覆盖层厚度具有优良的工艺容差。该光栅结构简单,性能稳定,对入射光损耗低,偏振分束效果明显,在光学偏振器件、激光器系统、偏振成像等领域具有广泛的应用前景。

基于偏振分束的磁光成像技术研究

针对现有磁光成像技术的测量结果难以量化且受光源波动影响较大的问题,提出了一种基于偏振分束的磁光成像新方法。根据偏振光的琼斯矢量描述方法推导出偏振分束法测量旋光角度的模型,并由此模型分析得出,从旋光物质出射的偏振光经偏振分束装置后输出的平行分量和垂直分量进行"差除和"的结果与入射光强无关,只和旋光角度值相关;由此原理,设计了基于CCD的检测平台,对旋光角度场进行了测量实验,又采用归一化互相关和"差除和"算法对测量图像进行了处理;最后,进行了基于该方法的磁光成像应用实验研究。实验结果表明,与传统磁场成像方法相比,该方法操作简单,结果易于量化,不受光强波动影响,误差降低约3倍,且稳定性较好。

薄膜层数对偏振分束棱镜性能的影响

采用电子枪蒸镀离子源辅助技术,讨论了薄膜层数对偏振分束棱镜性能的影响.结果表明:随着薄膜层数的增加,p偏振光的透射率逐渐增大,s偏振光的透射率逐渐减小,p偏振光和s偏振光透射率的比值逐渐增大.

宽光谱宽视角亚波长金属偏振分束器的研究

基于严格耦合波分析设计了一种亚波长金属偏振分束光栅,通过遗传算法优化出最佳光栅结构。该光栅在1429<λ<1700nm波段,TM波的0级透射率和TE波的0级反射率优于90%,入射角-27.5°<θ<27.5°时,光栅透射和反射消光比都大于20dB,达到了宽光谱、宽视角的要求。数值分析表明光栅对周期、槽深具有优良的工艺容差。

基于偏振分束成像的旋光角度场测量技术

为了精确地测量旋光效应中偏振光的旋光角度及其分布,提出了基于偏振分束成像的旋光角度场测量新方法。分析和推理论证了旋光角度场测量理论基础,设计构建了光电检测验证系统,即根据偏振光分束原理,借助于高清晰度CCD采集图像,由计算机对图像进行中值滤波和基于奇异值的匹配处理,再采用"差除和"信号处理以消除光源波动的影响,得到检测结果。实验结果表明,与传统的测量方法相比,该方法不受光源波动的影响,能精确、快速地检测旋光角度二维分布场,并具有很好的线性,数据的均方差仅为传统测量方法的40%。

二氧化硅夹层式亚波长光栅宽带偏振分束器

为了获得易制备、高性能的宽带偏振分束器,设计出一种二氧化硅夹层式金属偏振光栅。应用严格的耦合波理论来分别研究TE和TM偏振光的反射率和透射率。仿真结果表明,该模型在波长范围900nm-1100nm之间,入射角在-30°到30°之间,具有良好的偏振分束效果,衍射效率可达到95%以上。TE波反射效率和TM波透射效率最高分别可达到96.8%和97.5%。同时,该结构模型具有高消光比,TE波的反射消光比和TM波的透射消光比分别可达到37d B和33d B。该光栅结构简单紧凑,制作灵活且性能稳定,在偏振成像等领域具有重要应用价值。

夹层嵌入式金属光栅偏振分束器的设计

为获得高性能的宽带偏振分束器,设计了夹层式金属光栅模型。应用遗传算法对光栅参数进行优化,设计出具有高消光比、宽带宽的偏振分束器。采用严格耦合波理论对其性能进行分析研究。模拟结果表明,该模型在波长范围900nm^1200nm之间,入射角-30°~30°,具有优良的偏振分束效果,衍射效率可达到95%以上。TE波反射效率和TM波透射效率最高分别可达到96.8%和97.5%,结构模型消光比高,TE波的反射消光比和TM波的透射消光比分别可达到37dB和33dB,该光栅结构简单紧凑,制作灵活且性能稳定。

基于光电子集成的偏振分束器研究

采用椭圆空气孔的八边双芯结构,设计了两种分别以碲、SF6玻璃作为基质材料的双芯光子晶体光纤(PCF)。基于Maxwell方程理论推导了PCF的反射系数和透射系数,得出了消光比的计算模型。实验结果表明:碲玻璃的制作双芯PCF能够表现更小的消光比,达到-54d B,更适合于x、y偏振光分离。

高性能偏振分束棱镜

介绍了用于光通信的光隔离器、环形器上的一种小尺寸立方体偏振分束棱镜的设计和制造方法,采用对称优化设计膜系并采用非极值法精确控制膜层厚度,以获得高传输效率高消光比的偏振分束镜。给出了该棱镜的设计和试验结果。

基于一维金属-介质周期结构的偏振分束

分析了一维金属-介质周期结构的能带特性,根据一定频率范围内TM波(磁场方向与界面平行)在结构中的负折射以及TE波的正常折射,提出了一种偏振分束器件。利用传输矩阵法(TMM)模拟了该结构对入射高斯光束的偏振分束作用,讨论了不同入射角度下的偏振分束能力,并结合实际金属参量,分析了金属层吸收对结构特性的影响。结果表明该结构在55°附近入射时有最好的性能;在吸收作用下结构偏振分束能力有一定的减小,TM波透射比发生了较大变化,TE波效果较好;随着周期数增加,结构透射比下降,但分光能力显著提高;在工作波段上随着波长增大,金属层吸收对器件的影响减弱。该结构能实现宽波段、宽角度、较高透射比的偏振分束。

波状膜层全角度偏振分束特性的分析

从能带结构和等频面两方面完整阐述了利用光子晶体实现全角度偏振分束的条件,分析等频面目的在于确保波矢的切向分量保持连续,采用时域有限差分(FDTD)方法模拟了高斯光束在波状膜层中的传播过程,通过对比TE模与TM模在0°—89°不同入射角情况下的振幅透射系数,理论上验证了波状膜层的全角度偏振分束效应.

非对称偏振分束光栅的矢量衍射优化设计

基于严格耦合波理论分析了一种非对称偏振分束光栅的设计。这种偏振分束光栅分别在1级和0级衍射级次上衍射TE和TM偏振波。介绍了利用遗传算法设计偏振分束光栅的方法,并给出了优化实例。仿真结果表明:在设计波长为1.55时,TE偏振波在1级的衍射效率大于93%,TM偏振波在0级的衍射效率大于99%,此时1级和0级的透射消光比分别达到了9914.1和46841.5。通过对设计结果的分析发现,该偏振分束光栅在设计波长附近100nm的波长范围内都具有较高的消光比(大于100),达到了较好的偏振分束效果。

具有偏振分束功能的894nm垂直腔面发射激光器

垂直腔面发射激光器是先进光学信息系统的关键器件之一,具有低成本、低发散角、窄线宽等优点。为满足垂直腔面发射激光器在微型原子钟、军事通信等领域的应用,优化激光器的结构参数来改善腔模位置以及在顶层集成光栅改善出光信号的光场分布就变得尤为重要。基于增益腔模失谐技术以及光栅优异的光束会聚、偏振分束功能,提出一种基于非周期性亚波长光栅的894 nm垂直腔面发射激光器。利用光栅的偏振分束功能,可使器件输出端口的消光大于30 dB。通过改善腔模位置以及氧化孔径,器件在20~90℃范围内基本工作性能保持稳定,在85℃环境下工作波长满足微型原子钟的要求,输出光功率为2 mW,为下一代微型原子钟、军事通信等的发展提供了良好的理论基础。

基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器

动态偏振控制器能够实现输入光场任意偏振态到输出光场任意偏振态的控制,可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应,是量子通信和相干通信系统中的重要器件.本文设计并实验验证了基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器,芯片采用标准的绝缘体上硅工艺制作,器件整体尺寸为5.20 mm×0.12 mm×0.80 mm,整体损耗为5.7 dB,最大功耗为0.2W.基于可变步长.模拟退火算法、低噪声探测器和高静态消光比的器件,动态偏振消光比可锁定至30 dB以上.芯片采用热相移器对TE0光场的相位延迟量进行控制,整体为0°/45°/0°/45°结构,可实现无端偏振控制.基于Lumerical软件对核心部件偏振旋转分束结构进行了优化,该结构将以端面耦合方式进入波导中的TM0模式光场转化至另一波导中的TE0模式光场,而原单波导中TE0模式光场不发生转化,实验测得动态偏振控制器的静态偏振消光比可达40 dB以上.该器件具有小体积、低功耗和低成本的特点,可以广泛应用于量子通信和相干通信等领域,特别是需要考虑体积、功耗和成本的应用场合.

硅光子偏振分束旋转器件研究进展

偏振分束旋转器(PSR)是解决绝缘衬底上硅(SOI)平台光波导器件偏振敏感问题的关键性器件。SOI波导材料的折射率差大,使得横电模(TE)和横磁模(TM)的有效折射率差值很大,故器件对偏振态敏感。偏振分束旋转器可有效解决这一问题,光波经过PSR后可以两束同偏振态的模式光输出。根据模式转换机制的不同,PSR分为基于模式耦合和基于模式演化两类。分别介绍对应器件的研究进展。基于模式耦合原理的PSR,模式转换过程一步实现,设计简单,具有小尺寸、工艺易实现的特点;基于模式演化原理的PSR,模式转换分两步完成,结构复杂,具有大带宽、大容差的特点。此外,还介绍了中红外波段的PSR,并对硅光偏振分束旋转器的未来发展趋势做出预测。

偏振调控全光开关的设计分析

给出了一种工作波长为1550nm,基于电光偏振调控的1×2全光开关的设计方法,该光开关由TE-TM模式转换器和偏振分束光栅构成。通过TE-TM模式转换器控制输出信号光的偏振态,由偏振分束光栅选择输出端口。所设计的全光开关两出射端口的串音分别低于-72dB和-33dB,可实现纳秒量级的开关速率,且串音小、结构简单,在全光开关的设计应用中具有重要的参考价值。