高品质因子氟化镁晶体微腔制备与测试

研制了基于直线电机、高精度光栅尺、力学反馈单元的精密自动磨抛系统。在制备晶体微腔时,该系统可准确控制晶体微腔的尺寸、厚度及外形。采用预成型、粗磨、粗抛以及精抛等步骤制备了具有高品质因子的氟化镁晶体梯形微盘腔。利用白光干涉仪表征精抛后的氟化镁晶体表面粗糙度为2.84 nm。通过搭建锥形光纤与晶体微腔耦合测试系统,采用光腔衰荡方法测得所制备的晶体微腔在1550 nm处的本征品质因子为4.55×10^(8)。

高Q值太赫兹传感器的设计与性能仿真分析

本文设计了一种非对称金属十字单元结构,该结构由沉积于石英基底上的两个相互垂直共面金条构成。传统的金属十字结构中常用的LC谐振和偶极子谐振的辐射损耗较大,限制了超表面传感器实现高品质因子和高透射率,故通过打破传统金属十字结构的对称性,引入类Fano共振效应,从而使得透射峰灵敏度达到了218 GHz/RIU,传感器的品质因子达到了78.3。通过分析该超表面的电场和表面电流分布,探究了Fano共振效应的物理机制,并进一步研究太赫兹传感器的结构参数对透过谱的影响,通过调整结构参数优化该传感器的传感性能。最后,设计了具有不同共振频率的非对称金属十字太赫兹传感器以便后续用于不同种类的微量氨基酸溶液的检测。

基于高Q值玻璃槽电感的优化与验证

为了实现射频系统对具有高品质因子的电感的迫切需求,本文提出了利用玻璃槽实现高品质因子电感的方法。通过对电感损耗机制分析得到影响玻璃槽电感品质因子的因素,通过建立玻璃槽电感的物理模型,并使用HFSS与ADS软件联合仿真的方法模拟了不同变量对玻璃槽电感的影响,得到的玻璃槽电感的品质因子大于100,同时,通过将基于玻璃槽电感的UWB超宽带滤波器与STATS Chip PAC公司基于硅基的UWB带通滤波器进行对比,仿真验证了基于玻璃槽电感实现的滤波器的性能优良,这说明电感品质越高对器件的性能提升越明显,所以本文提出的电感的设计方法有明显的优势。

回音壁模式光学微腔及其应用研究进展

近年来,高品质因子的回音壁模式(WGM)光学微腔发展迅速,成为光学和物理领域的热点研究。光学微腔是一种微型光学元件,由于其微小的尺寸和高品质因子,可以加强光与物质的相互作用并使光在其中长时间存留。WGM光学微腔是光学微腔的典型代表之一,具有体积小、灵敏度高和寿命长等优点,目前,基于WGM光学微腔的应用主要集中在各类传感、激光器和滤波器等领域。然而,当前对WGM光学微腔的研究还未实现大规模生产,仅处于实验室研究阶段,工业化生产还存在成本高、制作工艺困难等缺点。文章重点介绍了WGM光学微腔的研究进展,阐述了回音壁材料对Q值的影响,近几年WGM光学微腔在传感、激光器和滤波器领域的应用,并提出了在可能实现全光网络的未来WGM光学微腔存在的挑战及进一步研究方向。对于后续研究,文章认为首先需降低成本、缩短时间,提高制备工艺的精度和效率;其次,需要解决微腔与光学器件耦合的问题,提高耦合效率并提高抗干扰能力;最后,需要解决腔体对环境的敏感性问题,以确保微腔在制备滤波器等器件时具有良好的稳定性。

微槽式光学谐振腔超声传感效应验证

光学微腔的高灵敏度主要源于其结构在时间和空间上对光场的局域增强作用和频率选择作用。其结构在垂直于波导方向上形成了高反射的边界,进而形成了一种回声腔,使光在波导内来回反射,从而增强了波导内部的光场强度。当外界存在微小的压力波动时,它将引起波导内部的介电常数和压力场的变化,从而改变谐振腔内的模式场分布和传输特性,据此可以实现对微小的压力波动进行高灵敏度检测。该文设计了一种高品质因子(Q)的光波导微槽式环形谐振腔超声传感器,完成器件制备并搭建了测试系统,依据倏逝波效应实现了超声探测。测试结果表明,该传感器的Q为1.38×10^(7),在800 kHz-1 MHz范围内响应平坦,在900 kHz的信噪比可以达到27 dB,灵敏度达到-168 dB。该文设计的传感器可以为水声探测等领域的研究提供关键技术支持。

空芯金属包覆波导传感器特性及应用领域分析

不同于一般的光波导,空芯金属包覆波导中超高阶导模的有效折射率可处于0<N<1区域,该特征不仅使导模的激发可采用简单易行的自由空间耦合技术,而且使超高阶导模具有高功率密度、高品质因子(Q值)和高灵敏度等特性.利用这些优点,分析了空芯金属包覆波导在环境保护、食品安全、生物分子相互作用和拉曼、荧光增强等传感领域的应用.

掺钕微球的受激辐射激光和自受激拉曼散射

采用溶胶-凝胶法在SiO_2微球表面覆盖上一薄层Nd^(3+)掺杂SiO_2,并经电极放电熔融后形成表面光滑的高Q值微球.采用锥光纤将808 nm的抽运激光耦合入钕离子掺杂的高Q值微球形成回廊模,激发产生了1080—1097 nm波段受激辐射激光.由于所产生的激光有足够高的功率密度,在高Q SiO_2微球中激发产生了波长为1120—1143 nm一级自受激拉曼散射激光.推导了锥光纤掺钕微球组合的自受激拉曼散射的输出功率和阈值公式.描述了输出激光的特性:阈值、输出功率、线宽、边模抑制比.

基于TGV的射频无源器件的三维集成

为了实现射频系统中对电感高品质因子的需求,介绍了一种新型的具有高品质因子的TGV三维电感结构,建立了TGV电感的物理模型,分析了不同结构参数对电感性能的影响,得到电感的品质因数约为80左右。采用这种高品质因子的TGV电感,结合平行平板电容器,设计了一款在玻璃介质中集成的耦合谐振带通滤波器,所设计的滤波器尺寸仅为0.68mm×1.07mm,带内插损小于2dB,面积小,性能优良,进一步验证了电感性能的优良。

音叉受迫振动的干涉测量

通过干涉测量法得到音叉振动的幅频特性曲线,同时测量位移振幅和速度振幅.实验中使用高品质因子音叉,激励信号的电压也降到了mV量级,既可以让音叉经过较长时间消除暂态过程,又可以减缓音叉由于长时间激励所带来的升温现象.使用干涉测量法测量音叉受迫振动振幅,并给出2种数据处理方式.该方法具有驱动功率小,测量精度高,直接测量位移量,同时测量两方面信号的优点.

对称平面特异材料中的类Fano谐振(英文)

从理论和实验上研究了一种具有C3对称性的平面特异材料中的类Fano谐振模式。该平面特异材料由互补劈裂开口环谐振器(CSRRs)周期排列而成,每个原胞包含3个缝隙,具有三度旋转对称性。当水平偏振的电磁波入射到该结构时,具有高品质因子的类Fano谐振模式可以被激励,透过率频谱上表现为尖锐的谐振峰。该类Fano谐振由单元内3个CSRR局域模式的平面内耦合形成的对称态和反对称态耦合产生,在传感器、滤波器方面有广阔的应用前景。

硅基GaN微腔制作及其激射特性(特邀)

提出了一种新的Si衬底上GaN微盘谐振腔的制备方式,避免了传统Si基GaN器件中晶体质量较差以及外延层较厚对器件性能的影响。本工作中GaN的外延生长使用蓝宝石衬底,随后将外延层转移至硅衬底上进行微盘谐振腔的制备。外延生长时靠近衬底侧的GaN富缺陷层可使用减薄抛光的方式去除,并且通过简单湿法刻蚀二氧化硅牺牲层即可实现GaN微盘与Si衬底之间的空气间隙结构。基于较好的晶体质量与低损耗的谐振腔,实现了高Q值的Si基GaN微盘谐振腔低阈值激射,阈值能量低至5.2 nJ/pulse,Q值最高为10487。同时,器件具有较好的温度稳定特性,在100℃环境下也能维持低阈值激射,为大规模单片硅基光子集成提供了高性能的激光源。

FeNHf磁性薄膜微结构中太赫兹波损耗的抑制

基于半导体微纳工艺设计并制备了一种FeNHf磁性薄膜的镜像四环非对称太赫兹微结构,测试了薄膜磁性能和微结构太赫兹波传输特性。结果表明FeNHf薄膜在0.5GHz时在难轴方向的磁导率为410,共振频率为1.48GHz,磁各向异性场强度为31.88Oe(1A·m^(-1)=4π×10^(-3)Oe)。通过比较基于FeNHf薄膜的微结构与相同尺寸的非磁Au薄膜的微结构的太赫兹波传输特性,发现FeNHf薄膜四环微结构的共振频率比Au薄膜四环微结构的共振频率低,这主要是由于FeNHf薄膜具有较高的等效电感值。实验和模拟结果表明,FeNHf薄膜的电导率比Au薄膜低一个量级,在太赫兹共振频率下FeNHf薄膜微结构比Au薄膜微结构具有更高的电场强度和磁场强度,其太赫兹波涡流损耗约为Au薄膜微结构的25%,因此,FeNHf磁性薄膜的镜像四环非对称太赫兹微结构具有较大的透射率和Q值,能够更好地抑制太赫兹波的损耗。

光子学连续域束缚态的理论及应用

连续域束缚态(BIC)是一种特殊本征态,它与扩展态共存却具有强烈的局域性,不向自由空间辐射能量。自1929年被发现以来,BIC的相关理论与实验都取得了长足发展,成为当前的一个热门研究方向。在BIC研究的众多方向中,光子学是BIC研究中的一个重要平台,在非线性光学、传感与滤波、波导与通信等方向都有应用。本文回顾了BIC的研究历史并系统地介绍了光子学领域中BIC的分类及产生机制;归纳了几种常用的理论分析方法,并讨论了光子学BIC现有的应用以及未来展望。

(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O_(3)反铁电薄膜驱动的MEMS微悬臂梁研究

采用溶胶-凝胶法在LaNiO_(3)/Si基底上制备了(Pb_(0.97)La_(0.02))(Zr_(0.9)Sn_(0.05)Ti_(0.05))O_(3)(PLZST)反铁电薄膜。结合微机电系统(MEMS)微加工工艺,集成制造了PLZST反铁电薄膜驱动的硅基MEMS悬臂梁,研究了PLZST薄膜结构的电学性能和悬臂梁的频率响应特性。测得反铁电薄膜具有典型双电滞回线,最大极化强度约为90μC/cm^(2),一阶谐振峰约为15.44 kHz,振型良好。大气环境下的机械品质因子Q值高达787,满足用于谐振器的灵敏度和响应速度要求,这表明该MEMS悬臂梁在微型谐振器和传感器领域将具有广泛应用前景。

一维光子带隙光子晶体激光腔的特性分析

利用平面波展开法与时域有限差分法分析计算了一维光子带隙光子晶体腔的特性。得到了品质因子Q为2.2×106,模体积V为0.278(λ/n)3的一维带隙光子晶体腔。分析了渐变区、腔镜子区及缺陷区对腔品质因子Q和模式体积V的影响。引入渐变区、选择适量周期数及一定缺陷区长度都可以提高腔性能。该结论为设计优化一维光子带隙光子晶体腔提供了有效的理论分析依据与指导。

锆离子掺杂对掺镱SiO_(2)微球自激拉曼激光的增强

受激拉曼散射是拓展激光波长的一种方法。微球腔回音壁模(WGMs)具有模式体积小、功率密度高的特点,有利于研究受激拉曼散射现象。光学介质的极化率大,拉曼增益因子也大,因此通过溶胶-凝胶法在SiO_(2)微球腔表面共掺杂稀土离子Yb^(3+)及重金属离子Zr^(4+),以增加膜层极化率的方式增强拉曼增益,获得阈值降低、效率增加的自激发拉曼激光。对比了在976 nm光源激励下SiO_(2)微球腔分别单掺Yb^(3+)与Yb^(3+)-Zr^(4+)离子共掺所产生的1295 nm附近三级自激发拉曼激光,结果表明随着Zr^(4+)离子掺杂浓度提升至10%,三阶自激发拉曼激光的阈值从129.47 mW降低至15.70 mW,拉曼激光转换效率提升了3.09倍,在相同泵浦功率下获得增强的自激发拉曼激光。

976nm激光抽运二氧化硅微球级联拉曼散射激光的研究

利用电极放电产生的电弧高温熔融二氧化硅单锥细纤,熔融的二氧化硅在表面张力作用下形成表面光滑的微球,完成高品质因子微球腔的制备.将976 nm激光通过锥光纤以倏逝场方式高效耦合入微球,研究具有高能量密度回廊模的微球腔中的三阶非线性现象——受激拉曼散射现象.在实验中测得了六级级联的拉曼散射激光,各级拉曼散射激光分别测得单纵模或多纵模;在抽运光功率不少于582.6μW时,测得位于1200 nm附近的拉曼散射激光;当抽运光功率为3.014 mW时,测得位于1287.04 nm附近的第六级拉曼散射激光.

A high quality factor photonic crystal channel-drop filter with a linear gradient microcavity

We design a channel-drop filter(CDF)with a linear gradient microcavity in a two-dimensional(2D)photonic crystal(PC).The model of three-port CDF with reflector is used to achieve high quality factor(Q-factor)and 100%channel-drop efficiency.The research indicates that adjusting the distance between reference plane and reflector can simultaneously influence the Q-factor due to coupling to a bus waveguide and the phase retardation occurring in the round trip between a microcavity and a reflector.The calculation results of 2D finite-difference time-domain(FDTD)method show that the designed filter can achieve the drop efficiency of 96.7%and ultra-high Q-factor with an ultra-small modal volume.