集成光子学微波移相器研究进展

从集成光子学多路、高精度微波移相器在光控相控阵雷达系统中的应用背景出发,探讨了该器件的研究进展和应用前景。

Bragg光纤与集成光子器件的耦合研究

基于三维有限元束传播法(FEBPM)对Bragg光纤与光子集成器件的耦合进行了定量分析,研究并获得了Bragg光纤的层数、纤芯半径以及光纤与器件之间空气间隙对耦合效率的影响。结果表明,空气芯型Bragg光纤与光子集成器件耦合可以实现最低小于1.2d B的耦合损耗。

集成光子器件封装形式对器件性能的影响

集成光子器件封装过程中,波导芯片与阵列光纤对准耦合完成之后,需用紫外光固化胶进行固接,从而实现光路的互连。针对1×4通道平面波导芯片与阵列光纤的固接,以粘接区域为研究对象,通过-40-80℃的温度循环,采用有限元法分析各种固接形式的应力集中点、应力双折射、耦合损耗的变化规律及其因素;最后通过比较各种固接形式的仿真结果,得出结论,从而指导实验。结果表明：在-40-80℃范围内,温度对粘接面的应力双折射和耦合损耗的影响很小;双盖板固接形式对器件性能的影响最小,斜8°固接形式的效果最差。

硫系玻璃集成光子器件综述(特邀)

硫系玻璃具有超宽的红外透过光谱范围、较高的线性折射率、极高的光学非线性和超快的非线性响应,近年来在集成光子器件研究领域备受关注。首先回顾了硫系玻璃集成光波导的制备,综述了硫系集成光子器件在红外传感和高性能非线性应用方面取得的进展,然后介绍了硫系相变光子器件在光开关、光存储和光计算等方面的前沿进展,最后对目前硫系玻璃光子器件研究存在的问题进行了归纳,并对未来的研究方向进行了展望。

集成光子-原子芯片的研究进展(特邀)

近年来,微纳光学器件和集成光学芯片的研究取得了激动人心的进展,推动着光学相关的各个研究领域与集成光学技术的结合。同时,原子物理学也得到了巨大发展,并应用于传感、计时、寻找新的物理原理和新兴的量子信息科学中。得益于光学与原子物理的紧密关系,集成光子-原子芯片已逐步发展为一个新的研究方向,既是便捷的原子系统又是可集成的量子信息处理平台,兼具两个研究领域的优势。本文综述了该方向的发展概况,主要介绍基于微纳光学结构实现对空间光场的调控,从而实现集成化的原子冷却和探测技术,以及基于微纳光学结构的近场实现增强的原子囚禁和原子与光子的相互作用。重点介绍基于集成芯片上的微纳光子结构与原子的相互作用,特别是微腔,基于其稳定的结构和增强的局域场,有望实现稳定、高效和可扩展的光子-原子混合量子芯片。

可重构自耦合微环辅助的MZI集成光子滤波器

为了适应滤波、延时、波分复用等不同的应用场景,集成硅基光子滤波器需要具备高速的可调谐和可重构特性。本文提出了一种基于自耦合微环集成光子滤波器,将3个MZI型光开关连接,构成可调谐的自耦合微环谐振腔。通过控制器件上的电极,可以将该器件重构成光开关、非平衡MZI滤波器、双微环辅助的MZI滤波器、双注入型微环谐振腔滤波器以及自耦合微环辅助的MZI滤波器等五种不同结构。通过传输矩阵法对该器件进行建模仿真。仿真结果表明,基于该器件的双微环辅助的MZI滤波器可实现在带阻滤波器与带通滤波器之间的切换,消光比大于35 dB。双注入型微环谐振腔滤波器可实现在两种不同自由光谱范围之间切换,且滤波频率可调谐范围可达18 GHz。相比于许多现有的功能单一的滤波器,该结构具有极佳的可重构特性,在集成光子信号处理和微波光子学等领域具有良好的应用价值。

硅基集成光子器件先进设计方法

硅基集成光子器件具有体积小、集成度高的突出优势,在光通信、数据中心光互连等领域具有广阔应用前景。然而,硅基波导耦合器件尺寸相对较大、工作带宽和工艺容差受限。硅基多模路由光子器件设计还面临挑战。文章介绍了近年来发展起来的两种硅基集成光子器件先进设计方法:绝热捷径法和变换光学方法,简要阐述其物理原理,并展示在硅基集成光子器件设计中的典型应用。

基于薄膜铌酸锂的微波光子雷达芯片

微波光子雷达拥有分辨率高、处理速度快、同时多波段、多功能等优势,在航天系统中具有广阔的应用前景。为了满足航天应用对雷达系统体积、质量和功耗的严格要求,集成化已经成为微波光子雷达的重要发展方向。介绍了一款基于薄膜铌酸锂的微波光子雷达芯片,利用该芯片实现了雷达发射信号倍频产生和回波信号去斜接收,并对距离天线不同位置的目标进行了测距实验,得到的测量距离与实际距离基本相同,两者之间的误差小于4 mm。

基于亚波长光栅辅助定向耦合器的集成铌酸锂偏振分束器

绝缘体上铌酸锂(LNOI)是实现高速光子集成回路(PICs)的理想平台。通过充分利用铌酸锂(LN)的优势,LNOI平台能够实现高速电光和高效非线性光学集成器件。偏振分束器(PBS)作为分离和组合两种正交偏振光模式的关键无源器件之一,在实现片上偏振复用系统并提升光通信系统数据传输容量方面发挥着至关重要的作用。近年来,基于不同结构的PBS已经被成功实现,其中,基于亚波长光栅辅助定向耦合结构的PBS表现出优异的器件性能和紧凑的器件尺寸。本文基于氮化硅-铌酸锂异质集成的间接刻蚀方案,实现了一种亚波长光栅辅助定向耦合结构的高性能PBS。仿真结果表明,当波长在1500~1600 nm时,器件的偏振消光比均大于24.49 dB。实验数据进一步证实,当波长在1500~1580 nm时,器件偏振消光比均大于18.06 dB。

硅基光子集成芯片光纤陀螺

光纤陀螺用于敏感载体旋转角速率,是惯性导航系统的核心传感器之一。未来军用及民用领域对小体积、低成本的光纤陀螺需求巨大。利用光子集成芯片代替传统光纤分立器件,借助集成光学光刻工艺大规模批量生产的优势,降低生产成本,提高出货量,是光纤陀螺发展的重要方向。因此,在充分考虑目前国内微纳加工水平基础上,提出了一种工艺实现相对简单、可快速工程化的硅基光子集成芯片光纤陀螺设计方案。基于开环光纤陀螺架构,设计并加工了硅基光子芯片,实现了陀螺全部无源器件的片上集成,光子芯片尺寸约4 mm×3 mm;设计加工了四通道超细径保偏光纤阵列,实现波导与光纤多个耦合点的一次对准,大幅提高耦合封装效率;实现了光子集成芯片光纤陀螺样机25℃时零偏稳定性达到0.2°/h,性能优于相同结构的传统全光纤器件光纤陀螺。

光子计数集成成像的压缩与重构

集成成像技术作为一种重要的裸眼三维显示技术,在完整记录三维场景信息的同时,庞大的数据量给传输和存储带来了压力。为了实现图像的有效压缩和重构,根据光子计数集成成像的特点,基于分布式压缩感知理论,提出用于图像压缩与重构的方案。该方案将图像分为参考图像和非参考图像两类,对其设置不同的测量率并分别进行重构。为保证非参考图像的重构质量,提出一种联合重构算法。该算法首先对非参考图像进行分块测量,依据与参考图像之间的相关性进行图像块分类,然后结合参考图像测量值信息构建新的测量矢量,利用新的测量矢量完成初次图像重构。为了进一步提升图像重构质量,对初次重构结果进行二次残差补偿重构,获得最终重构结果。最后通过设置不同的测量率进行了大量实验,实验结果表明,所提算法在测量率为0.25时,图像重构质量可以达到30 dB,测量率为0.4时,图像质量可以达到35 dB,算法性能具有一定的优越性。

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。

基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究

为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm~1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃~42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz~100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。

基于集成光波导的超快光子微积分运算研究进展

为了克服电子计算的速率瓶颈,采用全光计算可以有效释放光子的巨大带宽资源,同时全光计算在全光通信网络中有着举足轻重的作用,集成光波导器件以其尺寸小、质量轻、功率代价小等优势已经成为最受关注的光子计算芯片资源之一。光子微积分运算是指在光域中直接对输入信号进行微积分数学运算。本文回顾了几种常见的硅基光波导器件用于光子微积分运算的实现方案,包括高阶光子微分运算、分数阶微分运算、高阶常系数微分方程求解、可重构的一阶常系数微分方程求解,分别采用的硅基集成光子器件包括级联马赫增德尔干涉仪、掺杂型马赫增德尔干涉仪、级联微环谐振器和掺杂型微环谐振器。本文指出利用集成光波导器件来实现光子微积分器势必会成为光子微积分运算的重要发展方向。

硅基光子集成宽带大色散延时芯片(特邀)

集成、宽带、大色散延时的器件在微波光子滤波、真延时相控阵天线等领域有着重要的应用,可以有效地降低系统尺寸和功耗。文中提出并实现了一种基于硅基光子集成的宽带大色散延时芯片,通过采用超低损耗波导结构和侧壁法向量调制结构实现了片上集成大色散波导光栅,色散值超过250 ps/nm,最大群延时达到2 440 ps,带宽大于9.4 nm,该芯片有望用于微波光子学、高速光纤通信系统等领域。

涡旋光场的集成光子学操控方法

光学涡旋是一类围绕光轴具有螺旋相位项的圆柱光学模式。近年来,光学涡旋因其在光学和光子学的许多领域具有重要潜在应用而引起了广泛关注,其可能应用范围包括光通信、光信息处理、成像传感和量子信息等。与基于自由空间光学的方法相比,集成光子学的发展为操纵光学涡旋提供了更为有效的方法。对使用集成光子器件操纵光学涡旋的理论框架和最新技术进展进行了全面综述。

集成可编程光芯片的研究与功能验证

随着对高速、超紧凑数据信号管理需求的日益增长,光子集成电路(Photonics Integrated Circuits,PIC)在先进的光子信号处理中受到广泛关注,其中可编程光芯片因其特有的通用性、可重构特性逐渐受到开发者的青睐.本文依托联合微电子中心有限责任公司(United MicroElectronics Center Co.Ltd,CUMEC)的绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)自主工艺平台,设计并制备了包含9个六边形单元的3×3六边形架构可编程光芯片,利用迭代扫描法实现了消光比高达30 dB的开关电压标定,并通过扁平化版图优化设计使芯片尺寸降低了21%;采用此可编程光芯片进一步完成了典型功能验证:通过对输入输出端的可调基本单元(Tunable Basic Unit,TBU)耦合系数进行调谐,可实现消光比、谐振波长、自由光谱范围可调的马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)/微环谐振腔(Micro-Ring Resonator,MRR),消光比可高达42.3 dB/28 dB;可实现延时量大范围可调谐的延时线及任意输入/输出端口之间的路由.该芯片是目前世界上规模最大的六边形架构可编程光芯片,并实现了与有源单元的单片集成,在微波光子信号处理、化学生物传感、量子信息、光计算领域具有广阔的应用前景.

集成铌酸锂光子器件技术的研究进展

铌酸锂单晶薄膜(LNOI)具有透光光谱宽,折射率高,二阶非线性高及压电响应大等优点,是一种重要的集成光子学基础材料。LNOI材料具有亚波长尺度的光约束和光电器件的高密度集成能力,能够实现具有更高性能、更低成本的全新器件及应用,给光通信和微波光子学带来革命性的变革。该文重点综述了LNOI的制备技术、LNOI电光调制器、LNOI声光调制器和LNOI电光频率梳的最新研究进展,简要讨论了铌酸锂光子器件在制作工艺和系统实现中面临的挑战。

集成微波光子射频前端技术

微波光子射频前端具有频率覆盖范围大、工作波段和瞬时带宽可灵活重构、抗电磁干扰等优势,在泛在无线通信、软件无线电、雷达和电子战系统中有着广阔的应用前景。为进一步减小系统的尺寸和功耗以满足实际应用的需求,构建基于光子集成芯片技术的微波光子射频前端微系统势在必行。文章分析了集成微波光子射频前端微系统目前在器件层面和系统集成层面面临的挑战,并从高精细、可重构的光滤波器设计、混合集成系统架构设计和系统频率漂移抑制方案三个方面重点介绍了作者所在课题组开展的关于混合集成可重构微波光子射频前端的研究现状。

集成微波光子技术的现状及其宇航应用浅析

集成微波光子技术具有小尺寸、大宽带、可调谐和低功耗等优势,在未来高通量卫星载荷技术中极具应用前景。本文围绕集成微波光子技术宇航应用的两个关键技术--集成光子技术和集成封装技术,通过分析近几年国内外的发展状况,对目前我国集成微波光子宇航应用所面临的几项挑战进行了总结与分析。