用于光电集成收发模块的SOI波导耦合器设计

基于光纤陀螺的小型化和工程化设计要求,提出模块化设计概念。设计了一种Y型SOI波导耦合器,用于光纤陀螺光收发模块。此结构具有形式简单、谱宽、加工工艺成熟和易于实现光电集成等技术优势。理论上分析了波导结构参数对其特征参数(分光比、损耗)的影响,优化参数设计,通过模场匹配理论减小器件损耗。最后,对波导耦合器加工工艺进行了讨论,采用电子束光刻技术加工出波导掩膜版,并对加工工艺参数进行了优化。实验结果表明:所设计的分光比50%:50%波导耦合器,当波导长为25mm时,输入输出波导的间距可以达到300μm,且理论弯曲损耗可忽略不计,可以有效的抑制光源与耦合器的串音干扰。通过优化工艺参数,设计的SOI波导耦合器可以满足设计要求。

Rashba效应对量子线中强耦合束缚极化子性质的影响

采用改进的线性组合算符和幺正变换相结合的方法,研究了Rashba效应对半导体量子线中强耦合束缚极化子性质的影响。计算了Rashba效应的影响下量子线中强耦合束缚极化子的基态能量、有效质量和振动频率。数值分析结果表明:基态能量随库仑束缚势的增加而减少,随受限强度的增加而增大,而且在Rashba效应影响下,基态能量和有效质量比随库仑束缚势的变化曲线由原来的一条分裂为上下两条;振动频率随束缚势、受限强度和耦合强度的增加而加快;有效质量比随库仑束缚势和受限强度的增强而变大。

SOI定向耦合器研制

本文根据大截面单模脊形波导条件和有效折射率法，在硅片直接键合后背面抛光减薄的ＳＯＩ材料上，通过氢氧化钾各向异性腐蚀的方法，成功地研制出ＳＯＩ定向耦合器，在波长为１．３μｍ时，其平均插入损耗为４．８ｄＢ，平均串音小于－１８．６ｄＤ．

4×4区域调制多模干涉耦合器SOI光波导开关的设计

根据区域调制多模干涉耦合器光开关的工作原理 ,以 2× 2区域调制多模干涉光开关为基础 ,采用级联的方式设计了 4× 4区域调制多模干涉SOI光波导开关。用有限差分二维BPM方法模拟了器件在不同工作状态下的光场传输情况。器件工作波长为 1.5 5 μm ,在不计耦合损耗时器件的平均插入损耗小于 2 .0dB/cm。

NINO区SST与SOI的耦合振荡信号及其预测试验

应用奇异交叉谱（ＳＣＳＡ）分析方法，提取Ｎｉｎｏ 海区各区的平均海温（ＳＳＴ）和南方涛动指数（ＳＯＩ）之间的耦合振荡信号，由此描述其年际和年代际的时变特征。基于ＳＣＳＡ，重建耦合振荡分量序列（ＲＣＣＳ），并与回归分析相结合，对Ｎｉｎｏ 各海区平均的ＳＳＴ月际序列作短期气候预测试验。结果表明，各海区ＳＳＴ与ＳＯＩ的显著耦合振荡周期各有特色，其年际或１０ 年际变化不尽相同，从而构成了ＥＮＳＯ信号在时空演变型态上的复杂性。ＳＣＳＡ基础上的回归预报模型的预报技巧绝大部分优于ＳＳＡ－ＡＲ预报模型。

BPMF-SRM混合法分析SOI脊形波导与光纤耦合

摘用束传播 自由空间辐射模 (BPM F-SRM)混合法计算了SOI脊形波导和光纤耦合时的透射率,提出计算反射率的积分公式 将该混合法和一般FSRM、菲涅尔公式 重叠积分法的计算结果相比较,提出只有在弱导条件下,传统的菲涅尔公式法和重叠积分法才可以同时使用.

In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP量子阱中的Rashba自旋-轨道耦合

利用k·p方法研究了In0.53Ga0.47As/InP窄禁带半导体量子阱结构中的Rashba自旋-轨道效应及其栅电压调控规律。随着栅电压Vg从-0.35V增加到0V,电子浓度ne从0.99×1011cm-2线性增大至9.20×1011cm-2,Rashba自旋-轨道耦合参数α从2.38×10-11eV·m减小到0.19×10-11eV·m,零场自旋分裂能Δ0高达4.63meV。结果表明通过栅电压可以有效调控样品中的自旋-轨道耦合强度,证明该结构是制备自旋场效应晶体管(SpinFET)的理想材料。

Rashba效应影响下量子点中弱耦合束缚极化子的性质

采用改进的线性组合算符和幺正变换的方法研究了Rashba效应影响下量子点中弱耦合束缚极化子的性质,导出了Rashba效应影响下量子点中弱耦合束缚极化子的振动频率、有效质量、基态分裂能和相互作用能.数值计算结果表明随Rashba自旋-轨道耦合常数的增加,由于声子作用产生的附加能量对零磁场时自旋分裂能的影响占有绝对优势.库仑势对束缚极化子的基态能量的影响同时也占有绝对优势.所以,研究Rashba自旋轨道相互作用时声子的影响不可忽略.

SOI矩形光波导定向耦合器的研究

提出一种利用有效折射率方法分析SOI矩形光波导定向耦合器的理论,并且取得了与精确解非常吻合的结果,最后得出了一些有用的结论,对分析和设计光波导定向耦合器有一定指导意义。

Rashba自旋-轨道耦合下二维双极化子的基态性质

在考虑Rashba自旋-轨道耦合效应下,基于Lee-Low-Pines变换,采用Pekar型变分法研究了量子点中双极化子的基态性质.数值结果表明,在电子-声子强耦合(耦合常数α>6)条件下,量子点中形成稳定双极化子结构的条件(结合能E_b>0)自然满足;双极化子的结合能E_b随量子点受限强度ω_0、介质的介电常数比η和电子-声子耦合强度α的增大而增加,随Rashba自旋-轨道耦合常数αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;Rashba效应使双极化子的基态能量分裂为E(↑↑),E(↓↓)和E(↑↓)三条能级,分别对应两电子的自旋取向为"向上"、"向下"和"反平行"三种情形;基态能量的绝对值|E|随η和α的增加而增大,随αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;在双极化子的基态能量E中,电子-声子耦合能所占据的比例明显大于Rashba自旋-轨道耦合能所占比例,但电子-声子耦合与Rashba自旋-轨道耦合间相互渗透、彼此影响显著.

金属表面Rashba自旋轨道耦合作用研究进展

自旋轨道耦合是电子自旋与轨道相互作用的桥梁,它提供了利用外电场来调控电子的轨道运动、进而调控电子自旋状态的可能.固体材料中有很多有趣的物理现象,例如磁晶各向异性、自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等,都与自旋轨道耦合密切相关.在表面/界面体系中,由于结构反演不对称导致的自旋轨道耦合称为Rashba自旋轨道耦合,它最早在半导体材料中获得研究,并因其强度可由栅电压灵活调控而备受关注,成为电控磁性的重要物理基础之一.继半导体材料后,金属表面成为具有Rashba自旋轨道耦合作用的又一主流体系.本文以Au(111),Bi(111),Gd(0001)等为例综述了磁性与非磁性金属表面Rashba自旋轨道耦合的研究进展,讨论了表面电势梯度、原子序数、表面态波函数的对称性,以及表面态中轨道杂化等因素对金属表面Rashba自旋轨道耦合强度的影响.在磁性金属表面,同时存在Rashba自旋轨道耦合作用与磁交换作用,通过Rashba自旋轨道耦合可能实现电场对磁性的调控.最后,阐述了外加电场和表面吸附等方法对金属表面Rashba自旋轨道耦合的调控.基于密度泛函理论的第一性原理计算和角分辨光电子能谱测量是金属表面Rashba自旋轨道耦合的两大主要研究方法,本文综述了这两方面的研究结果,对金属表面Rashba自旋轨道耦合进行了深入全面的总结和分析.

单模光纤与SOI纳米线波导耦合设计

波导光栅在集成光学发展中扮演着重要的角色。与其他的耦合方法相比,光栅耦合器具有耦合效率高、制备封装成本低、无需芯片端面抛光、可以在任何地方实现信号输入输出等优点,成为纳米光波导最有潜力的耦合方法。本文提出利用OPTIFDTD软件仿真结合MATLAB编程的方法精确计算光栅耦合效率的新方法。仿真分析了光栅的周期、槽深、占空比、SiO2层厚度等光栅参数对耦合效率的影响,并给出了使输入光栅耦合器耦合效率达到42.6%;输出光栅耦合器的耦合效率达到72.3%的一组最佳光栅参数。

在Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合相互作用下二端双通道中的局域自旋极化研究

研究二端双通道结构中同时存在Rashba和Dresselhaus两种自旋轨道耦合相互作用情况下的电子局域自旋极化。本结构中所产生的局域自旋极化是由量子干涉效应和自旋轨道耦合共同导致的,因此可以通过调节结构参数和门电压的大小来改变局域自旋极化的大小。在适当选取某些参数的情况下,局域自旋极化可以达到0.33,可以用于自旋过滤器和信息储存器件。

Rashba自旋轨道耦合对NM/FS/I/FS/NM双自旋过滤隧道结中自旋相关输运的影响

基于转移矩阵方法和量子相干输运理论,研究了含两铁磁半导体层的双自旋过滤磁性隧道结(NM/FS/I/FS/NM,NM表示非磁金属,FS表示铁磁半导体,I表示绝缘层)中的Rashba自旋轨道耦合与自旋相关隧穿现象和隧穿磁电阻(TMR)效应之间的关系.研究结果表明:当左右两FS层的Rashba自旋轨道耦合强度相等时可得到最大的正TMR,而不等时可得到大的负TMR;在绝缘层厚度达到一定值后,双自旋过滤结可以获得稳定TMR,其正负和两FS层Rashba自旋轨道耦合强度的相对大小有关.

二维过渡金属硫化物中Rashba自旋轨道耦合效应的电场调控研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对6种二维过渡金属硫化物MX_2(M=Mo,W;X=S,Se,Te)中的Rashba自旋轨道耦合效应进行了系统研究.对6种MX_2材料施加垂直方向电场,发现阴离子X对于电场诱导的Rashba自旋轨道耦合效应起主要作用:X原子序数越大,电场诱导的Rashba劈裂也越大;阳离子M被阴离子X覆盖,对电场诱导的Rashba自旋劈裂影响较弱.因此,6种MX_2单层的Rashba自旋劈裂大小依次为:WTe_2>MoTe_2>WSe_2>MoSe_2>WS_2>MoS_2.施加电场后,从布里渊区中心Γ点到布里渊区边界K/K′点,自旋方向二维平面内转向垂直方向,并且随着电场的增加,面内自旋成分逐渐增加.

SOI波导光传输损耗和端面耦合损耗的精确测量与理论分析

采用法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔(也称F-P腔)方法测试SOI波导光传输损耗及其与光纤的端面耦合损耗的测量精度,对具有相同尺寸长度为8.37 mm的三条SOI波导通道进行测量,得到SOI波导光传输损耗和端面耦合损耗的平均值与测量精度值,且测量精度偏差值很小。通过温度的自动控制扫描仪对另一条长度为12.5 mm的SOI波导进行三次重复测量,获得的传输损耗值和端面耦合损耗值相同,说明采用F-P腔方法获得的测量精度值很稳定。建立了SOI波导传输损耗测量精度da/a与F-P腔谐振输出功率极限值消光比的相对误差dtM/tM和SOI波导端面菲涅耳反射系数的相对误差dR/R之间关系的理论模型。模拟结果表明:改变SOI波导上、下包层和芯层折射率,对光传输损耗和波导-光纤端面耦合损耗的测试精度无影响。数值模拟结果与实验测试结果相一致。

含Rashba自旋轨道耦合二维电子气结构中电子反常位移及自旋分离

研究了含Rashba自旋轨道耦合的磁电调制半导体二维电子气中弹道电子反常位移(Goos-H(a|¨)nchen位移,即GH位移),实现了弹道电子的自旋分离,为自旋分离器件的设计提供了理论依据。研究结果表明:通过调节结构的各个参数包括入射角、磁场强度和Rashba自旋轨道耦合系数,可以有效地调控GH位移;位移在一定条件下可以为正也可以为负;体系中弹道电子的GH位移和自旋极化态有密切关系,这个自旋相关的位移可以用来分离不同自旋极化的电子束。基于这些现象,提出了一种利用GH位移在半导体2DEG中分离不同自旋极化电子的方法,这些现象在设计自旋电子学器件上有所作用。

一种改进的2×2 SOI Mach-Zehnder热光开关(英文)

本文设计并制作了基于强限制多模干涉耦合器的2×2SOI马赫-曾德热光开关.这种光开关采用了深刻蚀结构的多模干涉耦合器和输入/输出波导,较大地提高了干涉耦合器的性能并减少了连接耦合损耗.同时,在调制臂区域采用浅刻蚀结构,保持其单模调制状态.深刻蚀多模干涉耦合器具有优越的特性,在实验中测得不均衡度只有0.03dB,插入损耗-0.6dB.基于这种耦合器的新型热光开关,其插入损耗为-6.8dB,其中包括光纤-波导耦合损耗-4.3dB,开关时间为6.8μs.

SOI热光调制器

设计和制作了多模干涉马赫曾德型热光调制器 .通过合理选择 SOI光波导的埋层和包层的厚度 ,使制作出的调制器有良好的综合性能 .调制器调制深度为 91% ,功耗为 0 .35 W,调制速度约为 2 7μs.

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。