基于二维光栅的四通道完全垂直光学接口

作为单模光纤与硅基光电子芯片之间的光耦合接口,光栅耦合器具有强对准容差能力、可随意放置以及晶圆级测试能力等一系列优点,因此被广泛应用于硅基光耦合和光封装.然而为了减小二次反射,传统光栅耦合器通常设计为具有一定光耦合倾角,这个耦合倾角会给测试和封装带来不便.完全垂直光栅耦合器可以避免在光学封装中用到昂贵的角度抛光工艺,这个优点使得它们在多核芯光纤和光纤阵列的耦合应用中非常具有吸引力.本文提出并实验验证了一种基于二维光栅和四通道波导设计的完全垂直光耦合接口,器件仿真耦合效率最高可达54%,耦合中心波长在1555nm附近,向上的光反射损耗为14%(-8.5dB).为了实验验证器件功能,我们基于CMOS兼容工艺对器件进行了加工制造,器件光学输入为四通道垂直耦合二维光栅,通过两个1×2MMI光学合束器将四个通道合为两输出通道并通过光栅耦合器输出.器件实验测试结果显示器件总耦合效率可达40%(单端输出耦合损耗为-7dB),同时我们还测试了具有臂长差的器件,光谱呈现出较强的干涉波形,这说明器件具有类马赫曾德干涉仪的性质,有望在电光调制和光学滤波等领域获得应用.     

亚波长光栅的零级反射特性研究

从严格耦合波衍射理论出发,在不同入射角、方位角和光栅参数下的情况,计算了矩形亚波长光栅零级反射效率随入射光波长的变化.通过计算结果,找出相对合理的光栅参数,使得当入射光的入射角或方位角发生变化时,光栅反射出不同波段的光,即反射出不同颜色的光.这些研究可应用于防伪技术,为设计和制作防伪光栅提供了设计依据.     

近红外铌酸锂光栅耦合器耦合效率优化研究

提出了一种基于铌酸锂导模结构的高效光栅耦合器设计方案及其优化的光学激发配置.利用有限时域差分算法对光栅耦合器的耦合效果进行了数值分析;主要研究了光栅周期、光栅占空比、二氧化硅隔离层厚度,以及入射光的偏振和角度对光栅耦合效率的影响;对在共振波长和非共振波长处空间光传播电场图像进行了模拟.理论仿真结果显示,在光栅周期为650 nm、光栅占空比为0.3、刻蚀深度为130 nm时,利用横磁(transverse magnetic,TM)偏振光沿光栅法线夹角17°方向入射,可获得优化的光栅耦合效率～38%,从而有效地将空间光耦合进入铌酸锂亚波长波导薄膜中,这对铌酸锂微纳光栅耦合器的设计和性能应用有借鉴和参考价值.     

利用非对称双面金属光栅电极提高OLED光导出率的模拟研究

提出利用非对称双面金属光栅电极提高有机电致发光器件(OLED)的光导出效率,采用时域有限差分(FDTD)电磁场模拟仿真软件详细研究了OLED中表面等离子体激元的激发和耦合传输的物理规律和物理机制,计算和分析了非对称双面光栅电极的周期、槽宽、入射光的入射角等与OLED光导出率之间的关系,通过设计优化非对称金属光栅电极结构...     

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。     

MEMS光开关静电驱动结构的研究

对MEMS光开关的悬臂驱动结构进行了设计,考虑到采用湿法腐蚀技术制作的微反射镜与设计尺寸偏差较大,会对光开关的性能产生一定影响,提出了一种扭臂和微反射镜相平行的光开关悬臂驱动结构,该种结构能够实现大面积微反射制作的同时,而不提高光开关的驱动电压,具有结构紧凑,便于集成的优点。采用该悬臂驱动结构,成功制作了8×8光开关阵列,单面微反射镜面积达到180μm×600μm,在65V的驱动电压下,能够实现微反射镜180μm的大位移。     

光纤方向耦合器的神经网络仿真与设计

为了能简单、高效地设计光纤方向耦合器,将人工神经网络方法引入方向耦合器设计中.以两光纤耦合长度作为输入,耦合比作为输出,建立光纤方向耦合器的径向基函数神经网络模型.用此模型进行了光纤方向耦合器仿真和设计,结果证明,该方法具有速度快、精确高、可靠性好、节约器件的设计成本和缩短设计周期等优点,是光纤方向耦合器的一种全新设计方法.该方法可推广到其他光无源器件的设计.     

光子晶体全角度反射器件的研究

在总结金属反射镜及多层介质反射镜的优缺点的基础上研究一维光子晶体全角度反射器件．分析了反射带中心波长、边缘波长及带宽对全角度反射器件性能的影响,并对如何避免Brewster角做了定量分析．按照一维光子晶体的设计思想,利用MgF2/ZnS2种材料的λ／4光学膜系来实现在特定波长范围内的全角度反射,达到了设计要求．     

硅波导纵向多模式分离与交叉的片上解决方案

为了解决硅纳米光子集成器件中纵向分布多模式波导的分离和交叉,提出了一种基于平面阶梯光栅和非对称定向耦合器的模式分离方案,并设计了一种带有曲面反射镜的器件,可实现多模式同时交叉.通过使用三维时域有限差分方法对器件进行仿真,结果表明:设计的平面阶梯光栅可同时分离不同的波长及模式(共9个通道),并具有低于-30 dB的串扰;曲面反射模式交叉器件可同时让3个模式进行交叉,且对所有模式均具有接近-40 dB的低串扰.     

表面等离激元光栅在高灵敏红外探测器中的应用

金属中大量自由电子可以与电磁波耦合在金属表面形成表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP),能够将光辐射能量有效耦合并束缚在金属表面,在近场范围内形成显著的场增强效应.基于金属周期性结构形成的表面等离激元光栅在利用近场场增强效应的同时,可以灵活设计共振波长,因而在高灵敏红外探测器研发中得到广泛应用.采用半导体双量子阱(Quantum Well, QW)结构的电荷敏感型红外光晶体管探测器(Charge Sensitive Infrared Phototransistor, CSIP)是一种新型的高灵敏度红外探测器,它利用光敏浮栅(Photo-Gating)效应实现红外光电转换过程的倍增效应,因而具有波长可调、灵敏度高、光响应率高等优点.本文综述了表面等离激元光栅在CSIP红外探测器件中的设计和应用的研究进展,阐述金属孔阵列光栅的光耦合物理机制和场增强效果、偏振转换效率等特性,通过设计优化的表面等离激元耦合结构,提升CSIP器件光耦合量子效率,然后阐述了CSIP红外光探测器的生长结构、工艺流程,结合荧光谱测试、电流-电压(Current-Voltage, I-V)测试、慢步进扫描光谱测试等技术展示CSIP红外光探测器光电探测性能.最后进一步展望了SPP耦合CSIP高灵敏红外探测器的未来发展和应用研究趋势.