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基于直接二进制搜索算法(DBS)设计的超紧凑InSe可调控功率分束器研究

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物理学报 2023年

作者：张伊祎韦雪玲农洁马汉斯叶子阳徐文杰张振荣杨俊波国防科技大学物质与材料科学试验中心广西大学计算机与电子信息学院广西多媒体通信与网络技术重点实验室华南理工大学微电子学院

多模干涉耦合器结构的功率分束器拥有大带宽、较好制造鲁棒性等优势，长期以来受到人们的关注。本文提出的是一种基于相变材料In2Se3的超紧凑可调控功率分束器，尺寸仅有2.4μm×3.6μm，采用1×2的多模干涉耦合器结构，在不改变其他结... 详细信息

多模干涉耦合器结构的功率分束器拥有大带宽、较好制造鲁棒性等优势，长期以来受到人们的关注。本文提出的是一种基于相变材料In2Se3的超紧凑可调控功率分束器，尺寸仅有2.4μm×3.6μm，采用1×2的多模干涉耦合器结构，在不改变其他结构参数的情况下，采用直接二进制搜索算法对器件进行优化，仅通过In2Se3的α态与β态的可逆相变，利用两种晶态之间的高折射率对比度实现了不同的功率分束比。与其他可调控的功率分束器相比，本文设计的这种功率分束器结构紧凑、调控简单，并且具有较好的鲁棒性。利用该器件在1540-1560nm的波长范围内实现了1:1、1:1.5、1:2三种分束比，插入损耗分别小于0.27dB、0.13dB和0.17dB。证明了这种基于相变材料In2Se3的超紧凑可调控功率分束器在光子集成电路上应用的可能性。

关键词：功率分束器相变材料逆向设计集成光学

基于LNOI的集成化光纤陀螺用功率分束器研究

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导航定位与授时 2022年第6期9卷 8-12页

作者：李豪伟雷明张天其于晓之张丽哲冯喆北京自动化控制设备研究所北京100074

设计了一种基于绝缘体上铌酸锂(LNOI)的片上多模干涉(MMI)波导功率分束器,在5μm×45μm的小尺上实现了1×2的片上分束功能,且满足集成化光纤陀螺的光路应用要求。通过理论公式和有限时域差分法对器件进行了关键参数计算和光场仿真,MMI... 详细信息

设计了一种基于绝缘体上铌酸锂(LNOI)的片上多模干涉(MMI)波导功率分束器,在5μm×45μm的小尺上实现了1×2的片上分束功能,且满足集成化光纤陀螺的光路应用要求。通过理论公式和有限时域差分法对器件进行了关键参数计算和光场仿真,MMI干涉区长度为20μm,优化输出分支间距并增加宽度为1.7μm的锥型波导后,在100nm的光谱宽度中,功率分束器的归一化输出光强较为平坦,最低规一化输出光强为0.965,两输出分支的光功率不均匀度仅为10量级。

关键词：集成化光纤陀螺功率分束器 LNOI MMI 有限时域差分

基于NaYF4:Er3+，Yb3+纳米晶的损耗补偿聚合物波导功率分束器研究

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基于NaYF4:Er3+，Yb3+纳米晶的损耗补偿聚合物波导功率分束器研究

作者：符越吾吉林大学

学位级别：硕士

光通信是一种基于光波载波的通信方式,自20世纪70年代以来,随着人们对通信的要求愈加强烈,光通信因其具有的传输容量大、中继距离长、保密性能好等优点获得了突飞猛进的发展,并成为了通信行业的重要支柱。在光通信网络中,存在着大量的... 详细信息

光通信是一种基于光波载波的通信方式,自20世纪70年代以来,随着人们对通信的要求愈加强烈,光通信因其具有的传输容量大、中继距离长、保密性能好等优点获得了突飞猛进的发展,并成为了通信行业的重要支柱。在光通信网络中,存在着大量的平面光电子集成器件,如光调制器、光开关、复用/解复用器等,它们作为光网络的构成基础,正随着光网络的发展而快速发展。这些光电子器件在工作过程中会不可避免地产生损耗,如果不对此进行补偿,就会大幅降低信号的传输距离、增加误码率。光放大器是一种可以通过泵浦源激励对信号光进行放大的光学器件,能够实现对器件损耗的补偿功能,掺铒光波导放大器作为光放大器的一种,兼具体积小、增益高的特点,在集成光学中得到了广泛的应用。掺铒光波导放大器有着易于集成的特点,但是当插入独立的光放大单元时,其他功能器件的使用空间会不可避免的降低。如果可以让光学器件在实现基础功能的同时,还能够通过具有增益特性的波导材料对自身的损耗进行补偿,就可以在降低器件损耗的同时浪费芯片的使用空间。本论文提出采用具有光放大性能的掺杂聚合物作为集成波导器件的芯层制备Y分支功率分束器,在不占据多余空间的前提下,通过泵浦光的作用使器件具有补偿自身损耗的功能,是一种解决器件芯片空间使用效率和插入损耗这一矛盾的有效方法。论文设计并制备了基于NaYF:Er,Yb纳米晶的倒脊形聚合物光波导放大器。采用高温热分解法制备了NaYF:Er,Yb纳米晶,并对其吸收谱、发射谱、粒子形貌等方面进行了表征;根据表征得到的参数,利用Matlab、COMSOL等软件对器件的增益特性及光功率分布进行了模拟仿真;将纳米晶均匀分散在SU-8光刻胶中作为波导芯层材料,PMMA聚合物和SiO分别作为器件的上下包层,采用半导体工艺制备了倒脊形结构的聚合物光波导放大器。测试结果显示,当1530 nm信号光功率为0.1 mW,980 nm泵浦光功率为267.7 mW时,器件获得的最大相对增益为3.5 dB。在光波导放大器的研究基础上,论文提出并实现了一种基于NaYF:Er,Yb纳米晶的具有损耗补偿功能的聚合物Y分支功率分束器。根据材料性能,利用Rsoft、COMSOL等软件对器件结构参数进行了优化设计,并模拟仿真了器件中的光场传输。以纳米粒子掺杂的SU-8聚合物作为芯层材料,刻蚀SiO作为下包层,PMMA聚合物作为上包层,通过光刻、刻蚀、旋涂等工艺制备了器件。经测试,器件两分支的插入损耗约15 dB,当输入1530 nm信号光功率为0.05 mW时,980 nm泵浦光功率267.7 mW下两分支波导分别获得了5.81 dB和5.41 dB的损耗补偿特性。论文最后针对光纤隔离器在集成光芯片上使用受到限制的问题设计并模拟了一种能够进行残余泵浦光解复用的集成波导结构。根据波导的定向耦合理论和光波导设计理论,优化设计出泵浦光解复用器的波导宽度、高度、间距等参数。模拟结果显示,该结构可以对980 nm泵浦光激发的1550 nm和540 nm两种放大器实现输出端泵浦光解复用功能。通过将该结构集成在波导放大器或损耗补偿器件的输出端,可以将输出波导中的泵浦光与信号光解复用,以避免残余泵浦光对器件性能测试的影响。

关键词： NaYF4:Er3+,Yb3+纳米晶聚合物光波导功率分束器损耗补偿

基于直接二进制搜索算法的硅基功率分束器研究

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基于直接二进制搜索算法的硅基功率分束器研究

作者：马汉斯湘潭大学

学位级别：硕士

大数据时代对通信网络信息的储存、处理和传输提出了更高的要求,硅基光子集成电路凭借其小体积、低损耗、多功能、大带宽、抗干扰和相兼容等优点获得越来越多的青睐,光电混合集成系统成为未来的发展趋势。功率分束器是光子集成电路中重... 详细信息

大数据时代对通信网络信息的储存、处理和传输提出了更高的要求,硅基光子集成电路凭借其小体积、低损耗、多功能、大带宽、抗干扰和相兼容等优点获得越来越多的青睐,光电混合集成系统成为未来的发展趋势。功率分束器是光子集成电路中重要的组成部分,它可以实现多通道的功率分束,对处理片上光信号具有重要的应用。但是,人工搜索少量设计参数的传统方法实现的光子器件尺寸较大,不利于高密度的光子集成电路,且其设计过程具有一定盲目性,时间成本较高。随着计算机计算能力的提升和微纳加工工艺的进步,逆向设计应运而生,它可以在全参数空间搜索器件结构,人工参与因素较少,且设计的微纳光子器件具有小尺寸、低损耗和多功能等优点。为了进一步拓展功率分束器的功能,本论文基于逆向设计算法仿真设计了多款具有新颖功能的硅基功率分束器。本论文针对现有功率分束器输出方向单一、不可逆向使用、功能单一和不可调控的现状,我们提出相应有效的方案。(1)采用直接二进制搜索算法仿真设计了任意输出方向的功率分束器,其创新之处为片上光束经过功率分束后能够直接改变传播方向,而无需添加额外的弯曲波导,且其性能优异,结构紧凑;(2)基于具有高度对称正六边形和正八边形的几何图形,采用直接二进制搜索算法仿真设计了任意输入的1×2和1×3功率分束器,其优势在于无论光源从任何一个端口注入,都可以实现功率分束的功能,即能够可逆向使用,解决了目前功率分束器不可逆向使用的难题;(3)基于旋转的直接二进制搜索算法,仿真设计了多功能的1×2模式转换器,可以兼顾功率分束和模式转换的功能,同时旋转的直接二进制搜索算法是对直接二进制搜索算法的改善,其核心思想是增加对像素点旋转维度参数的搜索,从而增加搜索的自由度,能够提高器件的性能;(4)采用直接二进制搜索算法,并结合相变材料仿真设计了一系列单模式和多模式微纳光子波导开关,这些开关功能直接在波导中实现,不需要额外的设计区域,可以插入在功率分束器波导上实现可调节的功能,为光子互连网络方便地应用于未来的通讯器件提供了新的思路。我们基于逆向设计算法仿真设计了各类新颖的器件,有效地弥补了目前功率分束器输出方向单一、无法可逆向使用、功能单一和不可调节等诸多缺陷,对设计微纳光子器件和推动高密度光子集成电路的实现具有理论指导意义。

关键词：硅基微纳光子器件逆向设计功率分束器直接二进制搜索算法

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光束会聚型亚波长光栅1×4功率分束器

激光与光电子学进展 2020年第3期57卷 85-91页

作者：黄诚白成林房文敬范鑫烨姜夕梅聊城大学物理科学与信息工程学院山东聊城252000 山东省光通信科学与技术重点实验室山东聊城252000

提出一种具有光束会聚功能的单层亚波长光栅结构,该结构能实现光束会聚及四路分光。利用严格耦合波分析法和波前相位控制原理设计并优化该亚波长光栅结构,并给出具体相位设计规则。基于有限元软件COMSOL对其进行仿真分析,结果表明,当波... 详细信息

提出一种具有光束会聚功能的单层亚波长光栅结构,该结构能实现光束会聚及四路分光。利用严格耦合波分析法和波前相位控制原理设计并优化该亚波长光栅结构,并给出具体相位设计规则。基于有限元软件COMSOL对其进行仿真分析,结果表明,当波长为1550nm的横磁(TM)偏振光入射时,该结构可实现四路分束,每束光功率都相等且可实现光束会聚,经计算得到总体透射率为92.670%。该亚波长光栅结构有望在光通信集成以及空间光耦合等领域得到重要应用。

关键词：光栅亚波长光栅会聚光束功率分束器波前相位控制原理光学器件

基于热极化环形芯光纤的可调谐多模干涉光器件的研究

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基于热极化环形芯光纤的可调谐多模干涉光器件的研究

作者：姚晨宇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

熔融石英材料具有中心反演对称性结构,因此不具有二阶非线性极化效应。而热极化的引入可以打破这一结构,并在光纤内诱导出二阶非线性效应,从而在材料中引入电光调制作用。环形芯光纤可看作是将一个平板波导卷曲集成在光纤内形成的,因此... 详细信息

熔融石英材料具有中心反演对称性结构,因此不具有二阶非线性极化效应。而热极化的引入可以打破这一结构,并在光纤内诱导出二阶非线性效应,从而在材料中引入电光调制作用。环形芯光纤可看作是将一个平板波导卷曲集成在光纤内形成的,因此具备多模干涉效应,即可以在输出端口获得输入光场一个或多个像。本文将两种性质结合起来,提出了一种基于热极化的环形芯光纤,该光纤可以实现电光调谐功能,可以应用于功率分束、波长分离、全光纤光开关以及传感等领域。本课题提出了一种中空结构的环形芯光纤,在此基础上对环形芯光纤中的多模干涉效应以及热极化过程进行分析,并结合两种特性,提出了基于热极化环形芯光纤的功率分束器以及分波器。主要内容如下所示:本文首先对课题的研究背景与意义进行介绍,对现有的多模干涉技术进行了系统性介绍,综述了两类常见的多模干涉技术的发展历程,对光纤热极化技术以及热极化诱导纤内二阶非线性效应进行了介绍;其次系统的研究了多模干涉效应与热极化原理,解释了其多模干涉过程,之后介绍了光纤中热极化诱导纤内二阶非线性效应的原理以及二维载流子模型的建立过程,并详细介绍了两种本文中使用到的数值分析方法以及相应的软件;最后建立理论模型,对环形芯光纤进行了模拟仿真计算,研究了其多模干涉特性以及热极化诱导电光调制过程,并在此基础上,提出了一种1×4功率分束器以及一种1×2分波器。其中,1×4功率分束器的分光不均匀度为0.014 d B、分光比约为1:1:1:1、附加损耗为0.88 d B,具有低损耗,高均匀度的分光等优点;1×2分波器对波长为1.24μm/1.55μm的输入光实现了分离,且分离时两个波长对应的串扰分别为-22.1 d B以及-23.5 d B,具有端口串扰低、分离度高的优点。本文中设计的基于热极化环形芯光纤的功率分束器以及分波器,均具有体积小、抗干扰强等优势,且均可以通过热极化的方法在纤芯内诱导出线性电光效应,实现调谐功能,在未来的光通信以及光纤传感等领域具有潜在应用场景。

关键词：热极化多模干涉效应环形芯光纤功率分束器分波器

新型亚波长光栅特性研究及其在光电探测器的应用

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新型亚波长光栅特性研究及其在光电探测器的应用

作者：于传洋聊城大学

学位级别：硕士

在当今信息化的时代大趋势下,光通信系统的快速发展对光电子器件的性能提出了更高的要求,促使光电子器件朝着高性能、小体积、易集成的目标发展。高折射率差亚波长光栅结构具有体积小、功能强、衍射效率高等优点,对促进多功能集成器件... 详细信息

在当今信息化的时代大趋势下,光通信系统的快速发展对光电子器件的性能提出了更高的要求,促使光电子器件朝着高性能、小体积、易集成的目标发展。高折射率差亚波长光栅结构具有体积小、功能强、衍射效率高等优点,对促进多功能集成器件发展具有极其重要的意义。本论文提出采用湿法氧化工艺实现AlGaAs与AlO交替排布的新型高折射率差亚波长光栅结构,基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对其开展设计优化,通过对主要结构参数仿真与选取,实现具有偏振分束、功率分束和反射功能的新型高折射率差亚波长光栅结构,并将新型高折射率差亚波长光栅反射镜与光电探测器集成,实现了高性能谐振增强型光电探测器。本文主要研究内容和研究成果如下:1、提出一种新型AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构,该结构由AlGaAs和AlO交替排布组成。基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对光栅结构进行分析和设计,分别实现偏振分束和功率分束的功能。偏振分束器在800-880nm的宽光谱范围内对TE模式偏振光的反射率大于95%,对TM模式偏振光的透射率大于96%,在850nm波长时偏振消光比可达41.37d B,此外,对入射光具有8°的角度容忍性,且具有20nm的工艺容差。功率分束器在850nm波长TM模式偏振光入射条件下,4路分光由左至右与入射光的功率效率依次为21.05%,19.36%,19.32%,21.01%,总体透射率可达81%,具有良好的1×4分束效果。2、提出一种基于AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅的谐振增强型光电探测器。将AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构设计为反射镜,该结构具有偏振不敏感特性,对TE模式偏振光反射率达到99.8%,对TM模式偏振光反射率达到99.1%。将该反射镜与PIN光电探测器进行集成,实现谐振增强型光电探测器,基于传输矩阵理论方法和数值计算方法对整体器件进行仿真。仿真结果表明,该谐振增强型光电探测器量子效率达到了90.6%,半高全宽接近于0.2nm,在反偏电压为3V,光源的光功率为1m W的情况下,该结构的带宽可达34.54GHz,带宽效率积为31.3GHz。

关键词：高折射率差亚波长光栅偏振分束器功率分束器谐振增强型光电探测器量子效率响应带宽

基于波导间能量耦合效应的光子晶体频段选择与能量分束器

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物理学报 2017年第11期66卷 136-143页

作者：赵绚刘晨马会丽冯帅中央民族大学理学院北京100081

基于波导间能量耦合效应的光子晶体功率分束器具有结构紧凑、带宽较宽、弯曲损耗低、分光角度大和不受外界电磁场干扰等优点.本文利用时域有限差分方法,理论研究了二维三角晶格光子晶体耦合波导的功率分束特性,设计得出了一种能够在宽... 详细信息

基于波导间能量耦合效应的光子晶体功率分束器具有结构紧凑、带宽较宽、弯曲损耗低、分光角度大和不受外界电磁场干扰等优点.本文利用时域有限差分方法,理论研究了二维三角晶格光子晶体耦合波导的功率分束特性,设计得出了一种能够在宽频谱范围内针对不同频率区间实现不同分光比的功能器件.在此基础上通过改变耦合区介质柱形状以及输出分支波导与能量耦合波导的连接位置,最终针对三个相邻频率范围内的入射光信号,较好地实现了三均分、二均分、单一输出通道这3种能量分配输出模式.该功能器件具有透过率对比度高、结构紧凑等特性,对于发展全光功能器件在大规模全光复杂集成领域内的实际应用具有一定的促进作用.

关键词：光子晶体模式耦合自成像功率分束器

采用多模输入/输出波导的多模干涉型SOI分束器(英文)

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Journal of Semiconductors 2005年第2期26卷 276-280页

作者：方青贺月娇辛红丽李芳刘育梁中国科学研究院半导体研究所北京100083

一个适用于光纤通信系统中的 1× 8多模干涉功率分束器被设计并通过ICP刻蚀方法成功研制 .这种基于SOI材料的功率分束器是采用多模波导作为输入 /输出波导 ;经过光束传播方法模拟 ,该器件显示出了优良的性能 .测试结果表明 ,在 15 5 0n... 详细信息

一个适用于光纤通信系统中的 1× 8多模干涉功率分束器被设计并通过ICP刻蚀方法成功研制 .这种基于SOI材料的功率分束器是采用多模波导作为输入 /输出波导 ;经过光束传播方法模拟 ,该器件显示出了优良的性能 .测试结果表明 ,在 15 5 0nm波长处器件的传波损耗低于 0 80dB ,损耗均匀性为 0 4 5dB ,而且偏振相关损耗低于0 70dB .器件的尺寸只有 2mm× 10mm .

关键词：多模干涉功率分束器 SOI 多模输入/输出波导