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大规模集成光学微腔传感研究进展(特邀)

光子学报 2024年第5期53卷 23-38页

作者：孙博姝孙春雷唐仁杰王艺婷李兰西湖大学工学院杭州310030

近年来,集成光学微腔因其高灵敏度、高拓展性和高集成度在传感领域得到了广泛应用。利用低成本的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的微纳加工工艺,集成光学微腔在实现大规模制备的小型化传感系统中具有显著潜力。然而,实现大规模传感阵... 详细信息

近年来,集成光学微腔因其高灵敏度、高拓展性和高集成度在传感领域得到了广泛应用。利用低成本的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的微纳加工工艺,集成光学微腔在实现大规模制备的小型化传感系统中具有显著潜力。然而,实现大规模传感阵列系统仍然面临着诸多挑战,包括传感通量不足、全集成难度大、封装和测试成本高等。这些挑战主要是由传感器的系统架构复杂、光谱利用率低、加工工艺成本高等各种因素导致。本文旨在阐述常见阵列传感架构设计、集成光学谐振微腔传感器基本单元(主要包括微环、缺陷型光子晶体以及Fabry-Pérot型光子晶体谐振腔结构)及其传感阵列应用工作的研究进展。此外,还探讨了传感阵列系统的可拓展性和优化方案,并对其未来的发展方向进行了展望。

关键词：集成光学器件传感器光子晶体波导谐振腔光子晶体

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基于介质超表面的集成化偏振光传感器

激光与光电子学进展 2024年

作者：褚金奎付佳新刘建英大连理工大学机械工程学院

超表面是一种基于亚波长结构的二维光学器件，能够精确调控光的振幅、相位和偏振，具有超薄、易于集成等特点。然而，现有研究侧重于超表面的设计方法，基于超表面的集成化应用研究相对较少。本文设计了一种基于介质超表面的集成化偏振... 详细信息

超表面是一种基于亚波长结构的二维光学器件，能够精确调控光的振幅、相位和偏振，具有超薄、易于集成等特点。然而，现有研究侧重于超表面的设计方法，基于超表面的集成化应用研究相对较少。本文设计了一种基于介质超表面的集成化偏振光传感器，该传感器由介质超表面、双层视场光阑和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器组成。首先，设计了用于将入射光正交分解为六种偏振光分量的介质超表面。其次，分析了传感器的光路结构，利用微纳工艺制作了用于消除环境杂光的双层视场光阑。然后，搭建了传感器对准平台，并在平台上完成传感器的制备。最后，对传感器进行标定与实验测试，标定后传感器的全Stokes参数测量误差为±0.15，偏振角误差为±0.3°。该传感器具有体积小、多方向、可测量全Stokes参数等优点。

关键词：集成光学器件偏振光传感器介质超表面双层视场光阑全Stokes参数测量

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基于电喷墨技术的多焦距曲面微透镜阵列制备

激光与光电子学进展 2023年

作者：褚金奎刘瑞刘建英付佳新大连理工大学机械工程学院

随着微纳米工艺的发展，微光学元件的制备和应用成为重要研究方向。生物复眼具有视场大、体积小、动态特性好等优点。微透镜阵列是一种常用的仿生复眼的光学元件，具有广泛的应用场景。本文提出了一种基于电喷墨打印技术制备多焦距的曲... 详细信息

随着微纳米工艺的发展，微光学元件的制备和应用成为重要研究方向。生物复眼具有视场大、体积小、动态特性好等优点。微透镜阵列是一种常用的仿生复眼的光学元件，具有广泛的应用场景。本文提出了一种基于电喷墨打印技术制备多焦距的曲面微透镜阵列的工艺，制备的多焦距微透镜阵列可以解决曲面基底和平面的图像传感器焦距不匹配引起的离焦模糊问题。首先基于电喷印技术制备平面的多焦距微透镜阵列，然后在表面形成抗粘层并倒模，得到微透镜阵列凹模，最后经负压弯曲注胶固化过程，制备了多焦距的曲面微透镜阵列。阵列的整体半径为6毫米，焦距范围为4.9-6.23毫米，总方向角大于60°。

关键词：集成光学器件多焦距曲面微透镜阵列电喷墨技术

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基于十字型异质多芯波导的硅光端面耦合器

光学学报 2024年

作者：张立桀胡晶晶成雨萱谷一英大连理工大学光电工程与仪器科学学院大连理工大学物理学院

端面耦合器是实现光芯片信息交互的重要方式之一。目前，单一材料体系无法同时具备多种优异的光学性能，因此实现不同材料体系间的低损耗耦合显得尤为关键。传统的集成光子端面耦合器主要通过折射率较低的包层材料或二氧化硅的深刻蚀来... 详细信息

端面耦合器是实现光芯片信息交互的重要方式之一。目前，单一材料体系无法同时具备多种优异的光学性能，因此实现不同材料体系间的低损耗耦合显得尤为关键。传统的集成光子端面耦合器主要通过折射率较低的包层材料或二氧化硅的深刻蚀来提高端面耦合器的耦合效率。这种方法一般对制备工艺要求较高，并且耦合效率有限。本文提出了一种基于十字型Si3N4波导-半刻蚀硅波导结构的异质多芯端面耦合器，可以实现光纤和绝缘体上硅条形波导的模场匹配。得益于采用了氮化硅波导和硅波导共同引导光模场的结构，该设计简化了工艺流程，避免了对Si O2进行深刻蚀和Si ON的使用，实现了硅光芯片与光纤的高效耦合。仿真结果表明在1550 nm处，该端面耦合器与高数值孔径光纤端面的耦合效率为97.1%(TE模，-0.13 dB)、97.5%(TM模，-0.11 dB)。

关键词：端面耦合模斑转换器氮化硅波导集成光学器件多芯波导

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基于LED泵浦的掺铕聚合物光波导放大器

中国激光 2023年第2期50卷 15-21页

作者：王策吕子月黄宇扬张丹厦门大学电子科学与技术学院(国家示范性微电子学院) 福建厦门361005

将铕配合物Eu(DBM)3Phen掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中作为有源材料,分别采用铝掩膜结合电感耦合等离子体(ICP)刻蚀、一步光刻法制备了脊型和倏逝场型两种掺铕聚合物光波导放大器。采用405 nm蓝紫发光二极管(LED)泵浦,在653 nm波长处... 详细信息

将铕配合物Eu(DBM)3Phen掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中作为有源材料,分别采用铝掩膜结合电感耦合等离子体(ICP)刻蚀、一步光刻法制备了脊型和倏逝场型两种掺铕聚合物光波导放大器。采用405 nm蓝紫发光二极管(LED)泵浦,在653 nm波长处分别实现了1.9 dB/cm和1.5 dB/cm的相对增益。对掺杂Eu(DBM)3Phen的PMMA薄膜的紫外吸收、荧光发射以及荧光寿命进行了测量表征。结果表明,有机配体的分子内能量传递作用在LED泵浦下可以实现稀土铕离子由5D0能级到7F3能级的跃迁。

关键词：激光器集成光学器件光波导放大器 Eu(DBM)3Phen 聚合物相对增益

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面向免标记型光学生物传感的微环谐振器的研究

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面向免标记型光学生物传感的微环谐振器的研究

作者：史冰耀中央民族大学

学位级别：硕士

微环谐振器(Microring Resonator,MRR)作为一种典型的集成光学器件,具有结构紧凑、高Q值、易于集成等优点,广泛应用于光延迟线、光频梳、光学滤波器和传感器中。MRR的谐振结构能够增加光与物质相互作用的有效长度,有利于实现超高灵敏度... 详细信息

微环谐振器(Microring Resonator,MRR)作为一种典型的集成光学器件,具有结构紧凑、高Q值、易于集成等优点,广泛应用于光延迟线、光频梳、光学滤波器和传感器中。MRR的谐振结构能够增加光与物质相互作用的有效长度,有利于实现超高灵敏度传感,在免标记型光学生物传感领域具有重要的应用前景。基于绝缘体上硅(Silicon-On-Insulation,SOI)集成光波导的MRR利用倏逝场探测外界传感物质,但由于SOI波导的高模场限制,导致其灵敏度受限,因此如何实现高灵敏度的MRR传感器成为研究热点之一。本文利用三维时域有限差分法设计了高灵敏的狭缝微环谐振腔(Slot Microring Resonator,SMRR)传感器和光子晶体同心双环谐振腔(Photonic Crystal Concentric Dual-Microring Resonator,PhCCDMRR)传感器,通过增强谐振腔内部光与物质的相互作用,大幅提升MRR传感器的灵敏度。论文主要工作包括:1、将空气狭缝引入SMRR传感器的环形波导,使光场能量被强烈地限制在狭缝区域,增强了光与物质的相互作用,显著提高了 SMRR传感器的灵敏度。通过研究传感器结构参数对谐振峰透射谱以及模场分布的影响,获得SMRR传感器的最优参数。利用弯曲的非对称定向耦合器实现总线波导与谐振腔的高效耦合,极大缩小了传感器的尺寸。设计的传感器对生物体中的NaCl溶液实现了 725.71 pm/%的浓度灵敏度,对应的折射灵敏度为403 nm/RIU。该灵敏度值约为传统条波导MRR传感器灵敏度的6倍,同时得到了 0.129%的检测极限。2、结合微环的回音壁模式谐振效应和光子晶体波导的慢光效应,设计了 PhCMRR传感器,通过优化结构参数,得到了群折射率为18.2,减速因子为5.3的光子晶体波导,并将传感器的灵敏度提升至300nm/RIU。在确定PhCMRR结构的基础上,引入光子晶体同心内环波导,即为PhCCDMRR传感器,实现了 22 dB以上的高消光比,265nm/RIU的折射率灵敏度。该灵敏度值约为传统条波导MRR传感器灵敏度的4倍。本文设计的高灵敏度SMRR传感器以及PhCCDMRR传感器在免标记光学生物传感领域具有潜在的应用价值,为片上集成传感系统的发展起到了推动作用。

关键词：免标记型光学生物传感器狭缝微环谐振腔传感器光子晶体同心双环谐振腔传感器集成光学器件绝缘体上硅

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基于级联AWG的光谱分析芯片设计

光子学报 2022年第11期51卷 202-211页

作者：韩征恽斌峰东南大学电子科学与工程学院先进光子学中心南京210096

基于低损耗氮化硅光波导平台,采用一个1×6阵列波导光栅(AWG)与六个仅中心波长不同的1×25AWG两级级联的架构,优化设计了集成光谱分析芯片。仿真结果表明,该光谱分析芯片的工作带宽、波长分辨率、最小通道插损分别为75 nm、0.5 nm和4.9 ... 详细信息

基于低损耗氮化硅光波导平台,采用一个1×6阵列波导光栅(AWG)与六个仅中心波长不同的1×25AWG两级级联的架构,优化设计了集成光谱分析芯片。仿真结果表明,该光谱分析芯片的工作带宽、波长分辨率、最小通道插损分别为75 nm、0.5 nm和4.9 dB,且通道间最小相邻、非相邻串扰约为-27.7 dB、-23.0 dB,最大相邻、非相邻串扰约为-22.6 dB、-12.5 dB。

关键词：片上集成光谱仪阵列波导光栅光谱分析芯片色散器件集成光学器件

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基于厚硅基波导的偏振分束—旋转—合波集成器件研究

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基于厚硅基波导的偏振分束—旋转—合波集成器件研究

作者：宋泽琳南京邮电大学

学位级别：硕士

随着信息与通信产业的发展,光纤通信系统得到了广泛的使用,日益增长的信号处理速率和通信容量的需求使光路集成度越来越高。近年来,绝缘体上硅(SOI)平台由于其与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的良好兼容性,在光子集成领域得到了较高... 详细信息

随着信息与通信产业的发展,光纤通信系统得到了广泛的使用,日益增长的信号处理速率和通信容量的需求使光路集成度越来越高。近年来,绝缘体上硅(SOI)平台由于其与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的良好兼容性,在光子集成领域得到了较高的关注,但由于其波导和包层之间高折射率差的存在,会引入显著的偏振相关损耗和偏振模色散,限制了硅基光电子器件的应用。偏振分集系统被提出以解决这一问题,偏振控制器件作为该系统的核心,具有重要的研究意义。本文提出了三种基于厚硅基波导的偏振控制器件,分别是基于三波导非对称定向耦合器(ADC)的偏振分束器(PBS),通过合理设计波导宽度使TM模式在TM模式的帮助下满足相位匹配条件、发生交叉耦合,TE模式相位失配而不发生交叉耦合,实现了将任意入射光中的TE和TM模式分离并从不同通道输出的功能;基于切角波导的偏振旋转器(PR),通过不对称的截面设计,利用模式混合原理实现偏振旋转,用亚波长光栅(SWG)替换切角波导的角区,实现了在宽带上将入射的TM模式光旋转为TE模式输出的功能;偏振分束-旋转-合波集成器件,将上述的两种器件与合波器和滤模组件级联,实现了将任意入射光转换为TE模式并从单一通道输出的功能,仿真结果表明,所设计的集成器件在1550nm的中心波长处,偏振消光比为45d B,插入损耗为0.53d B,在1500nm-1575nm的波长范围内有偏振消光比大于30d B,插入损耗小于1d B,器件尺寸为56μm。所设计的偏振分束-旋转-合波集成器件性能良好,结构紧凑,可应用于高速大容量光通信系统,对提高光通信系统的性能与集成度具有重要应用价值。

关键词： SOI 集成光学器件偏振分束器偏振旋转器合波器

基于三波导定向耦合器的紧凑型偏振分束器的设计

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光子学报 2022年第1期51卷 278-287页

作者：周冬梅王爱环李翠然吴小所闫保万兰州交通大学电子与信息工程学院兰州730070

为了提高偏振分束器的消光比,利用混合等离子体波导和条形介质波导之间的非对称定向耦合特性,设计了由两个尺寸不同的硅波导和一个中间输入混合等离子体波导组成的偏振分束器,采用三维时域有限差分法对偏振分束器的结构和性能进行优化... 详细信息

为了提高偏振分束器的消光比,利用混合等离子体波导和条形介质波导之间的非对称定向耦合特性,设计了由两个尺寸不同的硅波导和一个中间输入混合等离子体波导组成的偏振分束器,采用三维时域有限差分法对偏振分束器的结构和性能进行优化。实验结果表明:混合等离子体波导中TE和TM模式的双折射率对比通过介质加载波导增强,可获得超紧凑的结构,实验耦合长度仅有4.6μm;在1.55μm的中心波长处,TE模式的偏振消光比为-38.9 dB,插入损耗为0.5 dB,TM模式的消光比为-34.7 dB,插入损耗为0.45 dB,设计的偏振分束器具有高消光比;在波导制作公差范围内,模式的插入损耗小于2.8 dB,消光比低于-22.5 dB。

关键词：集成光学器件偏振分束器时域有限差分法光波导消光比插入损耗

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