检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：宋文杰兰州大学

学位级别：博士

磁性材料中电子自旋的有序进动可以产生自旋波,自旋波作为能量和信息传输的载体,相比传统的电子器件具有更小、更快和功耗更低的特点,在自旋电子学领域有广阔的应用前景。由自旋进动方程的手征性决定,某些自旋波显著的特点就是非互易性... 详细信息

磁性材料中电子自旋的有序进动可以产生自旋波,自旋波作为能量和信息传输的载体,相比传统的电子器件具有更小、更快和功耗更低的特点,在自旋电子学领域有广阔的应用前景。由自旋进动方程的手征性决定,某些自旋波显著的特点就是非互易性。因此有望基于自旋波的非互易性设计基于自旋波的信息传输和处理的器件。本文主要围绕自旋波及其模式杂化中的非互易行为开展研究。主要通过布里渊散射(BLS)的波矢分辨功能探测磁性纳米薄膜材料中的自旋波并研究频率色散和模式分布的非互易。得到了以下创新性成果:1.在双层磁性薄膜中发现了静磁表面自旋波(MSSWs)巨大的非互易现象。Co/FeNi双层膜中,FeNi薄膜下界面传输的MSSWs频率随波矢的增加而减小,即群速度为负,传输行为类似于后向体自旋波。发现了FeNi薄膜上下界面MSSWs的频率非互易随波矢的增加而增加,非互易最大可以到4 GHz左右,分析后发现这种现象是由两层磁性薄膜之间的偶极相互作用引起的。2.发现了FeNi单层磁性薄膜中两种自旋波的非互易杂化。在厚度合适的FeNi磁性薄膜中同时观测到了MSSWs和垂直驻波(PSSWs)的传输,通过改变表面波的波矢,实现了这两种模式自旋波的杂化。并且发现这两种自旋波的杂化具有很强的非互易性,即杂化后在FeNi薄膜的上界面抑制了PSSWs的传输,下界面抑制了MSSWs的传输。微磁学模拟和实验共同证实了这种非互易杂化与材料的厚度、饱和磁化强度、交换常数的关系。3.发现了YIG/FeNi双层磁性薄膜中非同步且非互易的磁振子杂化。YIG/FeNi双层磁性薄膜中观测到MSSWs和PSSWs的杂化。但是由于YIG和FeNi层之间的静磁相互作用,导致FeNi层中MSSWs频率产生频率差。因此随着波矢的增加,FeNi层的上下界面杂化非同步。杂化后在FeNi薄膜的上界面只有MSSWs的传输,抑制了PSSWs的传输。相反在薄膜的下界面只有PSSWs的传输,抑制了MSSWs的传输,即杂化产生了非互易现象。可以通过改变FeNi层的厚度,调控杂化时的波矢范围。

关键词：布里渊散射自旋波非互易模式杂化磁性薄膜

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基于x切薄膜铌酸锂平台的TM模弯曲波导(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第11期61卷 186-191页

作者：高天甘然丰陈斌余嘉扬刘洁郭昌建陈楷旋刘柳华南师范大学华南先进光电子研究院广东广州510631 浙江大学光电科学与工程学院浙江杭州310058 中山大学电子与信息工程学院广东广州510275

由于x切薄膜铌酸锂光集成平台的各向异性,光波导TM模在弯曲过程中容易发生模式杂化并耦合到其他模式,对TM模的弯曲构成了挑战。以400 nm厚、半刻蚀的铌酸锂波导为例,分析了TM0模在不同波导宽度和传输方向下的模式杂化现象,并对其90°... 详细信息

由于x切薄膜铌酸锂光集成平台的各向异性,光波导TM模在弯曲过程中容易发生模式杂化并耦合到其他模式,对TM模的弯曲构成了挑战。以400 nm厚、半刻蚀的铌酸锂波导为例,分析了TM0模在不同波导宽度和传输方向下的模式杂化现象,并对其90°弯曲传输性能进行仿真。最终得出结论:在特定波导宽度区域(约1.7~2.15μm),TM0模在90°弯曲过程中不会与其他模式发生杂化;当波导宽度小于1.7μm(或大于2.15μm)时,TM0模会与TE1(或TE2)模发生耦合。该结论在实验中也得到了验证。本研究为薄膜铌酸锂波导TM模的弯曲提供了设计思路,可用于该平台偏振调控相关的光集成器件。

关键词：集成光学薄膜铌酸锂弯曲波导模式杂化

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用于片上复用系统的模式/偏振控制波导及探测器的研究

用于片上复用系统的模式/偏振控制波导及探测器的研究

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作者：李倩华中科技大学

学位级别：博士

随着信息化社会的发展,人们对通信数据容量的需求正与日俱增,能同时实现高集成密度、低功耗、大带宽的光电子集成芯片受到国内外研究学者的广泛关注,以波分复用、偏振复用、模式复用为代表的各类复用技术为信道容量的快速拓展提供可能... 详细信息

随着信息化社会的发展,人们对通信数据容量的需求正与日俱增,能同时实现高集成密度、低功耗、大带宽的光电子集成芯片受到国内外研究学者的广泛关注,以波分复用、偏振复用、模式复用为代表的各类复用技术为信道容量的快速拓展提供可能性。围绕各类复用技术展开的功能型片上有源和无源器件的研发也正如火如荼地进行。本文聚焦于其中的模式/偏振控制器件和集成探测器展开研究工作,具体研究内容总结如下: （1）理论和实验研究了用于1310 nm波段4×25 Gbit/s波分复用系统的磷化铟基单片集成接收芯片。基于单次外延结构实现阵列波导光栅和高速波导探测器的单片集成,降低了工艺复杂度。实验演示了阵列波导光栅的波长解复用功能和波导光电二极管的高速响应特性,在-1 V偏压下波导探测器的响应度和带宽分别为0.548 A/W和29 GHz。（2）理论研究并设计了用于波长/偏振/模式复用系统的波导型肖特基探测器。对多种集成超薄金属条的等离子体波导进行模式分析,揭示了准TE/TM模与束缚模之间的模式杂化效应,在厚度8 nm、长度5.2μm的金条形波导内,实现了对1.55μm波长处入射TE/TM模高达93.78%/93.25%和0.11/0.1094 A/W的理论吸收率和响应度,偏振相关偏差低至0.57%,暗电流为55.36 n A。在2μm波长处,对入射TE/TM模从理论上实现了98.4%/90.2%的吸收率和89/81.7 m A/W的响应度。（3）理论研究了用于模式/偏振复用系统的硅基片上模式/偏振滤波器件。通过模式分析揭示了包括混合等离子体波导、等离子体光子晶体在内的各种波导结构中准光子模与束缚模之间的模式杂化现象。利用这些现象引发的杂化混合模传输损耗提升特性,可实现对任意入射模式/偏振吸收特性的调控。因此提出了多种高阶模通滤波器和模式透明起偏器的通用设计方法。设计的TE3和TM3模通滤波器均可实现440nm的理论带宽和对各种低阶模（TE0-TE2,TM0-TM2）均好于15 d B的模式消光比。设计出的模式透明TE0和TE0/TE1/TE2/TE3模通起偏器的理论工作带宽分别可达到940nm和480 nm,偏振消光比优于15 d B。模式透明TM0和TM0/TM1/TM2模通起偏器的理论工作带宽分别可达到400 nm和90 nm,偏振消光比好于10 d B。这些基于模式杂化增强吸收的设计方案具有超紧凑（<10μm）、超宽带和可扩展性强的优势。

关键词：波分复用偏振复用模分复用光电二极管模式杂化等离子体波导

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表面等离激元微腔共振特性研究

表面等离激元微腔共振特性研究

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作者：居冬泉哈尔滨工业大学

学位级别：博士

表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是金属表面的集群振荡自由电子与外界电磁波耦合激发所形成的一种表面电磁波。在多个SPP共振单元构成的体系中,共振单元之间的相互作用直接决定了整个体系的光学特性。根据共振单元之间的距... 详细信息

表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是金属表面的集群振荡自由电子与外界电磁波耦合激发所形成的一种表面电磁波。在多个SPP共振单元构成的体系中,共振单元之间的相互作用直接决定了整个体系的光学特性。根据共振单元之间的距离,这种作用可以分为近场和远场相互作用。对于近场情况,SPP共振单元通过耦合作用形成杂化的SPP模式。对于远场情况,SPP共振单元在法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔模式的辅助下发生相互作用,使得两个SPP共振单元构成了一个表面等离激元微腔。得益于SPP的诸多特性,如具有较强的电磁场增强、对外界折射率变化敏感、且能够被局域在亚波长范围内,SPP微腔在表面增强拉曼散射、荧光增强、太阳能电池、生化传感器、亚波长光刻、光子集成回路等诸多方面发挥着重要作用。最近,国内外对于表面等离激元微腔的研究尚处于起步阶段,还需对其进行全面深入的研究。目前针对于表面等离激元微腔还有诸多问题尚未探究,例如表面等离激元微腔内如SPP模式、FP腔模式、波导模式等多种模式之间的相互作用的机理分析;SPP共振单元形状,材质对表面等离激元微腔内各种模式的影响;表面等离激元微腔的结构对称性对其光谱响应的影响;拓展型表面等离激元微腔中存在的特殊光学性质。基于以上问题,本论文将对几种不同类型的金属-介质复合微腔的相关光学特性进行研究,如SPP模式之间的杂化、SPP模式与FP腔模式相互作用、SPP模式与波导模式相互作用、多种模式之间的反交叉行为以及单向光谱响应、纳米喷射等特性。提出了一种以两套双金属光栅构成的表面等离激元微腔,研究了这种微腔中的SPP布洛赫模式、FP腔模式、波导模式之间的相互作用。研究表明SPP布洛赫模式通过近场耦合形成了四种杂化模式。改变介质折射率环境,这种模式杂化行为可以被有效控制。当腔内填充高折射率介质时,腔内支持的波导模式和SPP布洛赫模式发生耦合而形成波导等离激元模式。根据模式对称性和相对相移理论阐明了杂化的SPP布洛赫模式与FP腔模式之间的反交叉作用机理。研究发现,通过改变两套双金属光栅之间的横向相对位置,可实现对模式之间的反交叉行为的控制。双金属光栅构成的SPP微腔在亚波长光刻、可调SPP滤波器、光与物质相互作用等方面都具有一定应用价值。提出了一种以两套具有不同厚度的金属纳米带阵列构成的表面等离激元微腔,研究了这种微腔的单向光谱响应。研究表明当TM波照射微腔激发FP共振时,对于正向入射波,SPP微腔表现出吸收器特性,而对于反向入射波,SPP微腔则表现出反射器特性。分析表明将两个非对称金纳米带阵列视为微腔的两个强色散反射镜面,可发现纳米带的局域表面等离激元(Localized SurfacePlasmon,LSP)共振所产生的反射相移是单向光谱响应形成的关键。基于多次干涉理论和传输线模型,阐明了非对称表面等离激元微腔的单向光谱响应的形成机理。此部分工作为金属微结构的光谱控制和微腔内光与物质的相互作用的研究提供了一种新的思路。非对称金属纳米带阵列构成的SPP微腔在方向相关的SPP调控器、单向热辐射方面具有潜在价值。提出了一种以金属薄膜与微米量级介质圆盘构成的复合表面等离激元微腔。研究发现在介质圆盘和金属薄膜复合结构中,SPP在介质圆盘边缘阴影区可形成SPP纳米喷射现象。研究表明SPP纳米喷射具有与光子纳米喷射类似的性质:可沿着传播方向传播一到两个波长并且保持亚波长束腰宽度。由于表面等离激元具有电磁场增强和亚波长局域特性,SPP纳米喷射可束缚在金属表面,且其电场有约30倍的增强。研究表明SPP纳米喷射与光子纳米喷射具有相同的形成机理,但对于SPP纳米喷射而言,即使介质圆盘的折射率不在最佳匹配情况下,也可通过改变介质圆盘的厚度实现SPP纳米喷射的激发。SPP纳米喷射在拉曼散射增强、高灵敏度生化传感器、集成化SPP回路等方面具有良好应用前景。另外,首次提出利用SPP纳米喷射实现介质加载SPP波导模式的激发。研究发现当介质圆盘边缘与介质脊之间具有适当距离时,SPP纳米喷射可高效地耦合到介质脊中,从而实现介质承载SPP波导模式的高效率激发。

关键词：表面等离激元光学微腔纳米喷射模式杂化单向光谱响应

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金属表面等离激元超构材料中共振耦合与相干效应的研究

金属表面等离激元超构材料中共振耦合与相干效应的研究

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作者：姜坤南京大学

学位级别：博士

超构材料中的共振耦合与相干效应是近年来诞生的一个新的研究方向,该领域的研究发现了一系列有趣的物理效应,而且这些物理效应在光电器件中具有重要的应用价值。本论文在前人工作的基础上进一步研究了等离激元超构材料中的共振耦合与相... 详细信息

超构材料中的共振耦合与相干效应是近年来诞生的一个新的研究方向,该领域的研究发现了一系列有趣的物理效应,而且这些物理效应在光电器件中具有重要的应用价值。本论文在前人工作的基础上进一步研究了等离激元超构材料中的共振耦合与相干效应,研究重点是等离激元超构材料中的电磁感应透明、模式杂化、Fano共振以及相关的慢光效应。本论文的研究内容之一是等离激元超构材料中圆偏振依赖性的模式杂化和慢光效应。本论文设计了由一个z形的平面手性结构和无手性的一对金属条堆叠组成的手性耦合结构元胞,并将此元胞排列构成了一个正方阵列。此耦合结构实现了圆偏振依赖性的模式杂化,即只对一种圆偏振态能够获得类似电磁感应透明的谱线。在此基础上,本论文分析并揭示了圆偏振依赖性模式杂化的物理机制。本论文进一步研究了金属损耗对模式杂化和透明窗口的影响,发现金属损耗的降低会使透明窗口的透射率增大。在实现了圆偏振依赖性模式杂化的基础上,本论文分别在频域和时域中研究了此手性耦合结构对两种圆偏振态的慢光效应,发现对具有类似电磁感应透明线形的圆偏振态在透明窗口区域可以实现明显的慢光效应。在此基础上,本论文研究了金属损耗对慢光效应的影响,发现随着金属损耗的减小,两圆偏振态的群速度降低。上述结果说明,该手性耦合结构具有圆偏振依赖性的慢光效应,而且如果引入增益介质补偿金属损耗,可以实现慢光群速度的调控和动态调控。本论文的另一个研究内容是高对称等离激元结构中基于高阶Fano共振的捕获模式。本论文提出了一种高对称等离激元结构中基于高阶Fano共振的捕获模式,参与此Fano干涉的两个高阶本征模式辐射损耗接近而且本征频率失谐较小,它们之间的相消干涉形成了一个捕获模式,此捕获模式的电流项分布具有高度对称性与反对称性,因此该捕获模式具有极低的辐射损耗,而且此Fano干涉的谱线线形与电磁感应透明线形非常相似。通过将无限大正方阵列与单个元胞中的Fano干涉及其捕获模式进行对比,发现周期阵列中的衍射会削弱捕获模式的辐射损耗,从而提高Fano相消干涉的有效程度,增大透明窗口的透射率。本论文在频域中研究了基于此Fano干涉的慢光效应,发现透明窗口区域具有很强的有效折射率正常色散和较高的群指数,这说明此Fano干涉可以实现明显的慢光效应。在此基础上,本论文研究了金属损耗对群速度的影响,发现随着金属损耗的减小,慢光群速度降低。如果在金属材料周围引入增益介质来补偿金属损耗,该结构可以实现慢光群速度的调控和动态调控。本论文发现并初步研究了个别激发模式和集体激发模式之间的Fano干涉。在元胞间距满足Rayleigh异常条件时,个别激发的电八极模式通过衍射耦合形成集体激发模式,该集体模式与个别激发的电四级本征模式进行Fano干涉。这是一种新的模式干涉现象,所形成的捕获模式同时具有集体振荡和局域振荡的双重特性。此外,这种Fano干涉使类电磁感应透明窗口宽度变窄,使对应的正常色散区域变窄,色散增强,群指数增大。本论文采用改进的双驱动耦合谐振子模型来描述两个本征模式Fano干涉的动力学过程,将两个本征模式的损耗系数设置为在相消干涉区域线性减小,由此模型得到的损耗功率表达式,能够很好的拟合模拟得到的谱线。与对称性破缺结构中的Fano共振相比,此高对称结构中的高阶Fano共振具有两个重要特点:一是高对称结构中Fano共振形成的捕获模式具有高度对称与反对称的电流项分布,所以具有更低的辐射损耗;二是高阶Fano共振可以实现个别激发模式与集体激发模式之间的干涉。综上所述,本论文研究了等离激元结构中圆偏振态依赖性的模式杂化和高对称等离激元结构中基于高阶模式Fano干涉的捕获模式以及相关的慢光效应。这些研究是对等离激元超构材料中共振耦合与干涉效应的进一步延伸和丰富,同时在光调控器件、微型激光器和光传感等领域具有一定的应用潜力。

关键词：等离激元超构材料电磁感应透明 Fano共振模式杂化捕获模式慢光手性材料等离激元集体模式

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磁环形矩及其在开口谐振环中的实现与特性研究

磁环形矩及其在开口谐振环中的实现与特性研究

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作者：王胜磊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

电磁超材料可以实现自然存在物质无法实现的电磁现象,其电磁调制机制主要源于其空间结构。相比于平面超材料,空间立体超材料可以充分利用三维自由度来研究模式耦合和杂化。在采用多个开口谐振环(SRRs)时,立体SRRs能比其平面结构实现更... 详细信息

电磁超材料可以实现自然存在物质无法实现的电磁现象,其电磁调制机制主要源于其空间结构。相比于平面超材料,空间立体超材料可以充分利用三维自由度来研究模式耦合和杂化。在采用多个开口谐振环(SRRs)时,立体SRRs能比其平面结构实现更加不同寻常的共振和性质。本论文提出并且研究了一种基于SRR的超结构,它基于一种旋转对称方式相互连接,共用一个开口,这个类似盒子状的SRRs聚合体(C-SRR)立体超材料在通信和高频波段展示了三个典型共振模式,充分利用在普通物质中被忽略的磁环形共振。论文系统研究了C-SRR中的基模、高阶共振模式的杂化和磁环形偶极矩同其它多极矩的相互作用,阐明由此导致的电磁特性。论文基于有限元法,通过改变平面波入射方向和偏振方向,系统研究了对称和非对称SRR一阶、二阶共振特性。通过电偶极矩和磁偶极矩分量的辐射能大小来了解其电共振和磁共振特性,并根据共振时SRR表面电流分布讨论其多极子及电共振和磁共振形成机理,对后续利用SRR磁共振形成环形磁共振奠定基础。论文进一步研究了单个C-SRR在两种不同入射角时的共振激发特性。从其共振频谱上可以看出,在通讯和近红外波段出现了两个明显的共振峰,在更高频可见光波段处有一个不明显的峰。从辐射的能量可以证实这些模式分别归因于磁环形偶极子,磁偶极子,和电偶极子同磁环形偶极子共同作用。根据SRRs表面电流的分布,可确证后两个共振模式来源于相应单个SRR的二阶共振模式耦合杂化,而第一个共振模式由单个SRR的基模组成。对于C-SRR中的高能共振模式,由其于高阶特性和旋转对称性,相对较难激发。但是当采用合适的周期结构,在C-SRR二维周期阵列中很容易激发出来,可实现多带宽滤波功能。改变周期参数可以较大地改变第三个共振频率的位置。而改变开口的长度,不仅可以改变共振频率的位置,还可以改变透射率的大小,展示了一定的可调特性。最后论文给出了四种极端开口情况下的透射特性。本文结果对实现磁环形共振,了解环形共振和环形偶极子电磁特性提供了一定帮助,同时也为研究高阶磁共振和高阶共振模式之间的杂化提供了理论参考。此外,通过进一步优化本论文中的结构,可以用于实现电磁调制,滤波器和吸波等。

关键词：电磁超材料环形共振环形偶极子开口谐振环模式杂化

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微纳光纤直径测量及微纳光纤在纠缠光子源中的应用

微纳光纤直径测量及微纳光纤在纠缠光子源中的应用

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作者：王耀庭南京大学

学位级别：硕士

光纤由于其优良的光学、机械性能,一直是光学应用里一种非常重要的光学结构。近年来,利用熔融拉锥、静电纺丝、聚合物溶液拉丝等方法制备微纳尺寸光纤,在当今集成化的趋势下,为现代光学应用提供了优秀的平台。由于其高折射率差、空气包... 详细信息

光纤由于其优良的光学、机械性能,一直是光学应用里一种非常重要的光学结构。近年来,利用熔融拉锥、静电纺丝、聚合物溶液拉丝等方法制备微纳尺寸光纤,在当今集成化的趋势下,为现代光学应用提供了优秀的平台。由于其高折射率差、空气包层等特点,微纳光纤具有光学损耗低、光场束缚强、倏逝场占比高、韧性好、机械性能强等优势。微纳光纤的诸多特性使其在现代光学领域中有非常多的应用,如:生物传感、集成互联(光耦合)、非线性频率转换、光纤耦合式量子光源和冷原子捕捉等。为了实现微纳光纤在这些方向中的应用,如相位匹配下二次谐波的产生,这对微纳光纤直径的大小和一致性有很高的要求。在这样的情况下,微纳光纤直径的测量就显得尤其重要。目前,微纳光纤直径的测量方法主要有光学测量、SEM电子扫描显微镜测量等方法,其中光学测量方法包括回音壁模式(Whispering Gallery Modes)测量法、模间拍频(Inter-Modal Beating)测量法和光子晶体微腔(Photonic Crystal Cavity)测量法。SEM等电镜测量方法精度高,可视性好,但此法不是实时测量并且是破坏性的测量,光纤测量后无法继续使用,在许多实际情况下不适用。相对于其他测量方法,光学测量可以实现实时无损测量,微纳光纤测量后仍可使用。回音壁测量法基于在光纤中激发回声壁模式来计算光纤周长。虽然此方法依赖于高Q值的WGM共振,但是其只适用于数十微米量级的光纤,对于直径更小的微纳光纤失效。模间拍频测量法是利用透射光功率和模间干涉来推断光纤直径,此方法需要复杂的数据处理过程,并且十分容易受到光纤表面不均而影响测量结果。光子晶体测量方法可以在精度高的同时实现实时无损测量,但是此法需要依靠昂贵的纳米制造技术,这使得该方法的经济性和重复性降低,很难推广使用。本文介绍了一种基于高阶布拉格反射原理的非破坏性微纳光纤直径测量方法,该方法利用处理后的闪耀光栅接触微纳光纤来构成布拉格反射光栅。这种方法经济高效、重复性好,其测量范围可从600nm到1um,精度在15nm左右。另一方面,今年来量子光学得到很多关注,如何设计并制备出高效的纠缠光子源是量子光学发展面临的一个问题。基于自发参量下转换的纠缠光子源是一个有效的途径。在集成光学发展的驱动下,如何设计并制备出基于波导结构的纠缠光子源成为了一个重要的研究方向。微纳光纤作为一种低损耗的波导结构,用于纠缠光子源时,可以使光子源和其他光纤系统实现高效衔接。铌酸锂属于三方晶系,是负单轴晶体,具有三重旋转对称性,具有良好的非线性光学性质,是非线光学中一种非常重要的材料。利用模式杂化的原理将经过PE(Proton-Exchange)处理过的铌酸锂纳米波导和微纳二氧化硅光纤结合制备出微型高效的SPDC预报式纠缠光子源。本文主要介绍一种高效经济的微纳光纤直径测量方法:基于高阶布拉格反射共振峰,利用商业的闪耀光栅来实时测量微纳光纤的直径与一直性。和一种光纤耦合的SPDC预报式纠缠光子源。

关键词：微纳光纤布拉格反射模式杂化 SPDC

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片上集成型偏振分束器的研究

片上集成型偏振分束器的研究

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作者：张波豪宁波大学

学位级别：硕士

随着信息处理量的需求不断提升,片上光互连网络的传输容量受到挑战,以光信号作为载体的多维复用技术开始崭露头角。其中,偏振分束器能够将光信号加在到正交偏振态上进行低串扰传输和分离,是偏振复用技术中的核心器件。而硅基光电子器件... 详细信息

随着信息处理量的需求不断提升,片上光互连网络的传输容量受到挑战,以光信号作为载体的多维复用技术开始崭露头角。其中,偏振分束器能够将光信号加在到正交偏振态上进行低串扰传输和分离,是偏振复用技术中的核心器件。而硅基光电子器件因兼容于CMOS工艺且在通信波段几乎无损透明因而受到广泛关注。鉴此,本文将从光子集成角度考虑,着重对片上集成型偏振分束器进行研究,其主要内容与创新之处如下所述:1、基于超表面辅助Y分叉结构的中红外偏振分束器:提出一种基于超表面辅助Y分叉结构的中红外偏振分束器,通过利用时域有限差分法和粒子群算法对器件结构参数进行优化,实现TM0和TE0模式高效转换与分离。其中,TM0至TE1以及TE0至TM0的模式转换效率分别为97.4%和97.6%。在工作波长为2500 nm情况下,在输入TE0和TM0模式时,偏振分束器的插入损耗分别为0.31 d B和0.21d B,偏振消光比分别为27.61 d B和27.45 d B,串扰分别为-33.55 d B和-53.77 d B。在2450 nm至2550 nm的带宽范围内,插入损耗小于1.41 d B,偏振消光比大于19.48d B,串扰小于-33.07 d B。2、基于相变材料的动态可切换偏振分束器:提出一种基于相变材料的动态可切换偏振分束器,基于满足相位匹配和模式杂化条件,采用时域有限差分法和粒子群算法优化器件结构参数,实现TE0和TM0模式的高效分离以及动态可切换功能。该偏振分束器具有大带宽,低串扰和高偏振消光比等特点。在1535 nm至1565 nm的波长范围内,当GST材料处于非晶态时,器件的串扰小于-23.4 d B,偏振消光比大于21.35 d B;当GST材料处于晶态时,器件的串扰小于-27.37 d B,偏振消光比大于21.37 d B。3、基于耦合结构的高偏振消光比紧凑型偏振分束器:提出一种基于耦合结构的高偏振消光比紧凑型偏振分束器,基于模式匹配原理,通过采用时域有限差分法和粒子群算法对器件的结构参数进行优化,实现TM0模式的交叉耦合以及TE0模式的直通传输。器件耦合长度仅为5μm。通过采用电子束曝光、等离子体刻蚀等工艺实验验证所设计的器件。在1550 nm的工作波长下,当输入TE0和TM0模式时,所制备的器件偏振消光比分别为28.1d B和23.0 d B。

关键词：硅基光子学偏振复用偏振分束器相位匹配模式杂化

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基于铌酸锂薄膜的偏振控制器设计及其光学性能研究

基于铌酸锂薄膜的偏振控制器设计及其光学性能研究

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作者：吕梦成江苏大学

学位级别：硕士

近年来,随着大数据技术的不断升级及其应用领域的不断扩展,人们对数据传输和处理速度的要求越来越高,对器件的微型化和低功耗也越来越重视,特别是在数据中心等数据传输运算场合,迫切需要一种更有效的技术手段来突破集成电路（IC）的性... 详细信息

近年来,随着大数据技术的不断升级及其应用领域的不断扩展,人们对数据传输和处理速度的要求越来越高,对器件的微型化和低功耗也越来越重视,特别是在数据中心等数据传输运算场合,迫切需要一种更有效的技术手段来突破集成电路（IC）的性能瓶颈问题。目前,硅波导因其具有兼容互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的技术优势,得到了广泛应用,但是仍存在功耗高和性能差的缺陷,这将会限制其进一步发展。而集成光学的出现为解决该瓶颈问题提供了一种可行而有效的手段。铌酸锂材料由于其优异的电光和非线性等光学效应,在集成光路（PIC）上有着显著的性能优势。基于铌酸锂薄膜（LNOI）上的PIC成为了目前的研究热点及难点。相比于传统的硅波导,铌酸锂波导中的模式杂化问题成为影响LNOI上PIC大规模应用的难题。本文基于偏振分集系统提出利用调控偏振的方法,在LNOI上设计不同的偏振控制器,解决PIC的模式杂化问题,对LNOI上大规模光电集成有着重要的意义。本文系统研究了铌酸锂波导中的模式杂化原因,设计了基于LNOI的偏振控制器件,主要研究内容如下:（1）仿真分析了铌酸锂波导中的模式杂化情况,揭示了波导结构参数与模式杂化程度之间的关系规律。通过Lumerical FDTD和Mode软件分别分析了LNOI上直波导与弯曲波导中的模式杂化情况。研究发现:薄膜厚度是影响模式杂化的核心参数。在直波导中,往往模式TM0和TE1之间会发生杂化,薄膜厚度和上包层材料的折射率越小,模式杂化对应的波导宽度越小,模式杂化范围越窄;在X切LNOI平台,弯曲波导中基模之间会发生杂化,对于这种由偏振耦合引起的模式杂化,增大弯曲半径几乎无效果,因此在器件设计时,考虑到模式杂化,应选用薄膜厚度较小的LNOI。（2）设计了一个基于三波导非对称定向耦合器结构的偏振分束器,研究了偏振消光比、插入损耗和波长带宽等光学性能。通过在铌酸锂波导顶部覆盖氮化硅辅助层来增大TM偏振的相位失配量,从而使TE和TM偏振之间分离。此外,三波导结构提高了器件的兼容性,最终器件的长度为112.2μm,偏振消光比超过35 d B,插入损耗小于0.1 d B,波长带宽超过80 nm,除了波导宽度外,器件有着较大的工艺容差。（3）设计了一个由绝热锥结构和非对称定向耦合器结构组成的偏振旋转分束器,通过单步刻蚀工艺即可制作。最终器件的长度为271μm,TE和TM偏振的消光比分别为40.9和26.9 d B,插入损耗不超过0.03 d B,波长带宽为50 nm,讨论了波导宽度的工艺容差较小的问题,可以引入滤波器来提高其工艺容差。

关键词：铌酸锂薄膜模式杂化非对称定向耦合器偏振分束器偏振旋转分束器

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金纳米石门结构参数对消相位时间影响的研究

引用

应用物理 2024年第4期14卷 220-229页

作者：刘佳乐季博宇长春理工大学物理学院吉林长春

耦合等离激元纳米结构的光学性质及消相位时间在基础研究和应用研究中受到了极大的关注。本文利用FDTD仿真模拟研究了金纳米石门结构中等离激元模式耦合对消相位时间影响的研究。研究结果表明,石门结构两模式的消相位时间依赖于结构尺... 详细信息

耦合等离激元纳米结构的光学性质及消相位时间在基础研究和应用研究中受到了极大的关注。本文利用FDTD仿真模拟研究了金纳米石门结构中等离激元模式耦合对消相位时间影响的研究。研究结果表明,石门结构两模式的消相位时间依赖于结构尺寸的变化,通过调节结构参数(改变耦合强度),影响模式的能量劈裂,可以同时对一个结构中两种杂化模式的消相位时间进行调控。利用准正则(QNM)模型获得了金纳米石门结构热点处等离激元成键模式和反键模式的消相位时间分别是4.5 fs和5.6 fs。进一步研究发现,当单棒长度L1逐渐变长时,成键模式的消相位时间逐渐增大(从4.5 fs增加到7 fs);而反键模式的消相位时间呈现相反的趋势,逐渐从5.6 fs减小到3.9 fs。当单棒与二聚体棒结构之间的间隙g逐渐减小(耦合强度增加)时,成键模式的消相位时间逐渐增大(从4.3 fs增加到5.3 fs),反键模式的消相位时间逐渐减小(从5.7 fs减小到5.1 fs)。这项工作加深了人们对等离激元模式耦合的消相位时间影响的理解。

关键词：等离激元模式杂化消相位时间时域有限差分法

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