基于二次内反射的光可变衰减器的研究

利用双面金属包覆波导激发的高阶导模提出一种快速响应的聚合物电光可变光衰减器(VOA).与传统的聚合物波导VOA相比,文中设计的可变光衰减器的显著特点是同一入射光束在波导中能够实现二次衰减全反射.理论与实验表明,该VOA器件具有动态范围大、驱动电压低、响应时间极快、插入损耗小、器件稳定性好以及制备工艺简单等诸多特点.     

金属膜衬底上亚波长介质光栅结构的特性及传感应用

提出亚波长介质光栅-金属膜-石英玻璃衬底结构,根据等效介质理论该结构可等效为由金属-光栅-包覆层构成的单面金属包覆波导,在入射波长和入射角满足一定条件时,发生导模共振(GMR)从而产生光波全吸收现象。根据严格耦合波分析(RCWA)理论进行数值分析发现,等效波导中的TM1 GMR峰尖锐,并且对光栅包覆层的折射率变化非常敏感,角度灵敏度为127.87°/RIU(RIU为折射率单位),波长灵敏度为409.35 nm/RIU,在很大的折射率范围内线性度良好。与全介质GMR传感器和光栅型表面等离子体共振(SPR)传感器相比,该结构通过GMR实现较高灵敏度的同时,其较窄的共振峰使得检测精度更高。     

法拉第磁光波导的耦合模分析

利用法拉第磁光效应可以设计光纤磁场传感器。在磁场传感过程中，磁光晶体薄膜波导的TE模和TM模式之间将发生转换，：其转换效率与磁光晶体的法拉第旋转角度和双折射有关。本文建立了磁光波导的耦合模方程，分析了磁光波导中的TE—TM模转换，提出了通过减小线性双折射和增大法拉第旋转角来提高TE—TM模耦合效率的措施，这些措施有利于增大光束TM模的输出功率并提高光纤磁场传感器的灵敏度。     

基于单侧几何形变结构的全光纤Michelson干涉高温传感器

利用CO2激光脉冲对标准单模光纤(SMF)单向形成较小的几何形变,把部分基模能量耦合到光纤包层,制作了一种新型的在线型Michelson干涉传感器。理论分析了这种几何微扰激发的包层模特性,并利用芯模-包层模较大的热光系数差,把这种传感器应用于高温测量。实验结果表明,这种干涉传感器的温度灵敏度为0.093 7nm/℃,并且在800℃温度范围内具有良好的线性和重复性。这种制作简单、结构稳定、体积小和灵敏度高的全光纤在线型Michelson温度传感器将具有较大的潜在应用价值。     

双层石墨烯非对称波导中导模性质的分析

研究了基于双层石墨烯的非对称量子阱波导中导模的性质。当石墨烯中电子的入射能一定时,通过控制加在石墨烯不同区域的直流电压,可使狄拉克费米子在非对称波导中存在三种不同类型的运动方式,即准经典运动、量子克莱恩隧穿以及二者的混合运动。在解析推导出导模色散关系的基础上,详细讨论了三种不同情形下导模的结构特征。该研究结果对于石墨烯波导器件的实际应用具有重要意义。     

基于两次衰减全反射结构的电光开关的研究

为了进一步提高电光开关的消光比,利用双面金属包覆波导激发的高阶导模是导波层折射率的灵敏函数这一特性,采用同一入射光束在波导中实现二次衰减全反射的方法,设计了一种快速响应的聚合物波导电光开关,并进行了理论分析和实验验证.得到该器件的消光比高达38dB,开关的响应时间低于110ns.结果表明,该电光开光器件具有动态范围大、驱动电压低、响应速率快、插入损耗小、器件稳定性能高以及制备工艺简单等诸多特点.这一结果对光互联、集成光路以及无线光通信等领域的应用是有帮助的.     

高灵敏度振荡场生物传感器的理论与实验研究

利用双面金属包覆波导中的超高阶导模对导波层折射率极其敏感的特性,提出一种新型的生物传感器。与传统的表面等离子共振、泄漏波导以及反对称波导等消逝场生物传感器相比,该传感器的待测样品放置在导波振荡场中,样品折射率的微小变化都将引起输出光强的极大改变,从而极大提高了传感器的灵敏度和分辨率。初步的实验结果显示在现有噪声水平下至少能够分辨1ppm的葡萄糖溶度改变。预计该传感器将在环境监测、食品安全、生物医学和疾病诊断等领域有着极其广泛的应用前景和巨大的市场潜力。     

基于光子晶体多模波导的1．31／1．55μm双波长功分器的设计

设计了一种基于光子晶体多模波导的双波长光功分器,该器件能同时实现1.31 μm和1.55μm两种通信波长的光信号功率的平均分配,整个器件长度仅为15μm,是已报道的常规结构的182分之一.根据导模传输法,讨论了对称入射时光子晶体多模波导中的自映像效应,采用时域有限差分法模拟了光场在波导中的分布,入射场的单重像和二重像交替在波导中周期性地出现.并讨论了功分器的输出效率,及输出效率随位于单模波导与多模波导联结处的介电柱位置变化而产生的变化.     

基于偏芯结构的光纤弯曲传感器及其特性研究

提出了一种基于偏芯熔接(COJ)结构的光纤弯曲传感器。传感器利用COJ结构,将部分纤芯光耦合到包层中形成包层模,在输出端与纤芯模进行耦合形成干涉,并通过探测输出光谱的波长漂移对曲率进行探测。理论和实验表明,本文结构的弯曲传感器具有较好的弯曲灵敏度以及较好的线性响应曲线,对长为55.6mm的传感器,其弯曲灵敏度为-6.9nm/m-1;传感器长度会影响传感器的弯曲灵敏度,长度越长,弯曲灵敏度越大。     

基于古斯汉欣效应的皮米级位移传感器的实验研究

本文利用光束在对称双面金属包覆波导表面反射时古斯一汉欣（Goos—Hanchen）位移具有极大的增强效应,提出一种灵敏度的极高的新型位移传感器。与传统的光强传感器相比,这种传感器消除了光源的能量波动对灵敏度的影响,从而能够观测更加微小的位移变化。在实验上实现了8pm微小位移传感。研究表明,该器件测量实时性强、精确度较高...     

Wavelength Sensing With Subpicometer Resolution Using Ultrahigh Order Modes

The ultrahigh order modes of a symmetrical metal-cladding optical waveguide, which exhibit strong wavelength dispersion characteristics, are used to track small wavelength changes of the light output of laser diodes. In the case of free-space coupling, the wavelength shift is transformed into an intensity variation of the light reflected on a surface of the waveguide. The sensitivity considering the divergence of the incident light and the thickness of the upper cladding is analyzed. A wavelength resolution of 0.5 pm at a center wavelength of 859.8 nm is demonstrated experimentally     

Goos-Hänchen shift as a probe in evanescent slab waveguide sensors

The present paper deals with three-layer planar waveguide optical sensor. Different from the conventional slab waveguide sensors in which the effective refractive index of the propagating mode is taken to be the probe for detection changes in the analyte refractive index, we adopt Goos-Hänchen (GH) shift as the sensing probe for the proposed sensor. We show that the GH shift is strongly dependent on the refractive index of the cladding, thus it is a good candidate for detection changes in the analyte refractive index. We present and study the sensitivity of the GH shift at the cladding-film and substrate-film interfaces. It is found that GH shift has a high sensitivity and can be used for versatile optical slab waveguide sensors.     

双面金属包覆单轴晶体波导的偏振转换研究

利用转移矩阵方法计算了双面金属包覆单轴晶体波导结构中的色散曲线、反射谱。结果表明,双面金属包覆结构使得波导可以被自由空间光场激发;单轴晶体的光轴取向能对该结构中的波导模式进行调控,使入射光波中的Ey、Ez分量发生相互转换耦合,从而在波导层中形成杂化模。通过调节耦合金属层厚度可以对出射光偏振状态的控制,实现TE线偏振入射光向TM线偏振反射光的转换以及线偏振入射光向圆偏振反射光的转换。     

Optical voltage sensor based on electrooptic crystal multiplier

A novel optical voltage sensor based on the electrooptic crystal multiplier is proposed and experimentally investigated. Different from the conventional bulk-type optical voltage sensor, the optical sensing unit is simply composed of an electrooptic crystal and two polarizers and does not need quarter wave-plate. By using different modulation approaches, both ac and dc voltages can be measured with controllable sensitivity and measurement range. The effective value of ac voltage can also be measured with nonmodulation approach. The dc voltage from 0.1 to 120 V and 50 Hz ac voltage from 0.05 to 100 V have been measured with good linearity. The potential applications of the proposed voltage sensor include the low voltage measurement in the field of electromagnetic compatibility and the high voltage measurement in electric power industry.     

Doppler effect in flexible and expandable light waveguide and development of new fiber-optic vibration/acoustic sensor

New principle and a geometrical arrangement of an optical fiber for a vibration/acoustic measurement are proposed in the present paper. The sensor is based on a new finding that a frequency of light wave transmitted through a bent optical fiber is shifted by vibration at the bent region. The phenomenon can be explained as Doppler's effect in flexible and expandable light waveguide. Several configurations of the sensor have been designed, and very high sensitivity is achieved in the extremely wide frequency range. Principle, sensor configuration and theoretical sensitivity, measurement system, and some experimental consideration are described in the present paper. The sensor sensitivity was examined experimentally in the low and middle frequency range, and the detectability was confirmed experimentally in the frequency range of acoustic emission signals.     

基于反射式塑料光纤传感器的微位移测量技术研究

近年来,高精度的位移测量精度要求越来越高,为响应这一需求,本文依据待测位移量可由反射光强变化得出的原理设计了一种基于塑料光纤的位移传感器.本文所涉及的光纤位移传感器以静态拉伸式杨氏模量测量实验中钢丝长度的微小变化为待测量进行设计.在整个传感器系统制作完成后,结果显示,在0~3mm的位移范围内,测量输出与实际位移成线性关系且线性度为0.6%,在较大位移区间内实现了具有良好线性度的测量,同时,根据实验结果测得灵敏度为2.13mV/μm,保证了测量的精准度.这种设计方法的使用扩大了塑料光纤的应用领域,同时,优化了传感器的精准度和线性化精度等性能指标.     

基于古斯-汉欣效应的激光束精密平移的研究

为了精密控制激光光束的平行移动,利用双面金属包覆波导结构在导波共振激发时对古斯-汉欣(Goos-Hänchen)位移的增强效应,采用光学非线性晶体材料作为波导的导波层,通过在波导中两层金属膜间加入控制电压,改变波导参量,实现反射光侧向位移的电调谐,得到了720μm范围内的光束平移电控,控制精度可达25nm。结果表明,实验结果和理论模拟吻合较好。预计本工作对光学微加工领域应用具有积极而广泛的意义。     

新型反谐振反射光波导传感器的研究

为了寻找到性能更好、灵敏度更高的光波导传感器,在传统反谐振反射光波导结构的基础之上,提出了一种新型反谐振反射光波导传感器,对其反射率和传输损耗进行了模拟,并计算了它的灵敏度.结果表明,与传统表面均匀传感型反谐振反射光波导传感器相比,新型传感器直接将待测的样品作为波导层并且采用了周期结构的反共振层,使大部分光束集中在样品中传播,从而降低了传输损耗,提高了传感器的灵敏度,为波导传感器的制作提供了一定的数值参考.     

Design and Analysis of Refractometer Based on Bend Waveguide Structure with Air Trench for Optical Sensor Applications

This study proposes a novel optical sensor structure based on a refractometer combining a bend waveguide with an air trench. The optical sensor is a splitter structure with a reference channel and a sensing channel. The reference channel has a straight waveguide. The sensing channel consists of a U‐bend waveguide connecting four C‐bends, and a trench structure to partially expose the core layer. The U‐bend waveguide consists of one C‐bend with the maximum optical loss and three C‐bends with minimum losses. A trench provides a quantitative measurement environment and is aligned with the sidewall of the C‐bend having the maximum loss. The intensity of the output power depends on the change in the refractive index of the measured material. The insertion loss of the proposed optical sensor changes from 3.7 dB to 59.1 dB when the refractive index changes from 1.3852 to 1.4452.     

光波导模场分布自动检测系统的研制

介绍了研制的一套光机电一体化的光波导模场分布自动检测系统。该系统通过光学透镜对光波导二维模场分布进行放大,并用一针孔对放大后的模场分布进行二维扫描,扫描过程中对每一点进行光电转换和A/D数据转换,传给计算机,再通过软件处理得出光波导的二维模场分布图。采用该系统成功地检测了多模光纤端面和一个条形光波导端面的模场分布。