大尺寸楔形腔制备技术研究

谐振式光学陀螺凭借其体积小、可靠性高等独特优点,有望成为微小型化的高精度角速度测试仪器。从谐振腔对角速度传感影响原因进行分析,得出陀螺极限灵敏度与谐振腔品质因数Q和腔体直径D的乘积成正比。传统的楔形谐振腔加工采用MEMS工艺,流程简单,是制备大尺寸微腔的主要结构。然而,由于MEMS加工工艺技术的限制,微腔直径D越大,微腔结构的均匀性和表面粗糙度越难以保证,微米级的表面粗糙度极大的减小了微腔结构的Q值。因此,急需优化MEMS工艺技术来提高大尺寸微腔结构的表面粗糙度,提高光学微腔陀螺的极限灵敏度。通过对楔形腔制备工艺进行研究,制备楔形腔直径8mm,表面粗糙度1nm,Q值大于106,耦合效率大于95%。     

高Q值光学微球腔的温度系数研究

光学微球谐振腔由于其具有超高的Q值及极小的模式体积等优点,在高灵敏度传感和光通信等方面得到了广泛的研究。测试了未封装和封装后微球腔谐振波长随温度的变化,实验结果表明随温度增大,谐振波长线性红移,且线性度高。二者温度系数不同,未封装时为25.6 pm/℃,封装后为4.4 pm/℃,主要原因为紫外胶的负热光系数所致。理论分析了紫外胶的热光效应,通过控制紫外胶厚度可以改变光在紫外胶中的比例,从而调节温度系数。当光在紫外胶中比例为0.1135时,温度系数变为0,可以抑制温度漂移,实现了温度补偿;该比例继续增大,温度灵敏度提高。低温漂、高灵敏度、微型化拓宽了回音壁模式(WGM)传感器的应用潜力。     

高品质光学微球腔谐振特性及鉴频特性分析

光学微球腔的回音壁模式使其存储能量大,从而获得高的品质因数。该文介绍了微球腔的制备方法;介绍了微球腔与锥形光纤的耦合理论,并对其耦合特性作出了分析;搭建了微球腔谐振谱探测系统并分析了不同耦合模式下的谐振特性;设计了微球腔谐振频率跟踪与锁定系统。通过仿真得到了不同调制频率下的鉴频曲线,分析了其吸收谱线与色散谱线特性。实验制得微球腔直径为440μm,耦合状态下的品质因数可达1.08×108;调制频率对鉴频曲线特性影响很大,低频调制下,优化调制后,可提升跟踪锁定效果,为后续的实验奠定了良好的基础。     

制备高Q值的光波导谐振腔的关键技术研究

品质因数Q是光学谐振腔具备的非常重要的参数,尺寸较大的谐振腔虽然每圈的损耗更大,但是它却拥有更高的Q值。针对此问题,从光子寿命方面对谐振腔的结构进行了相应的建模分析和仿真,然后提出引入等效单位传输损耗对谐振腔的腔长和品质因数的关系进行了理论上的分析并进行了仿真,通过硅基微纳加工技术加工了四种腔长分别为3.1ｃｍ,9.5ｃｍ,12.6ｃｍ,18.8ｃｍ的光波导谐振腔,保持其耦合系数不变时的测试结果为:谐振腔的传输损耗随着腔长的增加而降低,品质因数Q增大,测试结果与理论值一致,该结论为制备更高品质因数的光波导谐振腔提供一种新的研究思路。     

SiO_2-Al_2O_3-SiO_2光子晶体缺陷腔的折射率传感特性

为了提高光子晶体折射率传感器的灵敏度和品质因数,提出了一种基于表面波谐振原理的缺陷态光子晶体-棱镜耦合传感结构。通过分层传输矩阵法对该结构建立传感理论模型,得出古斯汉欣位移与谐振波长的变化关系,从而建立谐振波长与待测样本折射率的关系模型。以SiO2-Al2O3-SiO2作为缺陷腔来代替传统表面等离子体共振(SPR)传感器中的金膜,构成折射率敏感层;采用Al2O3作为吸收层,从而在反射光谱中得到谐振缺陷峰,通过缺陷峰值的漂移实现待测样本折射率的动态监测;以乙二醇溶液为待测样本,对该折射率传感结构的Q值及灵敏度进行了分析。结果表明,其灵敏度约为3596nm·RIU-1(RIU为相对折射率单位),Q值约为1087.7,证明了结构设计的有效性,并可为高灵敏度和高Q值折射率传感器的设计提供一定的理论指导。     

平面环形谐振腔的腔长对品质因数的增强效应研究

品质因数Q是光学谐振腔的重要参数,大尺寸的平面环形谐振腔有着更大的单圈损耗,却具有更高的品质因数Q,针对这个问题从光子寿命的角度对环形谐振腔耦合结构进行了建模分析与仿真,提出了用等效单位传输损耗参数来表征谐振腔的腔长与品质因数之间的关系,设计、加工了不同腔长Ｌ(3.1ｃｍ,９.５ ｃｍ,12.6ｃｍ,18.8ｃｍ)的氧化硅光波导环形谐振腔,其中谐振腔的耦合系数保持不变。测试结果显示:随着谐振腔的腔长增加,谐振腔的等效单位传输损耗降低,品质因数Q增大,与仿真结果相符,该结论为高Q值光波导谐振腔的研究提供了一种新的途径。     

相位调制对高Q光学微球腔谐振特性的影响

光学微腔由于其极高的品质因数(Q)特性而具有广泛的应用前景。该文根据光学微球腔与锥形光纤的耦合原理对光学微球腔的谐振特性进行了实验研究。通过实验研究了相位调制参数对光学微球腔谐振深度的影响,并获得了相位调制电压和调制频率与光学微球腔谐振深度变化的关系。实验结果表明,相位调制参数的变化,对光学微球腔的谐振特性——谐振深度,有一定影响,在应用中根据需要选择合适的相位调制参数。     

相位调制对高Q光学微球腔谐振特性的影响

光学微腔由于其极高的品质因数(Q)特性而具有广泛的应用前景。该文根据光学微球腔与锥形光纤的耦合原理对光学微球腔的谐振特性进行了实验研究。通过实验研究了相位调制参数对光学微球腔谐振深度的影响,并获得了相位调制电压和调制频率与光学微球腔谐振深度变化的关系。实验结果表明,相位调制参数的变化,对光学微球腔的谐振特性——谐振深度,有一定影响,在应用中根据需要选择合适的相位调制参数。     

基于微滴腐蚀的微纳光纤Farby-Perot腔的折射率传感特性

为了实现高精度和高灵敏度的折射率测量,采用微米级氢氟酸液滴化学腐蚀的方法制作非对称的微纳光纤Fabry-Perot (FP)腔,具有波导尺寸小、损耗低、双折射率高和腔Q值高等优点。不同正交偏振方向的谐振模式对外界折射率变化具有不同的响应,沿光纤快轴方向的模式折射率灵敏度为133.8 nm/RI-unit,沿光纤慢轴方向的模式折射率灵敏度为117.1 nm/RI-unit,快慢轴方向的温度灵敏度均为11.99 pm/℃,通过光谱仪监测两束偏振光的波长差可实现温度独立的折射率测量。采用不同FP腔参数的光纤传感器进行实验研究,结果表明,光纤FP传感器腔直径越小,腐蚀占腔长比越高,其折射率灵敏度越高。     

微光学陀螺楔形谐振腔制备技术研究

Si基谐振式光学微腔陀螺以小型化、集成化成为未来姿态检测领域的发展趋势,其极限灵敏度主要取决于谐振腔直径D与品质因数Q值乘积,目前常见的硅基微腔直径为微米级,为了进一步提高极限灵敏度,实验中控制加工工艺减小反应过程中残余应力与表面粗糙度,制备出直径D为8mm、表面粗糙度小于1nm、Q值2.4×106的大尺寸硅基SiO2楔形谐振腔,可实现陀螺极限灵敏度达到55°/h,为芯片级、集成化的新型谐振式光学微腔陀螺的研究奠定了实验基础。     

新型的可调谐微环谐振器的设计

为了改进微机电系统中的传感器应用范围和特性参数,采用微纳光纤制作了环形谐振腔结构,设计的结构具有尺寸小、损耗低,品质因素高等优点。理论上分析了微纳光纤的光传输模式特性,通过电场的传数矩阵推导了谐振腔中的速度变化与光强变化间的关系,得到了加速度作用下微环谐振腔的谐振波长、周长、有效折射率的变化值间的函数关系。仿真结果分析表明:设计的微环波导电场波动明显,耦合效率较好;光谱强度和3 dB带宽变化较小,Q值达到104;在质量块每增加10 g时,输出光谱图约向右漂移3 nm;加速度与谐振波长漂移量基本呈线性关系,可以通过谐振波长的漂移量来实现对加速度的测量。研究结果能够为全光网络和微机电系统提供实现多种功能的光波导器件。     

基于聚合物微球腔的高灵敏温度传感器（特邀）

提出了一种基于聚合物微球腔的温度传感器,该温度传感器利用微球腔谐振波长漂移量测量外界环境温度变化量,兼具结构紧凑和高度灵敏的特点。首先利用有限时域差分法对拉锥光纤耦合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的谐振结构进行了仿真分析,验证了拉锥光纤激发聚合物微球腔中回音壁模式的可行性。实验结果表明,束腰直径为1.8 μm的拉锥光纤与直径为数十微米的聚合物微球之间通过消逝场耦合的方式能够激发品质因子为104量级的回音壁模式。利用点式封装和全包裹封装相结合的方式将拉锥光纤和聚合物微球封装一体,一方面可保持两者之间稳定的耦合状态,另一方面保护拉锥光纤和微球腔免受外界污染。由于聚合物微球腔的负热光系数大于其热膨胀系数,其谐振光谱随外界温度降低发生红移。当外界环境温度在20~30 ℃范围内变化时,聚合物微球腔温度灵敏度为68 pm/℃。与传统光纤温度传感器相比,该传感器的高品质因子使其具有更低的探测极限,在受限空间内的原位温度精密测量中具有潜在的应用前景。     

MIM波导内嵌金属板结构Fano共振传感特性

基于法诺(Fano)共振传感特性,提出了一种金属-介质-金属(MIM)波导耦合矩形腔结构,目的是为了实现高灵敏度、高可靠性的折射率传感检测。通过耦合模理论和有限元数值模拟仿真,分析了矩形腔中有无内嵌金属板两种结构的Fano透射光谱特征,并且进一步优化了矩形腔内嵌金属板结构参数,最后阐明了结构参数对其传感特性的内在影响。结果表明,当入射光以TM模式入射到矩形谐振腔时,会形成两个Fano模式共振峰:第一种模式的品质因数(FOM)达9.4×10⁴,灵敏度为700nm/RIU;第二种模式的FOM达8.4×10³,灵敏度为1200nm/RIU。研究结果表明此结构设计实现了双Fano峰检测,同时各个模式品质因数都很高,这为高性能微纳光学折射率传感器的设计提供了一定的理论参考依据。     

面向陀螺应用的硅基大尺寸楔角型谐振腔

针对集成光学陀螺中核心敏感单元难以同时实现集成化和高灵敏度问题,提出了硅基二氧化硅楔角型谐振腔的制作方案。通过理论分析得出,由光电探测器散弹噪声引起的陀螺极限灵敏度与谐振腔的直径和品质因数乘积(DQ)成正比。运用MEMS工艺,制作出直径达1.5 cm、楔角22的谐振腔;通过控制氧化硅腐蚀时掩膜层的参数,获得了不同楔角的谐振腔,并论述了腐蚀楔角跟掩膜层参数的关系。通过耦合测试,该谐振腔品质因数为2106,理论上采用上述谐振腔研制的陀螺, 其极限灵敏度可达6 ()/h。     

膜电阻作为微波电路封装谐振模式抑制层

通常将微波电路置于金属封装之内.如果该封装波导谐振模恰好位于电路工作频率范围之内,电路与封装谐振模间的耦合将干扰电路的工作.在腔内放入覆有膜电阻的介质基片,可以有效地削弱封装谐振模,避免了放入吸波材料的传统方法给军用、宇航用毫米波电路带来的可靠性和机械加工难题.膜电阻的吸波性能取决于膜电阻方阻值和介质层厚度,使用数值方法计算得到应用该方法削弱后的最低阶封装谐振模的品质因数.     

Optimization of coupling between photonic crystal resonator and curved microfiber

The evanescent coupling from a photonic crystal resonator to a micron-thick optical fiber is investigated in detail by using a three-dimensional finite-difference time-domain (3D-FDTD) method. Properly designed photonic crystal cavity and taper structures are proposed, and optimal operating conditions are found to enhance the coupling strength while suppressing other cavity losses including the coupling to the slab propagating mode and to the higher-order fiber mode. In simulation, the coupling into the fundamental fiber mode is discriminated from other cavity losses by spatial and parity filtering of the FDTD results. The coupling efficiency of more than 80% into the fundamental fiber mode together with a total Q factor of 5200 is achieved for the fiber diameter of 1.0 /spl mu/m and the air gap of 200 nm between the fiber and the cavity.     

An optical-fiber-based probe for photonic crystal microcavities

We review a novel method for characterizing both the spectral and spatial properties of resonant cavities within two- dimensional photonic crystals (PCs). An optical fiber taper serves as an external waveguide probe whose micron-scale field is used to source and couple light from the cavity modes, which appear as resonant features in the taper's wavelength-dependent transmission spectrum when it is placed within the cavity's near field. Studying the linewidth and depth of these resonances as a function of the taper's position with respect to the resonator produces quantitative measurements of the quality factor (Q) and modal volume (V/sub eff/) of the resonant cavity modes. Polarization information about the cavity modes can be obtained by studying their depths of coupling when the cavity is probed along different axes by the taper. This fiber-based technique has been used to measure Q/spl sim/40,000 and V/sub eff//spl sim/0.9 cubic wavelengths in a graded square lattice PC microcavity fabricated in silicon. The speed and versatility of this fiber-based probe is highlighted, and a discussion of its applicability to other wavelength-scale resonant elements is given.     

Optical spot-size converters for low-loss coupling between fibersand optoelectronic semiconductor devices

Structures of spot size converters that allow low loss and easy coupling between an optical semiconductor device and a fiber are proposed and designed theoretically. These spot-size converters have a tapered small core for expanding the mode field. They also have a double cladding region which consists of an n⁺-doped InP substrate as the outer cladding and a p-doped or nondoped InP layer as the inner cladding with a ridge structure. This double cladding utilizes the plasma effect of a carrier which makes the refractive index of highly doped n-InP lower than that of p-doped or nondoped InP. The double-cladding structure can tightly confine an expanded mode field in the inner cladding, and results in low radiation loss at the tapered waveguide, in addition, this structure reforms the mode field shape into a Gaussian-like shape and achieves a low loss coupling of less than 1 dB with a large misalignment tolerance for fiber coupling. These spot-size converters are easily fabricated and applicable to all types of optical semiconductor devices     

一维光子带隙光子晶体激光腔的特性分析

利用平面波展开法与时域有限差分法分析计算了一维光子带隙光子晶体腔的特性。得到了品质因子Q为2.2×106,模体积V为0.278(λ/n)3的一维带隙光子晶体腔。分析了渐变区、腔镜子区及缺陷区对腔品质因子Q和模式体积V的影响。引入渐变区、选择适量周期数及一定缺陷区长度都可以提高腔性能。该结论为设计优化一维光子带隙光子晶体腔提供了有效的理论分析依据与指导。