940nm VCSEL高折射率对比度亚波长光栅反射镜的设计

研究了一种940 nm GaAs基VCSEL的高折射率对比度亚波长光栅反射镜（HCG）,采用GaAs/AlO_x光栅结构,讨论了TE偏振时光栅结构中各参数对反射光谱的作用规律,分析TE、TM不同偏振时反射镜的结构特点,及形貌误差对高反射带的影响。设计的TE-HCG的高反射带中心为940 nm,在0.888～0.985 μm波长范围内,TE波反射率大于99.5%,TM波反射率低于90%,高反射带宽97 nm,Δλ/λ₀>10%。该反射镜可以与VCSEL采用一次性外延生长技术制作,且具有结构简单,制作容差大,且偏振稳定的优势,不仅有利于改善器件性能,且大大降低VCSEL的制作难度和成本。     

GaSb基垂直腔面发射激光器P面反射镜的优化设计

针对当前2μm GaSb基垂直腔面发射激光器发展中由于传统的P面分布布拉格反射镜（P-DBRs）带来的高电阻和严重光吸收这一瓶颈问题,采用严格耦合波方法仿真设计了含高对比度亚波长光栅（HCG）的P面反射镜。实验结果表明,这种制备工艺简单的反射镜在2μm 中心波长附近,TM波入射时反射率超过99.5%的高反射带宽为278nm,反射率99.9%以上的高反射带宽达到148nm,完全能够满足VCSEL对谐振腔镜的要求,且能有效避免因异质外延等造成反射镜衍射特性劣化等问题。     

超窄线宽导模共振滤波器的设计

亚波长光栅导模共振滤波器,具有高峰值反射率、低旁带反射和窄带等特点,能够实现基于高低折射率介质的滤波器所无法达到的独特功能。设计了中心波长为852nm的带有间隔层、线宽可控的超窄线宽导模共振滤波器,并分析了主要参数对反射光谱的影响。选择弱调制的介质作为光栅层,并在光栅层和波导层之间插入一层低折射率的介质作为间隔层来减小光栅层和波导层之间的耦合强度,进而使导模共振滤波器的线宽达到0.02nm的超窄程度,并且该结构中的光栅厚度、占空比等对反射光谱的影响极小,均利于其工艺制备。     

GaSb基垂直腔面发射激光器P面反射镜优化设计

针对当前2. 0μm GaSb基垂直腔面发射激光器发展中由于传统的P面分布布拉格反射镜(P-DBRs)带来的高电阻和严重光吸收这一瓶颈问题,采用严格耦合波方法仿真设计了含高对比度亚波长光栅(HCG)的P面反射镜.实验结果表明,这种制备工艺简单的反射镜在2. 0μm中心波长附近,TM波入射时反射率超过99. 5%的高反射带宽为278 nm,反射率99. 9%以上的高反射带宽达到148 nm,完全能够满足VCSEL对谐振腔镜的要求,且能有效避免因异质外延等造成反射镜衍射特性劣化等问题.     

940 nm VCSEL中DBR的反射特性分析

应用传输矩阵法计算并分析了分布式布拉格反射镜(DBR)的堆叠方式对反射谱的影响，当入射介质为GaAs材料、出射介质为空气时，DBR以低折射率层/高折射率层(LH)的方式排列具有更高的反射率。研究了入射角度对DBR反射率的影响，利用角度相关的传输矩阵模型对DBR反射谱进行计算，结果表明，DBR反射谱随着入射角度的增加而蓝移，最大反射率随着入射角度的增加而增大。建立了940 nm波长下Al_xGaAs的材料折射率与铝的原子数分数x之间的线性拟合模型，并通过多层剖分等效法，计算分析了渐变层对DBR反射谱特性的影响。相比于突变型DBR结构，渐变型DBR结构在维持最高反射率基本不变的情况下，反射带宽有所减小。     

用于VCSEL的Si基零对比度光栅反射镜研究

利用严格耦合波理论和时域有限差分方法设计了一种应用于940 nm垂直腔面发射激光器的Si基零折射率对比度光栅反射镜。对零对比度亚波长光栅(Zero-index-Contrast subwavelength Grating, ZCG)的高反射特性进行了研究,分析了ZCG实现宽带高反射的条件。此外,讨论了光栅结构参数对反射性能的影响并计算了制作公差,模拟分析了ZCG尺寸与垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)氧化孔径尺寸对镜面损耗的影响。所设计的ZCG带宽可达280 nm, Δλ/λ₀=29.8%。该反射镜可以替代VCSEL中传统的分布式布拉格反射镜,降低了工艺难度和生长成本,同时有利于VCSEL与其他Si基光电子器件的集成。     

数值分析渐变DBR对垂直腔面发射激光器谐振腔模的影响

通过数值分析研究了含线性渐变层的Al0.9Ga0.1As/AlyGa1-yAs/GaAs/AlxGa1-xAS DBR的光学特性及其对VCSEL谐振腔光学特性的影响,建立了渐变型DBR渐变层厚度与折射率的关系,通过特征矩阵法计算了突变GaAs/Al0.9Ga0.1AS DBR和渐变型DBR的反射谱和反射相移,分析了渐变层对DBR反射率和反射相移的影响.对渐变型DBR,要使VCSEL谐振腔满足中心波长相位匹配条件,还需要在DBR靠近谐振腔一侧的最前面增加一定厚度的渐变层,称为相位匹配层.通过计算,我们得到了使VCSEL谐振腔满足相位匹配条件时均匀层和相位匹配层的厚度.     

光纤布喇格光栅的反射特性研究

阐述了由耦合模理论得到的光纤布喇格光栅的反射率的表达式,并且由此表达式导出了光纤布喇格光栅的反射特性和反射中心波长。理论分析了反射波长λ、光栅栅距Λ,折射率微扰的最大值Δnmax,光栅区长度L和反射率Rg之间的关系。     

宽波长太阳能电池抗反射层结构设计

为了降低太阳能电池表面对入射光的反射,提高其光电转换效率,设计了入射光谱在400～1100 nm宽波长范围内的二维亚微米抗反射层结构.该结构主要由高折射率ZnS膜层、低折射率MgF_2膜层及二维亚微米光栅层等组成.采用严格耦合波分析理论计算了此结构的反射特性,当ZnS膜层、MgF_(2)膜层、光栅深度及光栅周期分别为50 nm、150 nm、200 nm及400 nm,入射角在0～80°变化时,其平均反射率为7.76%.计算结果表明:所设计的抗反射层结构可有效降低太阳能电池表面对入射光的反射,从而提高其光电转换效率.     

数值分析渐变DBR对垂直腔面发射激光器谐振腔模的影响

通过数值分析研究了含线性渐变层的Al0.9Ga0.1As/AlyGa1-yAs/GaAs/AlxGa1-xAS DBR的光学特性及其对VCSEL谐振腔光学特性的影响,建立了渐变型DBR渐变层厚度与折射率的关系,通过特征矩阵法计算了突变GaAs/Al0.9Ga0.1AS DBR和渐变型DBR的反射谱和反射相移,分析了渐变层对DBR反射率和反射相移的影响.对渐变型DBR,要使VCSEL谐振腔满足中心波长相位匹配条件,还需要在DBR靠近谐振腔一侧的最前面增加一定厚度的渐变层,称为相位匹配层.通过计算,我们得到了使VCSEL谐振腔满足相位匹配条件时均匀层和相位匹配层的厚度.     

载氢光纤光致折射率变化量与曝光时间关系的测量

对普通载氢光纤光致折射率变化量与曝光时间的关系进行了实验测量研究。针对不同曝光时间导致的光栅强度不同, 分别提出了均匀光栅最大反射率测量模型和反射率零点带宽测量模型, 并分析了两个模型由于布拉格反射波长的测量误差对光致折射率变化量计算结果造成的影响。结果表明, 244 nm氩离子倍频激光器输出光功率为40 mW时, 普通载氢光纤光致折射率变化量随曝光时间总体上呈现指数分布关系Ac=1.632×10-6 t 0.76912; 在曝光时间较短时, 造成的光栅强度较弱, 光致折射率变化量有明显的指数增长趋势, 之后是一段较好的线性区域, 这时两个测量模型的结果得到了很好的印证, 随着曝光时间的继续增加, 光致折射率变化量达到饱和。     

液晶可调谐VCSEL中高对比光栅结构的设计

基于严格耦合波理论设计了一种以液晶为低折射率材料的Si-SiO2复合高对比光栅,该光栅适合用于实现液晶可调谐功能的垂直腔面发射半导体激光器件。当940nm的TM偏振光入射时,通过优化参数可得到宽带(Δλ=256nm)高反射率(R>99%)且具有偏振稳定性的光栅结构,满足垂直腔面发射半导体激光器顶部腔面反射镜要求。液晶折射率的改变不会影响光栅的性能,未来有望将高对比光栅或混合光栅与液晶可调谐垂直腔面发射半导体激光器相结合,实现可调谐半导体激光器。     

聚合物波导光栅耦合器的衍射场仿真

为了实现横截面尺寸为50 m50 m的聚硅氧烷聚合物光波导的耦合转向问题,设计了一种表面覆盖高折射率包层的多层蚀刻光栅耦合器。首先,分析了影响聚合物波导光栅耦合器耦合效率的结构因素;然后,采用在光栅表面蚀刻高折射率层的方法,提高了聚合物波导光栅耦合器的耦合效率;接着,对不同的周期（范围:100~4 000 nm）和不同的蚀刻深度（范围:0~50 000 nm）进行排列组合,形成不同的光栅结构,基于时域有限差分法编写程序,遍历所有情况,得到不同光栅结构下的光场情况以及其耦合效率,找到使耦合效率最大的周期以及蚀刻深度。最后,设计了多层蚀刻的光栅耦合器,进一步提高耦合效率。当蚀刻深度为5 000 nm,光栅周期为2 600 nm时,带高折射率层的聚硅氧烷聚合物光波导均匀光栅耦合器的耦合效率达到最大,为17.2%。采用多层蚀刻的方式,对结构进行优化,其耦合效率能达到37.4%。为聚硅氧烷聚合物光波导在光互连中的实际应用提供了理论依据。     

基于光栅波导共振耦合的传感器特性研究

该文设计了一种基于光栅波导共振角耦合的生物传感器,通过光栅波导模式谱变化检测传感器表面有效折射率变化的方式,实现了传感器表面附着物的精确检测。并在平板介质光波导理论基础上,推导了三、四层结构理论模型,实验得到了入射角与检测溶液折射率及入射角与分子膜层厚度间的变化关系。结果表明,光栅波导共振角耦合生物传感器入射角与待测溶液折射率存在良好的线性关系,并具有较高灵敏度,精度可达0.01(°)/nm。通过该方法制作出无标记的生物传感器,能广泛应用于生物分子检测,尤其适合蛋白质分子生物检测。     

基于倾斜光纤光栅及其表面等离子效应的折射率传感比较研究(英文)

介绍了倾斜光纤光栅作为折射率传感器的测量原理,给出它的倾斜角8°与中心波长1550nm的反射谱与透射谱,分析了具有表面等离子的倾斜光纤光栅传感机理。为验证折射率传感的可能性与优点,进行了蔗糖浓度溶液的裸倾斜光纤光栅与镀金的倾斜光纤光栅的折射率测量分析,证明镀金后的表面等离子效应倾斜光纤光栅折射率传感器其灵敏度大大增加。     

基于重叠光栅和啁啾光栅的双波长光纤激光器

研究光寻址电位传感器(LAPS)的器件噪声特性 。通过对LAPS半导体场效应器件的结构分析,建 立LAPS的理论模型,并进一步分析LAPS器件噪声信号的来源、种类及特性。以 pH缓冲液中H离子 浓度为检测对象,搭建基于NI采集卡和Labview环境的LAPS测试系统,对影响LAPS信号噪声 特性的光源 波长、光源调制频率、光源强度和Si衬底厚度等因素进行了仿真和实验研究。结果表明,增 大光源波长和光源强度 是提高输出信号幅值和信噪比(SNR)的最有效方法。     

基于飞秒激光制备的光纤Fabry-Perot折射率传感器

在对光纤Fabry-Perot(F-P)传感器多光束干 涉原理仿真分析的基础上,利用波长为800nm的飞秒 激光脉冲在普通单模光纤(SMF)上制备微型传感器,并对其折射率响应性能进行了实验测试 。理论分析表明,在低、高折射率区域,F-P传感器的反射谱对比度随着折射率的增加分别 呈现先降低后增加的趋势(折射率高低分界点1．457)。飞秒激光 的制备方法通过计算机控制腔长等可以进行参数可选择的微型光纤F-P传感器的制作。利用 制备的传感器对一系列不同折 射率的溶液进行了折射率响应测试实验,测试结果表明,传感器反射谱对比度对低折射率物 质(折射率小于 1.457)的灵敏度为27.65dB/RI,对高折射 率 物质(折射率大于1.457)的灵敏度为3.50dB /RI,且均具有良好的线性响应。     

A novel biosensor with enhanced sensitivity based on grating coupled double-layered porous silicon waveguide

The enhanced sensitivity of a guided mode biosensor is analyzed by employing double-layered porous silicon grating structures. The grating-coupled waveguide structure consists of two porous silicon grating layers with different refractive indices. simulations are carried out by changing the refractive index, which is due to the binding of biological molecules on the porous silicon pore can increase the refractive index of porous silicon. The numerical results show that this novel guided mode biosensor with a double-layered grating can provide not only a very high sensitivity but also a better reflectivity characteristic.     

基于亚波长光栅结构的折射率传感研究进展

新一代片上传感系统提出了微型化、集成化、低成本等发展需求,硅基集成波导器件适应其发展趋势,其中亚波长光栅结构因独特的模场分布特性在折射率传感领域备受青睐。文章首先对亚波长光栅波导的工作原理进行了介绍,阐述其在折射率传感领域的优势,然后按器件结构分类梳理了亚波长光栅结构折射率传感的最新研究进展,并分析和总结了不同器件结构的优缺点,最后展望了基于亚波长光栅结构的折射率传感未来的发展方向。     

基于非均匀硅基光栅的太赫兹选频反射器

亚波长尺寸介质光栅作为一种特殊的周期性结构已经在滤波器、反射器、耦合器和传感器等方面取得了重要的进展,其中非均匀光栅具有极大的设计自由度,使其可以在太赫兹波段具有宽频带、高反射的特点,而且不同的光栅常数和填充因子会引起光栅光谱的频移,从而实现选频反射.文章设计并加工了一种非均匀硅基光栅,并利用反射式太赫兹时域光谱系统测试其反射特性并对其选频特征进行有限元分析.结果表明该非均匀硅基光栅太赫兹选频反射器不但具有频带宽、反射率高等优点,还具有结构简单、体积小、易于加工制作和工艺容差大等特征.