新兴的近代光学的一个分支——集成光学

集成光学是近代光电学的一个新兴分支。它采用类似集成电路的方式把一些薄膜型的光学元件集成在同一衬底上,构成一个具有独立功能的微型光学系统。由于该系统具有体积小,重量轻,性能稳定,信息容量大,处理速度快,抗电磁干扰,易于集成等优点,因此它的实现将促使光通讯,光信息处理,光计算机等领域出现革命性的飞跃。集成光学是一门交叉性的边缘学科,它涉及材料,薄膜制作,电子学与物理光学等学科。本文在阐述介质光波导的几何光学理论,光波导的结构,材料与工艺的基础上,对该领域最近出现的几个引人注目的重要进展作一个简要综述,以资同行的参考。     

集成光杨氏干涉计生化传感器的设计和制备

报道一种结构新颖的集成光杨氏干涉计生化传感器。利用微光机电系统(MOEMS)加工工艺结合离子交换技术在玻璃基底上制作出成对的平行单模光波导阵列,并在每对波导中一条的中间区段淀积一层具有梯度末端的TiO2薄膜,覆膜波导用作传感,裸露波导作为参比,从而构成集成光杨氏干涉计芯片。研制结果表明,这种传感器与传统的集成光杨氏干涉计相比,不仅省去了Y型功率分配器和低折射率介质保护层,而且利用简单的狭缝探测器取代了昂贵的电荷耦合器(CCD)探测器,具有结构简单、制作容易和使用方便等优点。     

民用科技成果

北京浦丹光电技术有限公司 简 介 北京浦丹光电技术有限公司成立于2008年6月,位于北京亦庄经济技术开发区,是一家具有高新技术企业资质、通过GB/T19001-2008国标和GJB9001B-2009国军标质量管理体系等认证的民营企业,主要从事有源和无源传感类光学器件、多功能光电集成模块的研发和生产. 该公司投资1.2亿元建立了4条主生产线,分别为多功能集成光波导调制器(MIOC)、超辐射发光管(SLD)、光接收组件(PIN-FET),以及保偏光纤分束器(PMFS).该公司拥有先进的技术和研发设备,能够开展平面集成光波导、纤维光学波导、厚膜和薄膜电路、混合封装微带电路等的设计、仿真和试验,以及精密微光、特殊光谱综合测试.     

激光染料掺杂Zr-ORMOSILs薄膜的光稳定性研究

通过在溶胶-凝胶工艺中引入不同的有机改性硅先驱体,将激光染料PM567、P-red分别掺杂于锆-有机改性硅酸盐凝胶玻璃(Zr-ORMOSILs)中.将所得的(Zr-ORMOSILs)溶胶旋涂在载波片上,制备了波导膜,测量了薄膜的折射率.并在紫外连续辐照下,以染料荧光强度下降的幅度来表征染料在介质中的光学稳定性.实验结果表明有机改性基团的适当引入可提高染料的光稳定性,当Zr的含量为25%或50%时,激光染料PM567具有较好的光稳定性.随着Zr含量的增加,波导薄膜的折射率增加.综合考虑光稳定性和折射率,选择50% 的Zr浓度配比作为染料掺杂Zr-ORMOSIL波导薄膜的制备工艺.在50%Zr浓度配比下,有机染料PM567和P-red在以乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)为先驱体的材料中,光稳定性较好.     

Fermi型折射率分布平面光波导的模式

离子交换工艺制作的光波导在集成光学领域有着广泛的应用.研究表明,采用Fermi函数可以很好地描述离子交换平面光波导折射率分布情况.对具有Fermi折射率分布的离子交换平面光波导,采用Airy函数方法,求解了波动方程,给出了模方程和模场分布.利用所得到的模方程所进行的计算与已有的计算结果和测量值相比较,表明其精确度是比较好的.     

Er+注入Yb掺杂的ZnO波导膜的光学及结构特性研究

利用射频磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积ZnO∶Yb光波导薄膜,然后用离子注入技术将能量为200keV的Er+离子注入薄膜中,剂量为1×1015 ions/cm2.应用棱镜耦合技术、卢瑟福背散射(RBS)技术、X射线衍射(XRD)技术和荧光光谱等技术研究了薄膜的波导性质、基本结构、厚度、组分、Er+的射程情况及光学频率上转换性质.实验发现掺杂Yb和Er的薄膜可以形成光波导结构,但波导质量较纯ZnO波导膜差,膜的有效折射率及沉积速率随Yb掺杂量增加有减小趋势;薄膜呈ZnO高度c—轴取向生长,Yb和Er能有效掺杂进ZnO晶格,ZnO晶格常数受Yb掺杂量的不同而变化;在980nm激光激发下没有发现在300-720nm间的光学频率上转换.     

分子电子学气体传感的集成光学系统的研究

利用介质光波导理论，分析和研究了集成光小结构中局部介质折射率变化引起光传输特性的变化，并将此用于Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉式光波导中，计算得到光传播常数与折射率变化的关系，从而获得了所需的相关规律，此外，还概述和分析了实施该局部介质折射率变化即具有传感的有机分子Ｌ－Ｂ薄膜的分子结构与合成原理。     

基于介质销钉的基片集成波导带通滤波器的设计

滤波器是微波毫米波电路中的重要部件.基片集成波导技术使得包括平面电路、接头和矩形波导在内的完整电路可以以平面的形式集成在标准印刷电路板上.本文将中心介质销钉引入基片集成波导之中,构成新型带通滤波器.论文中分别基于金属销钉和介质销钉设计了两个带通滤波器,Ansoft HFSS数值结果说明这两种方式构成的滤波器均能较好地满足设计指标,说明文中的方法是行之有效的.     

Er^＋注入Yb掺杂的ZnO波导膜的光学及结构特性研究

利用射频磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积ZnO：Yb光波导薄膜,然后用离子注入技术将能量为200keV的Er^＋离子注入薄膜中,剂量为1×10^15ions／cm2。应用棱镜耦合技术、卢瑟福背散射（RBS）技术、X射线衍射（XRD）技术和荧光光谱等技术研究了薄膜的波导性质、基本结构、厚度、组分、Er^＋的射程情况及光学频率上转换性质。实验发现掺杂Yb和Er的薄膜可以形成光波导结构,但波导质量较纯ZnO波导膜差,膜的有效折射率及沉积速率随Yb掺杂量增加有减小趋势;薄膜呈ZnO高度c-轴取向生长,Yb和Er能有效掺杂进ZnO晶格,ZnO晶格常数受Yb掺杂量的不同而变化;在980nm激光激发下没有发现在300-720nm间的光学频率上转换。     

集成光波导相控阵列中心偏检测方法

针对光波导在成像过程中阵列中心易发生偏移现象,其相控阵列的中心偏检测精度较低的问题,提出一种集成光波导相控阵列中心偏检测方法。利用光束传输法对集成光波导的光波场展开模型,根据光栅衍射理论分析集成光波导的扫描特性。当相控阵列中心处于偏离状态时,相控阵列面之间在集成光波导中处于不平行状态,在光学自准直法的基础上结合集成光波导的扫描特性,计算相控阵列在集成光波导中的平行度,获得相控阵列面在x方向和y方向中的平行度,以此为依据检测集成光波导相控阵列中心的偏离程度。实验结果表明:本文方法在x方向和y方向中的检测误差为0.001 mm和0.002 mm,检测结果与实际结果相符,证明所提方法具有较高的检测精度。     

氮化铝光波导的特性研究

氮化铝是一种重要的近紫外,蓝光半导体材料,它具有优良的物理特性。本文介绍了用ＭＯＣＶＤ制作的氮化铝波导的物理特性,尤其对氮化铝光波导薄膜的光学特进行了深入的研究,用波导测试的方法获得了其折射率的精确实验数据。     

棱镜—光栅耦合器

棱镜-光栅耦合器(PGC)是集成光学的一种无源器件。它作为光波导的耦合器而具有特殊的意义。它在几何结构和耦合机理上都是棱镜耦合器和光栅耦合器的结合。棱镜耦合器要求棱镜有较高的折射率,因此材料难找、价格昂贵。光栅耦合器必须在波导上做成固定的结构,且要求光栅密度较大,不利于制作和使用。而PGC可以克服上述的不足,因而具有特别的意义。本文作者对PGC进行了理论分析、计算机数值分析和器件研制。主要工作如下:     

全介质超表面的研究进展与展望

随着光器件向纳米尺度发展,在纳米尺度内实现光的操控,对于小型化光学器件、构建纳米尺度的集成光路具有重要意义。全介质超表面在次波长尺度内可以实现波的振幅、相位和极化方式的控制,吸引越来越多研究者的关注,很多基于全介质超表面的光学元件被提出。详细介绍了几种重要类型全介质超表面的实现方式、及其功能和应用,并对全介质超表面的发展做了简单的展望。全介质超表面在光频段有很强的电响应和磁响应,及较小的能量损耗,为平面、超薄的光学设备提供了强大的平台。     

宽带集成光波导放大器的结构设计

对带薄膜滤波器宽带集成光波导放大器的结构进行了设计,并对单程、双程与多程三种放大器结构加以比较,单程结构的特点是结构简单、制作方便,不足之处是增益不高;双程结构特点是器件的整体增益较高但制作不方便,将两者优点结合得到多程波导放大器结构,分析表明多程宽带集成光波导放大器结构是一种较理想的结构。     

光集成的研究及应用

光集成是二十世纪七十年代发展起来的一门新兴学科,它是以光学、微波、激光、和微电子学的理论为基础,运用微加工技术,实现对光集成器件的研究.光集成是全光通讯、全光计算机等技术领域中必不可少的组成部分,是未来光子时代的先驱,本文介绍了光集成的概念及其研究和应用情况.     

三层平板波导的量子理论研究

本文首次应用光线量子理论研究了三层平板介质导光问题,得到跟波动光学完全一致的结果,揭示出光在薄膜介质中传输的波粒二象性运动规律,指出薄膜介质导光的量子理论是很有发展前途的理论。     

在蓝宝石、MgO衬底上ZnO波导膜的制备

以ZnO烧结陶瓷为靶材,应用射频磁控溅射技术在（001）蓝宝石、（100）MgO衬底上制备ZnO波导薄膜。利用棱镜耦合、X射线衍射、RBS背散射分析等技术研究了所沉积薄膜的光波导及内部结构信息。结果表明：在两种衬底上所沉积的ZnO薄膜可以形成优良的平面光波导结构;薄膜结晶状况为存在少量其他晶向的C轴择优取向;薄膜含有的Zn及O组分原子数比例为近化学计量比;薄膜的沉积速率受衬底材料表面能作用轻微影响;薄膜的有效折射率较ZnO体材料小且受衬底材料影响。生长在蓝宝石衬底上ZnO薄膜的平均晶粒尺寸较在MgO衬底上的小,且其随膜厚的增加无明显变化,但在MgO衬底上晶粒尺寸则随膜厚的增加有增大趋势。     

聚乙烯醇分散对LiFePO_4薄膜气敏性的影响

为了优化LiFePO_4薄膜制备条件,提高LiFePO_4薄膜气敏元件的灵敏度,用水热法合成LiFePO_4并把它分散在聚乙烯醇(PVA)当中.利用旋转-甩涂法将LiFePO_4-PVA分散溶液涂抹于锡掺杂玻璃光波导表面,研制出LiFePO_4薄膜/锡掺杂玻璃光波导敏感元件;利用平面光波导检测系统对其气敏性进行研究.研究结果表明,分散剂质量分数为2%,超声波振荡时间为2 h,分散温度为25℃时,所制备出的敏感元件对二甲苯等苯类气体显出良好的气敏特性,其对二甲苯体积分数的检测范围为1×10~(-8)~1×10~(-3),分散之后,敏感元件对二甲苯等气体的检测灵敏度有所提高.     

棱镜—光栅耦合器的分析和计算

棱镜—光栅耦合器(PGC)是集成光学的一种无源器件。作为光波导的耦合器,它具有比棱镜耦合器和光栅耦合器明显优越的地方。闪耀光栅型的 PGC 比非闪耀光栅型的 PGC 性能更好。本文比较了这两种光栅 PGC 的特性,并就闪耀光栅型的 PGC 进行了理论分析和计算机数值分析。     

负胶—玻璃复合平面光波导传播特性的研究

本文报道了负胶——玻璃复合平面光波导传播特性的实验研究。简述了Ag离子交换玻璃平面波导的制备与测量方法,给出了实验结果及电子计算机确定的波导参数。用波导的双模测量法确定了负胶的折射率。测量并归纳了负胶介质薄层对银离子交换玻璃平面波导传播特性影响的实验趋势。介绍了条载波导的理论处理方法和我们的实验尝试。