太赫兹Si/SiGe量子级联激光器波导模拟

波导层结构设计是制备太赫兹(THz)量子级联激光器的关键问题之一.本文基于德鲁得(Drude)模型,利用时域有限差分(FDTD)法,对Si/SiGe量子级联激光器的波导层进行优化设计,从理论上对传统的递变折射率波导、单面金属波导、双面金属波导以及金属/金属硅化物波导横磁模(TM模)的模式损耗和光场限制因子进行了对比分析.结果表明,金属/金属硅化物波导不但可以减小波导损耗,而且有很高的光学限制因子,同时其工艺也比双面金属波导容易实现,为Si/SiGe太赫兹量子级联激光器波导层的设计提供了一定的理论指导.     

太赫兹量子级联激光器

太赫兹技术近年来发展迅速,应用越来越广泛,是当前的热门研究领域。太赫兹量子级联激光器是产生太赫兹辐射的重要器件,对太赫兹量子级联激光器的发展,以及有源区和波导层的设计等进行了详细讨论。     

高输出功率锥形波导太赫兹量子级联激光器

制作了基于锥形波导结构的高输出功率的太赫兹(THz)量子级联激光器。激光器采用单面金属波导结构,并采用锥形波导形状提高光输出功率,且保证了良好的光斑远场发散角。激光器水平方向远场光斑发散角为18.4?,器件输出中心波长为93 μm(3.23 THz),器件最高输出功率达到了185 mW,最高工作温度为95 K。80 K时,器件的最高脉冲输出功率能达到65 mW。基于如此高的输出功率,制作了液氮杜瓦封装的小型便携式太赫兹激光源。     

9.0μm GaAs基量子级联激光器的波导优化

通过转移矩阵法和有效折射率法计算了9．0μm GaAs基量子级联激光器波导的模式损耗和限制因子，从而对其波导结构进行优化．计算中考虑了各外延层的厚度、脊宽和腔长的影响．给出了在较低阈值下节约材料生长时间的各外延层厚度．     

9.0μm GaAs基量子级联激光器的波导优化

通过转移矩阵法和有效折射率法计算了9.0μm GaAs基量子级联激光器波导的模式损耗和限制因子,从而对其波导结构进行优化.计算中考虑了各外延层的厚度、脊宽和腔长的影响.给出了在较低阈值下节约材料生长时间的各外延层厚度.     

单模太赫兹量子级联激光器

为了获得窄线宽太赫兹光源,制作了基于表面金属光栅的单模太赫兹量子级联激光器。通过优化光栅结构,获得了具有较强耦合效率和较低损耗的光栅结构参数。波导结构采用半绝缘表面等离子体波导以便能获得较高的光输出功率。激光器单模激射波长为95μm。10 K时,器件最高单模输出功率达到了43 m W,单模抑制比为18 d B。单模器件工作温度超过70 K,在70 K时,仍然有5 m W的单模输出功率。这种输出性能良好的激光器有望作为太赫兹接收机的本振源。     

太赫兹量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器,激射频率位于中远红外以及太赫兹(THz)波段。在1～5 THz激射频率范围内,THz QCL是最有效的电泵浦THz辐射源,具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。本文首先对THz QCL的有源区结构、波导结构以及材料体系进行了简介,然后从有源区方面对极限激射频率、高工作温度、大输出功率等高性能THz QCL进行了梳理,接着从波导结构方面对一维光栅、二维光子结构、超表面结构等THz QCL光子工程研究进展进行了综述。另外对主动稳频THz光频梳、被动稳频THz光频梳、THz双光梳等THz QCL光频梳方面的最新研究成果进行了介绍。     

基于表面等离子波导的面发射分布反馈量子级联激光器的分析

分析了基于表面等离子波导的面发射分布反馈量子级联激光器。通过在金属层上刻蚀二级光栅,实现了强的反馈。光的模式性质用耦合模理论来描述,其中,耦合系数从无限周期性结构的Floquet-Bloch解推导而来。基于此理论,获得了优化的面发射二级分布反馈量子级联激光器结构,其中,面耦合效率高达43%,而阈值为12 cm-1。这些结果表明,相对于基于传统介质波导的面发射分布反馈量子级联激光器（典型的值为面耦合效率17.5%,阈值增益20 cm-1）,基于表面等离子波导的面发射分布反馈量子级联激光器的性能有很大的改进。     

高输出功率太赫兹量子级联激光器与温度特性

半导体太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种相干性好线宽窄的太赫兹辐射源,有潜力获得高的输出功率.采用基于非平衡格林函数(NEGF)方法的计算工具设计、生长、制备了基于砷化镓系材料的THz QCL.在10 K温度下,峰值功率达到270 mW,平均功率为2. 4 mW,单位面积的输出功率与已报道的最高值相当.采用NEGF方法对器件的温度变化特性做了详细的分析.     

Interference of Surface Plasmon Waves and Plasmon Coupled Waveguide Modes for the Patterning of Thin Film

We analyze and propose a thin-film patterning method based on Kretschmann's attenuated total reflection (ATR) configuration where the surface plasmon mode and plasmon coupled waveguide modes coupled into a target photosensitive layer are generated. By analyzing stratified media with the help of extended transfer matrix method, we numerically visualize electromagnetic fields of surface plasmon waves and plasmon coupled waveguide modes. Through the interference of these modes, it is to be shown that our proposed configuration can be used in the optical lithography, especially for the thin-film patterning methods. Feasibility is tested by coating a dielectric layer on the gold layer in the ATR configuration.     

一种新型表面等离激元波导系统

提出了一种新型表面等离激元波导系统,并对其模式特性和对纳米微粒产生的光学力进行了研究。采用有限元软件(COMSOL)对该系统进行了数值模拟和理论分析,发现在该结构纳米级的间隙中可以形成深亚波长电磁能量的束缚。由于双波导结构之间强烈的耦合作用,相比于已有的一些表面等离激元波导,光学力至少提高了一个数量级,达到了4 200fN/W以上,同时被捕获粒子的局域范围仅有几十纳米。该波导系统可以用于强力、高精度纳米级光镊的设计和研究。     

Imaging and Analysis of THz Surface Plasmon Polariton Waves with the Integrated Sub-wavelength Aperture Probe

We demonstrate that the integrated sub-wavelength aperture probe designed for THz near-field scanning probe microscopy can be used to map surface plasmon waves at THz frequencies. Observed near-field images of metallic patterns reveal surface plasmon waves superimposed over THz transmission images. We discuss the coupling mechanism for the surface waves and arrive to an important conclusion that the detected surface wave images represent the spatial derivative of the surface plasmon electric field. The relationship between the electric field and the measured signal is confirmed experimentally by mapping surface waves in bow-tie antennas. This study explains previously observed effects in THz near-field microscopy and provides a framework for analysis of near-field images.     

波导型表面等离子体共振传感器传感特性计算

介绍了集成波导型表面等离子体共振传感器工作原理和基本结构,用传统波导模式的分析法结合表面等离子体波的色散方程,计算集成波导型表面等离子体共振传感器理论模型的共振波长。通过基于菲涅耳方程的解析分析,得到了含有表面等离子体共振吸收峰的透射谱。通过比较不同折射率被测物的透射谱,粗略确定了集成波导型表面等离子体传感器的检测范围。     

基于表面等离子波耦合的流体波导光栅耦合器

提出了一种由金属光栅和流体光波导结构组成的,基于表面等离子波耦合的光栅耦合器。利用光栅的衍射效应,将金属光栅与介质分界面之间产生的表面等离子波耦合到流体光波导中,并且能够沿着流体光波导稳定地向前传播。通过采用基于有限时域差分算法的FDTD Solutions软件对光栅耦合器进行了参数优化及特性分析,通过优化使该结构在650 nm波长下的耦合效率达到56%。此外,由于该结构对TE偏振光和TM偏振光的选择比达到70∶1,因此具有偏振器的功能。同时由于TE偏振光耦合频谱的频带宽度仅为20 nm,该结构还具有窄带滤波的作用。此外,还研究了光栅结构参数、入射角以及流体折射率对耦合频谱的影响。     

Frequency-Dependent Locally One-Dimensional FDTD Implementation With a Combined Dispersion Model for the Analysis of Surface Plasmon Waveguides

The implicit finite-difference time-domain (FDTD) method based on the locally one-dimensional scheme is extended to the frequency-dependent version for the analysis of the Drude-Lorentz model. The piecewise linear recursive convolution method is introduced, in which a large time step can be utilized. Analyses of a metal-cladding optical waveguide supporting a surface plasmon polariton reveal that the present method provides wavelength responses comparable to those of the explicit FDTD, while reducing the computational time to less than 50%.     

10 Gbps Optical Signal Transmission via Long‐Range Surface Plasmon Polariton Waveguide

We demonstrate 10 Gbps optical signal transmission via long‐range surface plasmon polaritons (LR‐SPPs) in a very thin metal strip‐guided geometry. The LR‐SPP waveguide was fabricated as a 14 nm thick, 2.5 μm wide, and 4 cm long gold strip embedded in a polymer and pigtailed with single‐mode fibers. The total insertion loss of 16 dB was achieved at a wavelength of 1.55 μm as a carrier wave. In a 10 Gbps optical signal transmission experiment, the LR‐SPP waveguide exhibits an excellent eye opening and a 2.2 dB power penalty at 10^?12 bit error rate. We confirm, for the first time, that LR‐SPPs can efficiently transfer data signals as well as the carrier light.     

折叠波导色散的场论解

运用弗洛奎定理和基于场匹配的模式分析法,推导出折叠波导场方程组的表达式,并据此求得色散曲线,与MWS的运算结果做了比较。     

盘荷波导慢波结构色散特性的变分分析

盘荷波导慢波结构可以看成由无数多个波导不连续性组成，每个波导不连续性可用一个T型网络描述，其参数能用变分方法得到，再根据无耗的四端微波网络理论，可以得到这种慢波结构的色散方程，因此本文得到了一种用于计算盘荷波导慢波结构色散特性的变分法。该变分法获得的色散特性结果与用场匹配法和HFSS模拟获得的结果符合得比较好。     

折叠波导结构的THz振荡辐射源研究

 以折叠波导为基本结构的真空电子器件,具有大功率、宽频带和制造成本低的优点,本文通过深入研究折叠波导振荡器的冷腔结构、色散方程和耦合阻抗,给出了可以产生THz的折叠波导振荡器的基本结构.并利用三维PIC粒子模拟软件进行了三维模拟计算,结果显示,在输入电子注电压为20.6kV,电流为0.12A,磁场为3000高斯时,可得到频率为0.1THz,平均输出功率174W,互作用效率大于7%.