半导体激光器、集成光学激光器

半导体激光器、集成光学激光器

一、半导体激光器、集成光学激光器(论文文献综述)

祝莉娜[1](2021)在《1.3微米波段硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点微环激光器及其集成结构的设计优化研究》文中研究表明随着通信技术和微电子工艺的发展,高吞吐量系统不断增长的需求成为现代数据中心和数据行业的一大难题。以硅光子技术为基础的硅基光互连具有低成本、低功耗且与标准互补金属氧化物半导体工艺兼容的优点,是实现高吞吐量系统的最有前途的方法之一。近年来,实现硅基片内光互连的关键是发展低功耗、低阈值的微型激光器,1.3微米波段的硅基InAs/GaAs量子点激光器凭借工作寿命长、效率高以及阈值电流低等优点成为研究的热点。在硅基激光器片上集成的方式中,硅基单片集成相比于混合集成方式具有较低的封装成本,并且能够与硅光子工艺同步缩小线宽,有利于实现高集成度、可靠的光互连系统。此外,硅基光电集成的规模化发展对激光器的体积以及功耗也提出了非常高的要求。回音壁模式微腔激光器如微盘、微环激光器等利用弯曲边界上的全内反射效应实现了对光的强限制,有利于实现低阈值、小体积、高集成度的片上集成光源,具有非常广阔的应用前景。然而,完整回音壁模式微腔激光器中存在多个模式,不容易实现单模激射,并且微腔边界的圆对称性和全内反射效应限制了激光的定向输出,不能满足光电子信息领域对半导体激光器的输出光功率的要求。基于上述研究背景,本论文开展了1.3微米波段硅基单片集成III-V族量子点微环激光器及其集成结构的设计和优化研究,具体工作及研究成果如下:(1)提出了一种连接III-V族径向波导的1.3微米波长直接外延硅基微环激光器结构。通过在微环腔边缘连接一个III-V族径向波导,打破了圆形微腔中光发射的各向同性,提高了微腔激光器的单向发射性,并且微环内壁的引入对腔内一系列谐振模式有较好的抑制作用。基于三维时域有限差分法分析了微环激光器的光学模式,并且优化了激光器的材料结构和器件结构,得出当微环腔外半径为3.5 μm,微环宽度为1.0 μm,材料包层厚度为1.5 μm,器件刻蚀深度为3.735 μm以及波导宽度为0.5 μm时,微环激光器能够在1302.43 nm波长处实现品质因子高达20093.6的单模激射,并且微环激光器与III-V族波导之间的光耦合效率约为47.8%。(2)提出了一种与锥形硅波导径向耦合的多波长硅基微环激光器阵列结构。多个微环激光器以相同的边缘间隔按一字排列,硅波导与激光器有源层对准且与微腔之间有一定的耦合间距。在固定微环宽度为1.0 μm的情况下,利用三维时域有限差分法研究了微环半径对模式波长的影响,得到当微环外半径为2.7~3.9 μm时,模式波长范围为1289.29~1307.28 nm,波长间隔均约为3 nm。此外,还对锥形硅波导的宽度、厚度进行了数值优化,得到当锥形硅波导输入和输出端口的宽度分别为1.0 μm和0.3 μm,波导厚度为0.435 μm,锥长为25 μm,耦合间距为0.1 μm时,外半径为3.5 μm、微环宽度为1.0 μm的微环激光器与锥形硅波导之间可实现约20%的光耦合效率。(3)提出了一种基于切角微环激光器与锥形硅波导的硅基片上集成方案。采用三维时域有限差分法对微腔的切口宽度进行了数值优化,得出对于外半径为3.5 μm,微环宽度为1.0 μm的微环激光器来说,当切口宽度为2.0 μm时,激光器能在1308.86 nm波长处实现品质因子高达1.9×105的单模激射,并且激光器沿切口方向具有较好的单向发射性,平面内的远场发散角约30°。此外,还研究了切角微环腔与锥形硅波导之间的耦合间距对光耦合效率的影响,得出当锥形波导输入端口为2.0 μm,锥长为25 μm,波导厚度为0.435 μm,耦合间距为0.1 μm时,光耦合效率为11.3%,同时在截面尺寸为435×300 nm的波导输出端口能够观察到基模。

张林波[2](2021)在《超窄线宽激光工程化关键技术》文中研究说明超窄线宽激光又称为超稳激光,是相干性最好的激光。超窄线宽激光在高精度时间频率信号的产生和传递中发挥着非常重要的作用。作为光钟三个组成部分之一的超窄线宽激光,常被称为钟激光,用于钟跃迁信号的探测,其频率稳定度决定了光钟的中短期频率稳定度。超窄线宽激光和飞秒光梳相结合,可以产生超稳光生微波源,减小Dick效应对铯原子喷泉钟的影响,提高现行基准钟的频率稳定度。同时超窄线宽激光作为高精度光纤光学频率传递装置的光源,是提高光频信号传递精度的可靠保障。此外,超窄线宽激光在量子光学、超精密光谱、引力波探测、基本物理量测量等领域都有着广泛的应用。目前,中国科学院国家授时中心承担了921空间站锶原子光钟以及“十三五”高精度地基授时系统两大重要的工程研制项目。本文主要研究内容围绕上述工程任务开展,以超窄线宽激光为研究对象,研究了空间外腔半导体激光器关键技术,高控制带宽的自动稳频关键技术和空间集成光学系统关键技术。论文主要研究内容和创新点如下:(1)698 nm外腔半导体激光器作为空间超窄线宽激光系统的光源,是系统最重要的关键器件之一。商用半导体激光器的体积、重量以及空间环境适应性等方面都无法满足空间超窄线宽激光系统的需求。研制了使用窄带干涉滤光片选模,具有“猫眼”结构的新型可调谐抗振外腔半导体激光器,并通过力学试验对其环境适应性进行验证。国内首次面向空间光钟应用需求,设计研制了基于干涉滤光片的外腔半导体激光器,突破了空间超窄线宽激光研制的一项关键技术。理论分析研究了基于干涉滤光片选模和“猫眼”结构外腔对压窄激光线宽,提高激光器的抗振动能力的特性。在此基础上,设计了一种新型的机械结构,研制的激光器体积小巧、结构稳定,没有任何弹性加载的可调节装置。激光器自由运转时的线宽达到了180 k Hz,在1~10 s内的频率稳定度小于1×10-9.基于有限元方法,对激光器进行了模态分析以及重力环境下的形变分析,激光器的一阶共振频率为2316 Hz,大于基频70 Hz的要求。对激光器进行了空间应用系统有效载荷环境试验要求(鉴定级)半量级的力学环境试验。试验前后激光器输出激光的光斑形状、波长以及输出光功率等主要性能的变化满足设计要求。试验表明,激光器能够抵抗450 g的加速度冲击的要求。(2)针对空间超窄线宽激光在轨运行时无人值守的特点,开展了激光自动稳频实验研究。首次实现了一种基于模拟电路和数字电路相结合的激光自动稳频系统,创新性地提出一种激光频率自动锁定算法。为了获得较快的控制速度,稳频系统的核心为模拟PID电路,所有参数调节通过数字电路以及程序由微控制器来实现。通过优化锁定算法,实现了自动锁定以及失锁后重新锁定的功能。自动稳频系统实现了高达2 MHz的控制带宽,能在不到4 s时间内判断激光器失锁并实现激光频率的重新锁定。经过4 000多次的重复实验,每一次激光频率失锁后都可以实现自动重新锁定。(3)面向空间应用的超窄线宽激光受系统资源条件的限制,其重量、体积等因素是必须考虑的,同时还需要考虑发射过程中振动、冲击的影响以及从地面到空间微重力环境下光路板的形变影响等。针对以上影响因素,对实验室超窄线宽激光光学系统进行了小型化设计,创新性的提出了采用结构拓扑优化设计的方法对集成光学平台进行优化的方案。在此基础上开展了空间超窄线宽激光电性能件光学系统的设计,所有光机组件通过小型化、模块化设计,集成在一块310mm×210 mm光学基板两侧。通过力学仿真分析,光路板在重力的影响下最大形变量仅为0.36μm,初步满足了空间应用要求。解决了小型化、高稳定性、高精密光束指向等空间集成光学关键技术难题。对空间窄线激光器电性能件的指标进行了初步测试,激光器线宽约4.6 Hz,频率稳定度优于3.5×10-15/s.(4)开展了应用于高精度光纤光学频率传递的1550 nm超窄线宽激光工程化研究。面向可移动、可搬运以及电信机房环境的应用,对光学模块、物理模块、电路模块进行了小型化、集成化优化设计。整个系统集成在19寸6 U隔音机箱内,质量小于30 kg.解决了光学参考腔振动敏感度优化,系统集成等关键技术问题,为通讯波段的超窄线宽激光工程化奠定了坚实基础。本文的研究工作解决了可移动、可搬运以及未来面向空间应用的超窄线宽激光工程化所面临且迫切需要解决的关键问题,为未来空间原子频标的产生和高精度光纤光学频率信号的传递奠定了基础。

汪帅[3](2021)在《集成光学微腔中模式成像与微纳传感研究》文中进行了进一步梳理光学器件的尺寸朝着小型化不断发展,在降低功耗的同时能够带来性能的提升。伴随微纳加工技术的成熟,集成光学微腔成为研究热点。得益于能够实现高品质因子和极小的模式体积,其在微纳激光器、滤波器、传感器等光通信领域具有广泛的应用。然而在腔内模场成像、提升品质因子、实现激光定向出射及微纳结构传感成像等方面,传统研究手段存在成本高、稳定性低、可控性差等不足。针对上述问题,本论文提出了新的成像机理和模式调控方法,其可行性在理论和实验上分别得到了验证和研究。针对光学微腔中的模场成像,提出了基于非辐射复合的热效应成像机理。通过纳秒激光泵浦集成微腔表面,利用热效应引入局部折射率的改变,并将光斑处的光场强度与探测波长处的透射光功率的变化建立起联系,从而实现模式成像。在实验上成功分辨出圆形谐振腔内不同径向阶数的回音壁模式,证实了方案的可行性。在复杂的变形微腔中,实现了对四套不同光场分布模式的扫描成像,并观测到可逆的量子辅助隧穿现象。为了进一步提升微腔的品质因子,提出了基于变形微腔的模式耦合的方案。通过对Quadruple变形微腔进行本征值求解,发现腔内的钻石型模式和六次反射模式在频率交叉处发生相互作用,并使后者品质因子急剧增加。为了验证理论的准确性,在实验上制备出硅基变形微腔,并利用上述的光场成像技术确定出耦合的两套模式,进一步观测到六次反射模式在耦合点处品质因子急剧增加的现象。通过测量谐振腔在耦合点和其它波长处辐射的远场强度分布,分析出模式耦合提高品质因子的原因。为实现可见光波段集成激光器的定向出射,提出了在钙钛矿单晶片上制备出圆腔波导耦合结构。在飞秒激光泵浦下,圆形微腔形成回音壁模式激光并沿着波导出射。基于激光谐振峰的模间距和圆腔尺寸的反比关系,排除了由波导形成法布里-珀罗模式激光的可能,进一步证明了波导两端出射的激光源于钙钛矿圆形微腔。在远离波导的圆腔外部引入一个变形微腔,对圆腔内部顺时针和逆时针传输的电磁场分量产生调控效果,实现了激光从波导的单向出射。为实现对微纳结构的传感探测,提出了有源微腔的超分辨成像方案。以钙钛矿单晶片为载体,利用待测结构将钙钛矿出射的激光散射至远场,采集远场图像实现对待测结构的实时成像。通过消除背景中的荧光信号干扰,实现了高达9 d B的成像信噪比。测量一对靠近的聚苯乙烯小球,有效地分辨出41 nm的间距。将钙钛矿单晶片转移至硅基超结构上,实现对百余根硅纳米线的大视野范围超分辨成像。提取微纳结构的散射激光强度分布,计算出待测阵列结构的周期平均值,与电子扫描显微镜的测量值对比,误差不超过5 nm。详细讨论了单晶片不同区域、厚度以及摆放位置对测量结果的影响,验证了有源钙钛矿微腔超分辨成像的可靠性。本文的研究工作不仅为微腔内的模式成像提供了新手段,而且对光学微腔在片上集成光学系统中的应用提供了重要参考价值。

赵浩[4](2021)在《硅基单片集成芯片中Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器输出光耦合结构的研究》文中研究说明随着数字化进程的推进,高速信息传输与海量数据存储成为人们日益增长的需求。硅基光子学可以通过CMOS制造工艺实现低成本、低功耗、高良品率的大规模光子集成,为突破计算性能瓶颈和提高信息传输速率提供理想的解决方案。目前,硅基单片集成长波长量子点激光器的寿命已达到商用标准,同时硅光子平台提供了低损耗的无源器件以及带宽不低于30GHz的高速光电调制器和光电探测器,将这些共用同一硅衬底的激光器与在CMOS工艺线上制备出的硅基光子集成芯片进行耦合更为迫切地摆上硅基光子学的研究议程。但是,由于硅基边发射激光器输出的光场模式与标准硅光子波导的模式之间存在较大失配,同时此类激光器的出光位置与硅光子器件平面没有共面,导致硅基激光器无法与硅基光子集成芯片实现高效耦合。本论文工作围绕国家重点研发计划重点专项课题和北京市科技计划课题展开,针对硅基激光器与硅基波导之间的耦合问题,提出了一种硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅上氮化硅基(SiN-on-Si)光耦合结构的单片集成方案并进行了实验论证。主要研究成果和创新点如下:(1)设计了一种与CMOS工艺兼容的新型硅基单片集成芯片中Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器输出光耦合结构。该结构包括SiN基锥形边缘光耦合器和基于超材料结构的SiN基层间定向光耦合器两部分,其垂直耦合距离为1.4 μm,总耦合长度为32.72μm。仿真表明,1550 nm边发射激光器输出光耦合到底部SiN基波导的总耦合效率为-8.92 dB,其中SiN基锥形边缘光耦合器的耦合效率为-3 dB,SiN基层间定向光耦合器的耦合效率为-5.92 dB;整个光耦合结构的1 dB光学工作带宽约为131 nm。该结构的优势在于:在满足较大垂直耦合距离要求的前提下,能够基于较小的总耦合长度,将插入损耗控制在可接受的范围内,并具有较宽的光学工作带宽。(2)完成了上述光耦合结构的制备与实验测量。基于常规外部光源的测量表明,1550 nm边发射激光器输出光耦合到底部SiN基波导的总耦合效率为-9.5 dB,其中SiN基锥形边缘光耦合器的耦合效率为-3.4 dB,SiN基层间定向光耦合器的耦合效率为-6.1 dB;整个光耦合结构的1 dB光学工作带宽大于58.1 nm。除带宽指标外,器件的测量结果与仿真结果吻合较好。带宽吻合度差有可能是电子束光刻时的齿宽误差所致。基于片上光源(主模波长为1545.34 nm)对SiN基锥形边缘光耦合器的测量表明,其耦合效率为-4.1 dB,较之基于常规外部光源的测量结果为低,造成这一差别的因素较多,包括片上光源工作在多纵模状态、且其主模波长偏离设计值;片上光源与该边缘光耦合器的横模模场尺寸不匹配,以及两者之间缝隙填充材料的参数与设计时的参数不相符合等。但从总体上看,实测结果已经证明了该光耦合结构的可行性。上述实测条件和仿真模型参数的吻合问题有待在后续研究中予以解决。进一步的分析还表明,该光耦合结构的性能仍有提升空间。

李玲琪[5](2021)在《飞秒激光诱导晶体折射率改性及功能波导结构制备》文中认为光波导作为集成光子学的基础元件,是由低折射率材料围绕着高折射率材料所形成的光学结构,通过腔内全反射将光波限制在微纳级尺寸内进行无衍射长距离传输,同时空间上达到很高的能流密度。因此基于光波导结构的光学器件具备更优异的性能,比如激光阈值更低,非线性频率转化效率更高。根据光波导对光束的空间限制维度,可以分为一维光波导(平面型),二维光波导(通道型)和三维光波导。因其优异的微纳级尺寸及灵活多变的形态结构,比如弯曲型,分支型,环型等,可以实现对光束传输的需求性空间调控,更有利于“对接”集成光学、光通讯中的其他光学元件,从而构建出高度集成化,功能多样化并且性能优异的“集成光子芯片”,推动光信息技术向微小型、高性能的方向发展。最近,基于波导结构的集成量子光子回路为量子随机游走和光子轨道角动量的高保真传输提供了重要芯片载体,在光通讯和量子信息领域扮演着重要角色。介电晶体材料是光波导的理想基质,由于其长程有序、种类丰富并且功能各异,被广泛应用于非线性光学与量子光学等多个领域。例如,激光晶体是一种理想的增益介质,被广泛应用于固态激光系统中;非线性晶体利用倍频、和频、参量下转化等方式可实现激光频率的变化和扩展,这是玻璃、硅基材料等很难实现的。基于此类功能型介电晶体材料,结合紧凑的光波导结构,可以实现高度集成化的多功能光子学器件。目前基于晶体材料的波导结构主要集中于一维直通结构和二维分束结构,探索并制备出高质量、低损耗的新型晶体光波导结构在集成光子学、量子光学等相关领域具有重要的应用前景。飞秒激光直写技术是一种能够在透明介质内部实现三维精密加工的单片元件制备方法。飞秒激光在焦点处具有极高的峰值功率,可以深入透明介质内部诱发强烈的多光子吸收和遂穿电离,实现“真三维”加工,其精度可以超越光学衍射极限。此外,飞秒激光较短的脉冲宽度,可以显着抑制热影响区的形成,提供了亚微米乃至纳米尺度加工的空间分辨率。飞秒激光微纳加工技术还具备多功能集成的灵活性,适用于绝大多数透明材料。飞秒激光直写晶体光波导,主要是采用紧聚焦的强光场在晶体材料内部焦点区域引发非线性吸收,产生高密度的等离子体波,诱导局域化的折射率改变,形成光波导。按照晶格损伤程度的不同,折射率改性主要分为两类,对于玻璃等非晶各向同性介质,激光在焦点作用区修饰折射率增大,写入区即为波导区;对于晶体等各向异性介质,激光在辐照区产生折射率减小的写入痕迹,同时由于应力场改变引起周围区域折射率增大,形成波导区。飞秒直写技术制备的光波导结构性能优良,低传输损耗且模式可调控。最为重要的是飞秒激光强大的三维微纳加工能力,可通过调节写入参数(脉冲能量、重复频率、扫描速率、聚焦条件等)直写出任意所需形状的波导结构,使其在光学与光电子学应用中占据重要地位。本论文的主要内容基于功能型介电晶体材料,利用飞秒激光直写技术设计并制备出不同类型的光波导结构,并对其导波和相关性能进行测试及表征,进一步探索基于这些光波导结构的激光特性和非线性光学过程。根据所制备的光波导结构类型以及晶体材料功能的不同,可以将本论文的主要研究内容和结果归纳如下:利用飞秒激光直写技术在非线性晶体钽酸锂(LiTaO3)中,制备了 Ⅰ类单线和多线光波导、横向双线光波导以及三维类光晶格导波分束器。首先研究了制备波导的影响因素(脉冲能量、扫描速度及聚焦深度),调控写入参数,实现了由Ⅰ类折射率升高型到Ⅱ类折射率降低型的转变。基于Ⅰ类折射率升高型改性,制备了不同扫描速度及脉冲能量的单线型光波导,支持ne方向上的导波传输,在633 nm下插入损耗低至1.39dB。结合多次扫描技术,制备了可裁剪模式的对称型多线光波导,在通信波段1550 nm下展示出良好的导波传输。利用在MgO:LiTaO3晶体中出现的多焦点现象,结合多次扫描技术,制备了支持TE模式传输的单通道和多通道型横向双线光波导,探究了脉冲能量及写入深度对导波特性的影响,利用共聚焦显微拉曼技术分析了多焦点现象所造成的周期性晶格损伤。基于Ⅱ类折射率降低型改性,在特定位置引入同轴缺陷,对光束传播进行引导和限制,达到光束模式调制的效果。在近化学计量比的MgO:LiTaO3晶体中成功制备了二维(1×2分支)和三维(1×3和1×4分支)光波导分束器,在近红外波段1064 nm均支持基模无偏振输出,且分束比接近1:1,具有优异的导波分束性能。基于以上工作,表明了飞秒激光微纳加工技术是一项灵活的真三维加工方法,为微光学和光子学等单片元件的制备与多功能集成提供了崭新途径。利用全飞秒激光加工技术在非线性晶体x切铌酸锂(LiNbO3)中,制备了脊型光波导及二维Y分支导波分束器。区别于需要结合离子注入及金刚石刀切割等多种加工工艺的传统脊型光波导制备方法,创新性的采用高能量飞秒激光烧蚀以及低能量飞秒激光改性相结合的加工方式,运用烧蚀空气凹槽和低折射率限制层形成较大的光波导折射率差值,实现长波段下的导波限制。在中红外波段4 μm下该波导支持no偏振下的基模传输,传输损耗为3.58 dB/cm。对波导的折射率分布和传输模式进行了重构,与实验结果相一致。基于此结构,制备了 Y分支(1×2分支)分束器,在4μm下能量分配比接近1:1,分支损耗在0.6dB以下。扫描电子显微镜(SEM)结果表明激光烧蚀侧壁的粗糙度约为2 μm,后期可以结合化学酸腐蚀加以优化。本工作利用全飞秒激光加工技术,使脊型光波导的制备一步到位,对于飞秒激光加工微小型波导器件具有重要的借鉴意义。利用飞秒激光直写技术在锗酸铋(BGO)晶体中设计并制备了弯曲型环形及双线通道光波导。基于Ⅰ类折射率升高型变化,环形光波导的导波中心位于由写入痕迹长度所围成的环形区域中,模态分布呈晶格状分布。基于Ⅱ类折射率降低型变化,加工了弯曲型双线光波导。我们制备了具有不同横向偏移曲率(50、100和150 μm)的三种S型光波导。环形光波导在1550 nm下,展示出TE和TM偏振下优异的导波性能,弯曲损耗不超过0.7dB。利用重构的折射率变化模拟出了三种弯曲型波导的模式分布和光束传输演化,与实验结果相吻合。双线光波导在中红外波段4 μm下,支持良好的TM偏振导波传输,传输损耗低至1.53 dB/cm,弯曲损耗小于~0.85 dB。该工作表明了飞秒激光直写技术具有高精度加工的灵活性,为复杂集成量子芯片的制备提供了技术支持。利用飞秒激光直写技术在激光晶体掺钕铝酸钇(Nd:YAP)中制备了弯曲型的类光晶格和包层光波导,并实现了双波长超高重频的脉冲波导激光。两种弯曲型光波导在1064 nm下均展示出优异的导波性能,传输损耗低至0.64 dB/cm并且弯曲损耗不超过0.6 dB。微荧光测试实验表明在波导区域Nd3+的荧光特性得到良好保存,具备成为激光增益介质的潜力。在813 nm的激光泵浦下,在弯曲程度为100 μm的光波导中实现了基频为7.9 GHz的调Q锁模脉冲激光,增大泵浦激光功率,得到了四次谐波高达31.68 GHz的超高重频脉冲激光,脉冲宽度低至16ps,信噪比高达60dB。产生的1064nm和1079nm双波长激光会随泵浦光的偏振方向变化发生周期性的改变,可以根据实际需求实现单波长(1064或1079 nm)和双波长(1064和1079 nm)的变换输出。该工作表明了飞秒激光加工的弯曲型光波导结构在微小型集成激光光源领域有潜在的应用前景。利用飞秒激光直写技术在周期性极化的掺镁钽酸锂(PPMgSLT)晶体中制备了包层光波导,实现了高效的532nm绿光倍频和可调谐紫光(400nm左右)倍频。选用的是Fan-out(扇形)周期反转畴结构,具有连续变化的极化周期。在1064→532nm的绿光倍频中,极化周期变化范围为7.5-8.2μm。制备了七条光波导,最低的插入损耗低至0.54 dB(1064 nm),对应不同极化周期。利用连续和脉冲1064 nm激光对七条光波导进行温度调谐准相位匹配实验,得到了准相位匹配温度与极化周期的关系,最大归一化转化效率为3.55%/(W·cm2)。在800→400 nm的紫光倍频实验中,极化周期变化范围为7.5-8.2μm,利用可调谐钛宝石激光器,进行波长调谐和温度调谐实验,研究了准相位匹配温度和波长与极化周期的依赖关系。对于特定周期的波导,在不同晶体温度下改变泵浦基频波长,得到了 396-401 nm的可调谐紫光输出,在准相位匹配温度下,实现了 0.37 mW的397.2 nm紫光输出,对应的归一化转化效率为0.39%/(W·cm2)。此工作表明飞秒激光直写光波导是制备集成光学系统中高效导波频率转化器件的方法。

程方圆[6](2021)在《基于倒脊型SU-8波导的热可调谐布拉格光栅滤波器研究》文中进行了进一步梳理近年来,互联网中高清视频业务在5G技术的加持下得到了迅猛发展。移动电子产品普及率极高,互联网中网络带宽的需求量也与日“巨”增,随之而来的是传统的电子通信面临巨大的挑战。为了促进技术的不断发展,人们将目光投向了集成光学。为了提高光通信系统的灵活度,可调谐器件一直是研究者研究的热点。聚合物材料的热光系数性能良好,本文基于聚合物波导在热调谐滤波技术方面开展了相关研究。从器件结构整体的设计思路出发,以及对后续的实验制备流程的考量,选择了倒脊型结构的传输波导。首先对倒脊型SU-8波导进行了单模条件的分析与确定。通过耦合模理论法对布拉格光栅结构的工作原理进行了详细的分析论述,进而在确定的单模倒脊型SU-8波导结构上设计布拉格光栅结构。本文的主要内容如下:1、设计并实现了一种基于1550 nm波段的倒脊型SU-8波导热可调布拉格光栅滤波器。基于上述设计思路进一步确定器件的参数,在参数确定后进行实验制备,并对倒脊型SU-8波导的制备工艺进行了探索。据实验测试结果显示,倒脊型SU-8波导热可调布拉格光栅滤波器与仿真结果一致程度较高:理论设计中滤波器的消光比为28 dB,热调效率为-0.1 nm/K,3 dB带宽1.2nm;实验室制备结果的滤波器的消光比可达28dB左右,热调效率-0.064nm/K,3 dB带宽1 nm,实验室结果较好地验证了理论仿真结果。2、针对水下光通信所采用的“透明窗口”一一可见光蓝绿波段,设计了一种工作于可见光蓝绿波段的倒脊型SU-8波导热可调布拉格光栅滤波器,并对该器件进行了制备工艺方面的探索。可见光蓝绿波段倒脊型SU-8波导热可调布拉格光栅滤波器得到了良好的设计结果,消光比达32.5 dB,热调效率-0.032 nm/K,3 dB带宽50pm。

许正英[7](2020)在《周期电磁结构波导机理与应用研究》文中进行了进一步梳理随着物联网、5G通信、人工智能和高性能计算等信息技术的兴起,高速率、大容量、低损耗的光子集成回路(PIC)已成为各类新型信息系统的技术基础,各种功能光子集成器件(PIDs)不断涌现。PIDs功能的拓展和性能的提高与波导材料及结构密切相关。周期电磁结构(PEMS)波导具有结构设计灵活、材料选择多样、电磁操控能力强等优势,为小尺寸、高性能、大规模集成PIDs的实现提供了新的技术途径。论文将PEMS波导和先进波导材料相结合,研究紧凑型多功能偏振控制器和片上集成波导激光器。首先,论文阐述了PEMS波导的基本工作原理,推导了耦合模方程的一般形式并给出了重要参数的解析式;分析讨论了亚波长PEMS波导等效折射率及模式特性;介绍了常用的数值分析方法,为后续PEMS-PIDs的设计和研究工作奠定基础。其次,论文针对绝缘体上硅材料平台中偏振敏感问题展开研究,提出并优化设计了三种新型PEMS偏振控制器。基于水平槽波导光栅辅助反向耦合器结构的TM通过/TE功分偏振分束器长14μm,中心波长处TE和TM模式的消光比分别为38.4 dB和20.9 dB;基于三波导混合等离子体光栅辅助反向耦合器结构的TE模式起偏器长16.48μm,工作带宽为270 nm;基于交替排列亚波长光栅结构的TM模式起偏器长5.2μm,插入损耗低于0.32dB消光比高于20 dB的带宽为155 nm。与现有光子集成偏振控制器方案相比,上述三种PEMS偏振控制器方案优势明显。然后,论文研究了基于碳系材料的PEMS偏振控制器。提出了一种基于绝缘体上金刚石材料平台的亚波长光栅辅助定向耦合器型偏振分束器,器件长22.2μm,工作带宽覆盖整个O波段;提出了一种基于石墨烯/SiO2多层膜堆栈结构的PEMS超构材料TE模式起偏器,其中心波长处的插入损耗和消光比分别为0.228 dB和15.99 dB,工作带宽为60 nm。接着,论文提出了一种片上分布式布拉格反射铒镱共掺Al2O3波导激光器技术方案,由弯曲增益波导和对称排列的布拉格光栅构成,具有结构紧凑、制备工艺简单的优势;采用磁控溅射法制备了铒镱共掺Al2O3薄膜,探究了不同退火温度对薄膜的影响,研究表明,退火温度为850℃时,薄膜的表面形貌、结晶程度、晶格结构和光致发光强度最佳。最后对论文的研究内容和结论进行总结,并对后续工作进行展望。

吕桓林[8](2020)在《近红外波段聚合物基微环谐振器的研究》文中进行了进一步梳理近年来,集成光学在光通信和传感领域发挥着重要的作用。用于制备平面集成光路的聚合物材料引起了人们的兴趣,它们为光子元件和集成光学器件制造开辟了新时代,具有极高的透光性、机械和化学稳定性以及低成本生产的潜力。平面光波导微环谐振器作为集成光子器件受到了广泛的关注,具有体积小、容易与光学和流体器件集成等优点。为了将光限制在微环谐振器中,人们使用了多类材料,如二氧化硅、绝缘体上硅、氮化硅、玻璃和聚合物。聚合物材料常用于制备微环谐振器,其具有比半导体材料更大的化学柔性,更容易调节折射率。与硅基材料所需的化学或物理沉积和干法刻蚀工艺相比,聚合物波导的制备工艺更简单,且在可见光范围内是透明的,因此可以扩展集成传感器的工作窗口。在红外波段的聚合物微环谐振器已经有大量的研究,然而,在可见光或该波段附近,水的吸收比近红外波段低2000倍左右,且在这一波段有低成本的光源,聚合物基光子器件的发展面临着紧迫的需求。本文基于聚合物材料,对工作于近红外波段(890 nm)的多模干涉耦合结构微环谐振器和狭缝波导微环谐振器进行了研究:(1)聚合物基微环谐振器以其高Q值、低成本、易加工等优点,引起了人们的广泛关注。在低成本、易制备的聚合物平台上,制备了基于50:50分光比的多模干涉耦合微环谐振器。为了减小微环谐振器的总损耗,利用束传播法对多模干涉耦合器的结构和微环半径进行了模拟和优化。对于传统的压印技术,通常采用刻蚀硅和金属来制造硬模。然而,刻蚀过程会导致表面粗糙度问题,从而增加波导的散射损耗。因此,我们使用了紫外软压印光刻技术。为了避免刻蚀过程,使用SU8-2材料利用光刻技术在硅衬底制备了母版模。在复制过程中使用PFPE复合材料模具,在不施加压力的情况下而保持较高的分辨率和逼真度。采用在近红外波段透光性好、成本低的聚合物Ormocore为芯层,通过优化Ormocore与稀释剂maT的配比,制备出几乎没有残留层的器件。制备的器件Q因子高达23000,在生物传感应用方面具有巨大潜力。(2)狭缝波导是一种能将光限制在低折射率材料区域的特殊结构,此特性使狭缝波导在传感应用中极具吸引力。通常情况下,狭缝波导是由工作在近红外波段的半导体材料制备而成。本研究利用聚合物材料制备狭缝波导,提出并设计了工作在近红外波段(890nm)的聚合物基微环谐振器。对狭缝波导的模态特性进行了详细的分析,分析了折射率传感灵敏度与波导高度、宽度和狭缝宽度的关系。传统的弯曲缝隙波导具有较大的传输损耗,对微环的品质因子和消光比有较大的影响。为了减小弯曲损耗,设计了非对称波导结构,使模场在狭缝波导中央传输。为了提高条形-狭缝波导的耦合效率,引入了一种多模干涉结构的模式转换器。仿真结果表明,所设计的微环谐振器的灵敏度可达109 nm/RIU。采用电子束曝光技术制备了硅基母版模。利用独特的聚合物全氟聚醚PFPE从硅母版模上成功地复制了柔性软模具。利用紫外软压印技术制备了狭缝波导,狭缝波导具有较高的高宽比,并与低成本的生产工艺兼容。

黄灿[9](2020)在《钙钛矿基微纳激光器及其调控研究》文中指出现代信息技术一个重要发展趋势是器件的小型化、低功耗、以及工作速度的提升。半导体激光器在实际应用和科学研究中均扮演着重要角色,近年来,关于半导体激光器的小型化研究取得了很大进展。然而到目前为止,在实用层面上微纳激光器件仍面临较大的光损耗、较高的激光阈值等问题。为实现可应用层面的微纳激光器,对于寻找高增益、低损耗的新型半导体材料以及更合理的腔体设计的研究一直在进行。近年来,卤化铅钙钛矿半导体在光伏器件领域异军突起,在可见光波段,卤化铅钙钛矿材料作为一种理想的激光增益材料用于制备微纳激光的研究目前已经取得一些进展。然而,目前对钙钛矿微纳激光器的研究仍然有很大提升空间。为此本论文从材料光学性能、腔体优化设计、以及激光发射时域调控等方面展开进一步研究,实现了卤化铅钙钛矿微纳激光器的性能的进一步提升:(1)从增益材料角度出发,针对卤化铅钙钛矿单晶材料中的激子效应不够显着、缺乏机械柔性以及不易于其他光学平台集成的特点,本文首先介绍了制备钙钛矿纳米薄片的溶液合成法以及化学气相沉积法两种制备方法。在测量利用溶液法合成的少层钙钛矿的线性光学性质时发现其吸收和光致发光光谱相对三维钙钛矿均明显蓝移,且蓝移量与材料层数紧密相关,从而证实了量子限域效应和介电屏蔽效应对材料能带的影响。其次,在研究其三次谐波信号产生时发现在材料的激子吸收峰附近三次谐波信号出现峰值,并且强光泵浦下三次谐波峰值蓝移,证明了激子效应可以显着影响材料中的三次谐波产生过程。在利用化学气相沉积法合成的钙钛矿纳米薄片中,样品横向尺寸可达百微米且具有良好的机械柔性,飞秒泵浦下可发射激光,表明这种材料在微纳激光领域内具有潜在的应用价值。(2)从腔体设计角度出发,本文通过电子束曝光和等离子体刻蚀等技术制备功能性的氮化硅基底,并通过纳米转移的方法,制备出钙钛矿薄片和氮化硅基底的混合结构微腔激光器,并在实验上实现了钙钛矿激光的波长调谐、模式数目控制、方向发射、激光阵列发射以及耦合腔激光相互作用等功能,展示了一种不产生损伤钙钛矿材料光学性能并精确调控其激光行为的方法。(3)作为一种可以突破光学衍射极限的方案,表面等离子体激光器有望在未来的集成光学中发挥重要作用。本文随后研究了基于卤化铅钙钛矿的混合模式表面等离子体激光器。实验中首先以器件发射光的偏振、拟合的自发辐射系数、激光器阈值和钙钛矿增益层厚度之间的对应关系以及发射激光的瞬态时间响应作为判据,证实器件可以发射基于混合模式表面等离子体共振模式的纳米激光。随后还通过化学气相沉积的方法改变材料中卤族元素的配比从而调节表面等离子体激光器的发射波长。此外,通过制备钙钛矿/金属/氧化硅微盘,以及钙钛矿/金属/氧化硅条形槽阵列证实可以由基底形状调控表面等离子体激光模式。(4)在时域调控方面,利用连续区束缚态这一概念,本文研究了钙钛矿发射激光的时域信号调控。实验中首先利用钙钛矿薄膜制备平板光子晶体,论证了所设计的结构可以产生基于对称保护型连续区束缚态的单模激光。随后利用连续区束缚态中远场特性,引入折射率虚部这一新的自由度,通过控制光与泵浦光不重合的空间泵浦构型改变钙钛矿平板光子晶体中折射率虚部的不对称分布,引起平板光子晶体中连续区束缚态模式激光远场偏振特性的改变,直接对激光的远场图案进行调制进而实现了光开关功能。实验中得到的激光调制速度可达1.5 ps。

成卓[10](2020)在《硅基激光器及相关集成技术与硅基偏振、模式复用器件的研究》文中进行了进一步梳理随着大容量光通信技术的快速发展,具备高性能结构紧凑的光电器件和高性能、高集成度的光电集成系统受到人们的广泛关注。其中以SOI衬底为基础的硅基光电器件制作技术及硅基光电集成技术由于与CMOS工艺兼容,可以以较低成本、较低功耗的方式实现大容量光通信系统而成为研究的重点。然而由于硅材料与Ⅲ-Ⅴ族材料之间晶格常数失配较大、热膨胀系数失配较大、在硅衬底上生长Ⅲ-Ⅴ族材料时外延层中存在反相畴等材料兼容性问题,硅基激光器的实现遇到很大的障碍。除此之外,在实现硅基激光器片上光电集成的方式中,与硅基激光器片上混合集成的方式相比,片上单片集成凭借封装简单和大规模制作的优势可以显着降低封装成本、提高系统的可靠性。但是由于制作工艺复杂等原因通过单片集成的方式实现硅基激光器与其他光电器件的片上集成依然存在巨大的困难。另外在基于SOI衬底的硅基无源器件方面,由于SOI衬底硅波导层和二氧化硅掩埋层之间存在很大的折射率差,导致器件出现显着的偏振相关性。偏振分束器可以很好地解决此问题。同时为了提高系统信息传输容量,特别是单波长通道的信息传输容量,模式复用技术已经得到广泛地研究,而模式转换器是实现模式复用最关键的器件。特别是基于偏振分束器的偏振复用和基于模式转换器的模式复用可以结合使用进一步提高系统信息传输容量。因此,对偏振分束器和模式转换器的研究十分重要。基于上述背景,本轮文开展了波长1.55微米直接外延硅基激光器阵列的研究、以SOI衬底为基础的硅基激光器片上光电集成方案研究以及以SOI衬底为基础的偏振分束器和模式转换器的研究。具体的研究内容和主要的研究成果如下:(1)提出了一种基于硅基V型槽图形衬底技术的波长1.55微米直接外延硅基激光器阵列结构方案。该方案所使用的V型槽图形结构可以有效地消除反向畴,降低材料异质外延产生的位错密度。而且与常规的通过后工艺刻蚀多个脊型激光器单元形成激光器阵列相比,该方案可以在V型槽图形衬底中进行激光器阵列制作,省去了后工艺中的刻蚀步骤。对该激光器阵列结构从有源区光限制因子的角度进行了优化,计算结果表明当激光器阵列的周期为1 μm、V型槽图形宽度为0.6 μm、有源区位置高度为0.3 μm时,有源区光限制因子为9.3%。阵列中各激光器单元有源区中的光可以被很好地限制。该计算结果有望为后续在硅基V型槽图形衬底中进行激光器阵列制作提供理论指导。(2)提出了一种基于SOI衬底单片集成方式的硅基激光器片上光电集成方案。该方案从设计的角度完成了硅基Ⅲ-Ⅴ族方形微腔激光器、波导型Ge探测器和硅波导三者片上光电集成。与已报道的单片集成方式的硅基激光器片上光电集成方案相比,该方案可以利用SOI衬底制备无源器件的优势实现更低的损耗和更高的集成度,更具有实用化优势。对该集成方案中的器件仿真优化表明:当方形微腔激光器边长为10 μm、盖层厚度为0.9 μm、硅波导宽度为1.5 μm时,激光器耦合输出效率为11.8%,对应的激光器微腔品质因子为1804。采用速率方程计算分析表明:当内损耗系数为8 cm-1时,激光器的阈值电流为6.3 mA;当注入电流为8 mA时,输出功率约为1.5 μW。同时,当Ge探测器长度为5 μm、光吸收效率达到98%。在此器件长度条件下当反向偏压为2 V时,计算得到探测器响应度为0.313 A/W。(3)设计和制作了一种基于三波导耦合器的偏振分束器。该设计通过在SOI衬底三波导耦合器的中间波导上引入一层氮化硅实现了 TM偏振的相位匹配条件,使TM偏振能够完全耦合而TE偏振不能耦合,从而实现偏振分束。与同类型的基于三波导耦合器结构的偏振分束器相比,设计的偏振分束器拥有更短的器件长度(7 μm)。而且该偏振分束器计算得到的消光比大于30 dB带宽分别为100 nm(TE偏振)和28 nm(TM偏振),插入损耗小于0.06 dB(TE偏振)和0.35 dB(TM偏振)。对于器件长度小于10 μm的基于三波导耦合器结构的偏振分束器,该设计的偏振分束器可以实现更大的带宽和更低的插入损耗。器件的测试结果与设计结果相比性能有所下降。如果提高器件制作工艺的精确度,可以得到更好的测试结果。(4)提出了一种基于亚波长光栅结构的模阶转换器设计方法,设计了三种基于SOI衬底的模阶转换器。该设计方法通过在SOI衬底的硅波导上引入亚波长光栅结构,对输入的基模光场产生散射作用形成高阶模。设计的三种模阶转换器可以通过一步刻蚀工艺制作得到,器件制作简单。其中,设计的TE0-to-TE1和TE0-to-TE2两种模阶转换器的器件长度小于10 μm,在100 nm带宽范围内计算得到的转换效率大于-0.25 dB。与同类型的模阶转换器相比,设计的模阶转换器器件性能达到较好的水平。而且这两种模阶转换器结构左右对称,可以实现数据交换功能。(5)在SOI衬底上采用混合等离波导设计了一种偏振/模阶转换器。该设计在SOI衬底的硅波导上引入一层金属层,利用金属层的作用实现了 TE0-to-TM1偏振/模阶转换。与其他偏振/模阶转换器(TM0-to-TE1)相比,设计的偏振/模阶转换器实现了一种新的偏振/模阶转换功能(TE0-to-TM1),而且器件长度更小(11 μm),工作带宽可以覆盖S+C+L波段范围。计算得到的器件插入损耗小于4.22 dB,模式串扰小于-13.36 dB,在输出端口中TM1模的模式纯度大于-0.6 dB。

二、半导体激光器、集成光学激光器(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、半导体激光器、集成光学激光器(论文提纲范文)

(1)1.3微米波段硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点微环激光器及其集成结构的设计优化研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 光学微腔的概述
    1.3 回音壁模式微腔激光器及其集成结构的研究进展
        1.3.1 波长13微米直接外延硅基III-V族量子点微腔激光器
        1.3.2 微腔激光器与波导的集成结构
        1.3.3 微腔激光器阵列
    1.4 本论文的主要工作
    参考文献
第二章 集成光学理论基础和时域有限差分方法
    2.1 回音壁模式微腔的理论基础
        2.1.1 WG型微腔的模式分析
        2.1.2 WG型微腔的特征参数
    2.2 WG型微腔光学模式的频域解析计算
        2.2.1 有效折射率近似
        2.2.2 二维圆形微腔的模式本征方程
    2.3 光波导基础理论
        2.3.1 平板光波导理论
        2.3.2 光波导损耗
    2.4 时域有限差分方法
        2.4.1 三维FDTD方法
        2.4.2 FDTD方法的软件实现
    2.5 本章小结
    参考文献
第三章 波长1.3微米单向发射硅基量子点微环激光器的研究
    3.1 微环激光器光学模式的理论计算
        3.1.1 微环激光器光学模式的数值计算模型
        3.1.2 微环激光器光学模式的解析解与数值计算结果对比
    3.2 波长1.3μm硅基量子点微环激光器结构设计
        3.2.1 微环激光器材料结构设计
        3.2.2 微环激光器器件结构设计
    3.3 波长1.3 μm硅基量子点微环激光器仿真分析
        3.3.1 微环腔宽度优化
        3.3.2 激光器材料包层厚度优化
        3.3.3 器件刻蚀深度优化
        3.3.4 Ⅲ-Ⅴ族波导宽度优化
        3.3.5 连接径向波导的微环激光器的激射判定
    3.4 基于微环腔的单片集成硅基激光器阵列结构设计与优化
        3.4.1 微环激光器阵列结构设计
        3.4.2 微环激光器阵列结构优化
    3.5 本章小结
    参考文献
第四章 基于切角微环激光器与锥形硅波导的硅基片上集成结构的研究
    4.1 引言
    4.2 基于切角微环激光器与锥形硅波导的硅基片上集成结构设计
    4.3 切角微环激光器优化
        4.3.1 切口宽度对品质因子和谐振波长的影响
        4.3.2 切口宽度对多模抑制特性的影响
        4.3.3 切口宽度对模式场分布的影响
        4.3.4 切口宽度对单向发射特性的影响
    4.4 锥形硅波导结构优化
    4.5 本章小结
    参考文献
第五章 总结和展望
    5.1 研究总结
    5.2 研究展望
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文
攻读硕士学位期间申请的发明专利

(2)超窄线宽激光工程化关键技术(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 超窄线宽激光研究现状
        1.2.1 基于实验室环境的超窄线宽激光研究现状
        1.2.2 可移动、可搬运以及面向空间应用超窄线宽激光研究现状
    1.3 本文主要研究内容及结构安排
第2章 超窄线宽激光物理与技术基础
    2.1 光学参考腔(F-P腔)
        2.1.1 光学参考腔基本理论
        2.1.2 光学参考腔的技术参数
        2.1.3 光学参考腔的热噪声
    2.2 PDH激光稳频技术
    2.3 超窄线宽激光的频率稳定度和线宽
        2.3.1 超窄线宽激光的频率稳定度
        2.3.2 超窄线宽激光的线宽
        2.3.3 频率稳定度和线宽的影响因素
        2.3.4 频率稳定度和线宽的测量
    2.4 本章小结
第3章 空间外腔半导体激光器关键技术研究
    3.1 外腔半导体激光器概述
    3.2 IF-ECDL光学系统设计
        3.2.1 激光准直系统
        3.2.2 外腔光学反馈系统
        3.2.3 选模系统设计
        3.2.4 激光频率调谐系统设计
    3.3 IF-ECDL结构设计
    3.4 IF-ECDL安装与调试
    3.5 IF-ECDL性能测试
    3.6 IF-ECDL力学环境试验
    3.7 本章小结
第4章 空间超窄线宽激光工程化关键技术研究
    4.1 实验室光学系统的小型化研制
        4.1.1 光路设计
        4.1.2 集成光学平台的结构拓扑优化设计
    4.2 自动稳频关键技术研究
        4.2.1 方案原理及流程设计
        4.2.2 自动稳频算法研究
        4.2.3 自动稳频系统性能测试
    4.3 空间集成光学系统关键技术研究
        4.3.1 主光学系统
        4.3.2 腔前光学系统
        4.3.3 光学参考腔
        4.3.4 腔后光学系统
        4.3.5 主光学系统光路板设计与器件布局
    4.4 空间超窄线宽激光电性能件性能测试
    4.5 本章小结
第5章 通信波段超窄线宽激光工程化研制
    5.1 实验装置与总体结构设计
        5.1.1 实验装置
        5.1.2 总体结构设计
    5.2 1550nm超窄线宽激光工程化研究
        5.2.1 机箱模块设计
        5.2.2 物理模块设计
        5.2.3 光学模块设计
        5.2.4 电子学模块
    5.3 本章小节
第6章 总结与展望
    6.1 全文工作总结
    6.2 工作展望
参考文献
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
致谢

(3)集成光学微腔中模式成像与微纳传感研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 集成光学微腔的发展状况
        1.2.1 集成微腔的光场成像
        1.2.2 集成微腔中的模式耦合与调控
        1.2.3 集成微腔的激光特性
        1.2.4 集成微腔的传感应用
    1.3 本论文主要研究内容
第2章 集成微腔的基础理论分析
    2.1 引言
    2.2 圆形回音壁微腔的理论模型
        2.2.1 几何光学模型
        2.2.2 电磁场理论模型
    2.3 变形微腔中的模式分析
        2.3.1 相空间线光学分析法
        2.3.2 相空间波动光学分析法
    2.4 微腔的重要表征参数
        2.4.1 品质因子
        2.4.2 光子寿命
        2.4.3 自由光谱范围
        2.4.4 模式体积
    2.5 微腔与波导的耦合理论
        2.5.1 常用的微腔耦合方式
        2.5.2 微腔波导耦合方程
    2.6 本章小结
第3章 集成微腔内部光场成像
    3.1 引言
    3.2 微腔内光场成像的理论分析
        3.2.1 成像原理
        3.2.2 自由载流子吸收效应和非辐射复合热效应
        3.2.3 探测光的位置影响
    3.3 光场成像的实验验证
        3.3.1 微腔波导结构的制备工艺
        3.3.2 微腔波导耦合结构设计
        3.3.3 微腔光场成像光路与测量分析
        3.3.4 圆形微腔内的光场强度分布
        3.3.5 变形微腔内的光场成像
        3.3.6 变形微腔内的可逆混沌辅助隧穿效应
    3.4 测量系统中误差分析
    3.5 本章小结
第4章 集成微腔中的模式耦合与调控
    4.1 引言
    4.2 无源微腔中的模式耦合
        4.2.1 模式Q值增高的理论分析
        4.2.2 硅基微腔模式耦合的实验验证
    4.3 有源微腔中的模式调控
        4.3.1 钙钛矿圆形微腔波导耦合双向输出
        4.3.2 钙钛矿圆形微腔波导耦合单向输出
    4.4 本章小结
第5章 集成微腔超分辨传感成像
    5.1 引言
    5.2 微腔超分辨成像理论分析
        5.2.1 钙钛矿微腔超分辨成像原理
        5.2.2 成像激光模式的选择
        5.2.3 钙钛矿单晶片的缺陷影响
    5.3 钙钛矿微腔超分辨成像实验验证
        5.3.1 超分辨成像测量光路
        5.3.2 两至三个物体间的超分辨成像
        5.3.3 多个结构间的超分辨成像
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历

(4)硅基单片集成芯片中Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器输出光耦合结构的研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 论文研究背景及意义
    1.2 硅基光子集成研究进展
        1.2.1 混合集成
        1.2.2 单片集成
    1.3 激光器输出光耦合方案研究现状
    1.4 论文结构安排及主要内容
    参考文献
第二章 集成光耦合器的基本理论与计算方法
    2.1 光波导基本理论
        2.1.1 平板波导
        2.1.2 条形波导
    2.2 光耦合原理
        2.2.1 纵向耦合
        2.2.2 横向耦合
        2.2.3 对接耦合
        2.2.4 倏逝波耦合
        2.2.5 谐振耦合
        2.2.6 耦合效率的影响因素
    2.3 常用数值计算方法
    2.4 本章小结
    参考文献
第三章 SiN-on-Si光耦合结构的设计与研究
    3.1 SiN-on-Si光耦合结构模型
    3.2 SiN基锥形边缘光耦合器的设计与研究
        3.2.1 器件工作原理
        3.2.2 器件结构设计与优化
        3.2.3 对准容差分析
    3.3 SiN2-to-SiN1层间定向光耦合器的设计与研究
        3.3.1 器件工作原理与结构设计
        3.3.2 器件结构仿真
        3.3.3 器件结构优化
    3.4 SiN-on-Si光耦合结构性能分析
    3.5 本章小结
    参考文献
第四章 SiN-on-Si光耦合结构的制备与实验研究
    4.1 硅光子工艺
    4.2 器件结构制作
        4.2.1 版图设计
        4.2.2 制备工艺流程
    4.3 器件测量与性能分析
        4.3.1 实验系统设计
        4.3.2 基于常规外部光源的测量
        4.3.3 基于片上光源的测量
    4.4 本章小结
    参考文献
第五章 总结与展望
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录

(5)飞秒激光诱导晶体折射率改性及功能波导结构制备(论文提纲范文)

中文摘要
ABSTRACT
符号说明
第一章 绪论
    参考文献
第二章 基本理论和实验方法
    2.1 介电晶体光波导的基本理论
    2.2 飞秒激光诱导晶体材料改性的基本原理
    2.3 飞秒激光直写光波导
    2.4 光波导的性能表征技术
    2.5 波导激光理论
    2.6 光波导二次谐波的产生
    参考文献
第三章 飞秒激光写入钽酸锂晶体光波导
    3.1 LiTaO_3晶体折射率升高型通道光波导
    3.2 MgO:SLT晶体Ⅱ类横向双线光波导
    3.3 MgO:SLT晶体类晶格三维导波分束器
    参考文献
第四章 全飞秒激光加工铌酸锂晶体脊型光波导及Y分支分束器
    4.1 LiNbO_3晶体脊型光波导
    4.2 LiNbO_3晶体脊型Y分支分束器
    参考文献
第五章 飞秒激光写入锗酸铋晶体弯曲型通道光波导
    5.1 BGO晶体弯曲型环形通道光波导
    5.2 BGO晶体弯曲型双线通道光波导
    参考文献
第六章 飞秒激光写入掺钕铝酸钇晶体弯曲型光波导及双波长脉冲激光
    6.1 Nd:YAP晶体弯曲型类光晶格及包层光波导
    6.2 基于Nd:YAP弯曲型光波导的双波长超高重频脉冲激光
    参考文献
第七章 飞秒激光写入周期极化钽酸锂晶体包层波导及二次谐波
    7.1 Fan-out PPMgSLT晶体包层光波导中倍频绿光的产生
    7.2 Fan-out PPMgSLT晶体包层光波导中可调谐紫光的产生
    参考文献
第八章 总结与展望
    8.1 总结
    8.2 主要创新点
    8.3 展望
致谢
攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励
    学术论文
    参加的国内外学术会议
    获得的荣誉、奖励
附三篇已发表论文
学位论文评阅及答辩情祝表

(6)基于倒脊型SU-8波导的热可调谐布拉格光栅滤波器研究(论文提纲范文)

致谢
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 集成光学的概述
    1.2 集成光学器件概述
    1.3 滤波器件的相关研究
        1.3.1 基于马赫曾德尔干涉仪的滤波器
        1.3.2 基于微环结构的滤波器
        1.3.3 基于光栅结构的滤波器
    1.4 热可调滤波器的研究现状
        1.4.1 基于微环谐振器结构的热可调滤波器
        1.4.2 基于布拉格光栅结构的热可调滤波器
    1.5 本论文的主要内容与创新点
2 光波导与布拉格光栅的理论分析
    2.1 光波导的理论分析
    2.2 布拉格光栅的理论分析
        2.2.1 耦合模理论法
        2.2.2 传输矩阵法
        2.2.3 数值计算法
        2.2.4 光栅结构仿真分析
    2.3 本章小结
3 倒脊型SU8波导热可调布拉格光栅滤波器
    3.1 脊型SU-8波导的结构设计
    3.2 倒脊型SU-8波导热可调布拉格光栅滤波器结构设计
    3.3 倒脊型SU-8波导布拉格光栅滤波器的实验制备
    3.4 倒脊型SU-8波导布拉格光栅滤波器的测试及分析
    3.5 本章小结
4 可见光波段倒脊型SU-8波导热可调光栅滤波器
    4.1 水下光通信概述
    4.2 可见光波段倒脊型SU-8波导热可调布拉格光栅滤波器的设计
    4.3 倒脊型SU-8波导布拉格光栅滤波器的实验制备
    4.4 本章小结
5 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 不足与展望
参考文献
作者简介

(7)周期电磁结构波导机理与应用研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
缩略词表
第一章 绪论
    1.1 周期电磁结构波导概述
        1.1.1 周期电磁结构波导简介
        1.1.2 周期电磁结构波导分类
        1.1.3 主要光波导材料平台
    1.2 周期电磁结构器件研究现状
        1.2.1 周期电磁结构光功率分配器
        1.2.2 周期电磁结构偏振控制器
        1.2.3 周期电磁结构波导激光器
    1.3 新型碳系材料研究进展
        1.3.1 金刚石光电材料
        1.3.2 石墨烯光电材料
    1.4 本论文的主要工作和安排
        1.4.1 本文研究意义
        1.4.2 本文研究框架与路线
        1.4.3 本文章节安排
    参考文献
第二章 周期电磁结构波导基本理论及数值方法
    2.1 周期电磁结构波导中的弗洛奎定理
    2.2 周期电磁结构波导的耦合模理论
        2.2.1 耦合模方程
        2.2.2 相位匹配条件
        2.2.3 耦合模方程的解
    2.3 亚波长周期电磁结构波导特性
        2.3.1 亚波长周期电磁结构波导等效折射率
        2.3.2 亚波长周期电磁结构波导光波特性
    2.4 光波导数值分析方法简介
        2.4.1 时域有限差分法(FDTD)
        2.4.2 有限元法(FEM)
    本章小结
    参考文献
第三章 硅基周期电磁结构光偏振控制器优化设计
    3.1 硅基水平槽式光栅辅助型TM通过/TE功分偏振分束器
        3.1.1 器件结构与工作原理
        3.1.2 器件结构参数选择及优化
        3.1.3 传输特性和器件制作容差分析
    3.2 硅基三波导混合等离子体光栅辅助反向耦合器型起偏器
        3.2.1 器件结构与工作原理
        3.2.2 器件结构参数选择及优化
        3.2.3 传输特性和器件制作容差分析
    3.3 基于交替排列亚波长光栅型起偏器
        3.3.1 器件结构与工作原理
        3.3.2 器件结构参数选择及优化
        3.3.3 传输特性和器件制作容差分析
    本章小结
    参考文献
第四章 碳系材料周期电磁结构光偏振控制器优化设计
    4.1 基于金刚石亚波长光栅定向耦合器型偏振分束器
        4.1.1 器件结构与工作原理
        4.1.2 器件结构参数选择及优化
        4.1.3 传输特性和器件制作容差分析
    4.2 基于石墨烯/SiO_2多层膜超构材料式波导起偏器
        4.2.1 器件结构及工作原理
        4.2.2 器件结构参数选择及传输特性分析
    本章小结
    参考文献
第五章 基于周期电磁结构的铒镱共掺Al_2O_3波导激光器
    5.1 铒镱共掺Al_2O_3波导激光器的基本理论和设计
        5.1.1 铒镱共掺Al_2O_3波导激光器的工作原理
        5.1.2 片上分布式布拉格反射铒镱共掺Al_2O_3波导激光器的设计
    5.2 铒镱共掺Al_2O_3薄膜的制备
        5.2.1 薄膜主要制备工艺简介
        5.2.2 铒镱共掺Al_2O_3薄膜的制备
    5.3 铒镱共掺Al_2O_3薄膜的表征
        5.3.1 薄膜样品表面形貌表征
        5.3.2 薄膜样品XRD表征
        5.3.3 薄膜样品拉曼光谱表征
        5.3.4 薄膜样品的光致发光特性研究
    本章小结
    参考文献
第六章 总结与展望
    6.1 全文工作总结
    6.2 未来工作展望
致谢
攻读博士学位期间完成的学术论文及获得的科研成果
表格索引
图形索引

(8)近红外波段聚合物基微环谐振器的研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 常见光波导材料与结构
    1.2 聚合物光子材料及其优点
    1.3 聚合物基光波导器件制备工艺
    1.4 微环谐振器的应用及发展现状
    1.5 本文主要研究思路与内容
2 光波导理论
    2.1 引言
    2.2 光波导模式理论分析
        2.2.1 几何光学
        2.2.2 波动光学
    2.3 波导形状
    2.4 平板波导
    2.5 条形波导
    2.6 多模干涉耦合基本原理
    2.7 MMI耦合的应用
    2.8 本章小结
3 890 nm波段聚合物基多模干涉微环谐振器的设计与制备
    3.1 引言
    3.2 微环谐振器的基本理论
        3.2.1 微环谐振器的传输函数
        3.2.2 微环谐振器的基本参量
    3.3 聚合物基MMI微环谐振器的设计
        3.3.1 波导横截面尺寸
        3.3.2 弯曲损耗的计算
        3.3.3 多模干涉耦合区的优化设计
    3.4 母版模的制备
    3.5 PFPE软模具与Ormocore光波导的制备
    3.6 压印过程中的关键问题
        3.6.1 有效控制残留层问题
        3.6.2 压印工艺的优化
    3.7 聚合物基微环谐振器的性能测试及分析
    3.8 本章小结
4 聚合物基狭缝波导微环谐振器的研究
    4.1 引言
    4.2 狭缝波导的结构和光场分布
    4.3 狭缝波导微环传感器的结构
        4.3.1 传感机理:均一传感和表面传感
        4.3.2 光子生化传感器的灵敏度和探测极限
    4.4 狭缝波导的模拟与优化
        4.4.1 狭缝波导的单模条件
        4.4.2 传感灵敏度的计算
        4.4.3 非对称狭缝波导的设计
        4.4.4 模式转换
        4.4.5 耦合效率的计算
        4.4.6 模拟结果及分析
    4.5 聚合物狭缝波导的制备
        4.5.1 母版模的制备
        4.5.2 软模具的制备
        4.5.3 狭缝波导的制备
    4.6 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 创新点
    5.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介

(9)钙钛矿基微纳激光器及其调控研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 半导体微纳激光器的发展历程
        1.2.1 微纳激光器的腔体设计
        1.2.2 半导体微纳激光器中的增益介质
        1.2.3 激子激光
    1.3 钙钛矿微纳激光研究现状及分析
        1.3.1 卤化铅钙钛矿材料中的本征激光
        1.3.2 光学微腔集成的钙钛矿激光
        1.3.3 后加工的钙钛矿激光
        1.3.4 钙钛矿激子激光
        1.3.5 研究现状分析
    1.4 本论文主要研究内容
第2章 钙钛矿纳米薄片的光学性质
    2.1 引言
    2.2 钙钛矿纳米薄片的合成
        2.2.1 溶液合成法
        2.2.2 化学气相沉积
    2.3 少层钙钛矿材料的线性光学性质
    2.4 少层钙钛矿的非线性光学性质
    2.5 钙钛矿纳米薄片中的微纳激光
    2.6 本章小结
第3章 可调微盘激光器
    3.1 引言
    3.2 钙钛矿/氮化硅混合结构激光
        3.2.1 基底调控钙钛矿激光的发射机制
        3.2.2 钙钛矿/氮化硅混合结构激光
        3.2.3 钙钛矿/氮化硅混合结构激光波长调控
        3.2.4 钙钛矿/氮化硅混合结构激光模式调控
    3.3 本章小结
第4章 可调表面等离子体激光器
    4.1 引言
    4.2 基于钙钛矿的混合模式表面等离子体激光
        4.2.1 钙钛矿混合模式表面等离子体激光的数值模拟
        4.2.2 钙钛矿混合模式表面等离子体激光的实验验证
        4.2.3 钙钛矿混合模式表面等离子体激光波长调控
    4.3 混合模式表面等离子体激光的模式调控
    4.4 混合模式表面等离子体激光阵列
    4.5 本章小结
第5章 对称保护BIC模式激光全光开关
    5.1 引言
    5.2 平板光子晶体中的连续区束缚态
        5.2.1 连续区束缚态形成机理
        5.2.2 对称保护BIC的退化
    5.3 对称保护BIC激光
        5.3.1 结构设计和器件制备
        5.3.2 对称保护型BIC激光远场特性
    5.4 对称保护BIC激光的全光开关
        5.4.1 对称保护BIC激光远场图案与泵浦光对称性的联系
        5.4.2 基于对称保护BIC激光的全光开关
        5.4.3 超快光开关的微观机理解释
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历

(10)硅基激光器及相关集成技术与硅基偏振、模式复用器件的研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
符号缩写说明
第一章 绪论
    1.1 前言
    1.2 论文研究背景
    1.3 直接外延硅基激光器研究进展
    1.4 硅基片上光电集成研究进展
        1.4.1 混合集成
        1.4.2 单片集成
    1.5 硅基偏振、模式复用器件研究进展
        1.5.1 波导结构
        1.5.2 偏振处理器件
        1.5.3 模式转换器件
    1.6 本论文内容安排
    参考文献
第二章 集成光学理论基础和计算方法
    2.1 前言
    2.2 光波导基本理论
    2.3 耦合模理论
    2.4 有限差分法
    2.5 时域有限差分法
    2.6 本章小结
    参考文献
第三章 波长1.55微米直接外延硅基激光器阵列研究
    3.1 前言
    3.2 直接外延硅基激光器阵列设计
        3.2.1 直接外延的硅基V型槽图形衬底方案
        3.2.2 直接外延激光器阵列结构
        3.2.3 硅基激光器结构优化
    3.3 本章小结
    参考文献
第四章 硅基激光器片上光电集成方案研究
    4.1 前言
    4.2 硅基激光器集成方案的提出
        4.2.1 选区生长工艺
        4.2.2 集成方案结构设计
    4.3 器件集成方案研究
        4.3.1 方形微腔激光器优化
        4.3.2 硅波导宽度优化
        4.3.3 Ge探测器优化
    4.4 本章小结
    参考文献
第五章 基于三波导耦合器的偏振分束器研究
    5.1 前言
    5.2 三波导耦合器
    5.3 偏振分束器的设计
        5.3.1 器件结构
        5.3.2 器件设计原理
        5.3.3 器件结构优化
        5.3.4 仿真结果讨论
    5.4 偏振分束器制作容差性分析
    5.5 偏振分束器的制作及测试结果分析
        5.5.1 器件制作
        5.5.2 耦合方式
        5.5.3 器件测试
    5.6 本章小结
    参考文献
第六章 基于亚波长光栅结构的模阶转换器研究
    6.1 前言
    6.2 亚波长光栅结构
    6.3 模阶转换器的设计
        6.3.1 TE_0-to-TE_1模阶转换器的设计
        6.3.2 TE_0-to-TE_2模阶转换器的设计
        6.3.3 TE_0-to-TE_3模阶转换器的设计
    6.4 模阶转换器制作容差性分析
    6.5 本章小结
    参考文献
第七章 基于混合等离波导的偏振/模阶转换器研究
    7.1 前言
    7.2 混合等离波导
    7.3 模式转换器的设计
        7.3.1 器件结构
        7.3.2 器件结构优化
        7.3.3 仿真结果讨论
    7.4 偏振/模阶转换器制作容差性分析
    7.5 本章小结
    参考文献
第八章 总结与展望
    8.1 总结
    8.2 展望
致谢
攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利

四、半导体激光器、集成光学激光器(论文参考文献)

  • [1]1.3微米波段硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点微环激光器及其集成结构的设计优化研究[D]. 祝莉娜. 北京邮电大学, 2021(01)
  • [2]超窄线宽激光工程化关键技术[D]. 张林波. 中国科学院大学(中国科学院国家授时中心), 2021(02)
  • [3]集成光学微腔中模式成像与微纳传感研究[D]. 汪帅. 哈尔滨工业大学, 2021(02)
  • [4]硅基单片集成芯片中Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器输出光耦合结构的研究[D]. 赵浩. 北京邮电大学, 2021
  • [5]飞秒激光诱导晶体折射率改性及功能波导结构制备[D]. 李玲琪. 山东大学, 2021
  • [6]基于倒脊型SU-8波导的热可调谐布拉格光栅滤波器研究[D]. 程方圆. 浙江大学, 2021(09)
  • [7]周期电磁结构波导机理与应用研究[D]. 许正英. 东南大学, 2020(02)
  • [8]近红外波段聚合物基微环谐振器的研究[D]. 吕桓林. 大连理工大学, 2020(07)
  • [9]钙钛矿基微纳激光器及其调控研究[D]. 黄灿. 哈尔滨工业大学, 2020(01)
  • [10]硅基激光器及相关集成技术与硅基偏振、模式复用器件的研究[D]. 成卓. 北京邮电大学, 2020

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半导体激光器、集成光学激光器
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