Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications, Hubei Engineering Research Center for Intelligent Internet of Things, College of Electronic and Information Engineering, South-Central MinZu University, Wuhan 430074, China
Frontiers of Optoelectronics
2022, 15(2): s12200
1 中南民族大学电子信息工程学院，湖北 武汉 430074
2 中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074
本文提出一种使用立方相位光栅测量涡旋光束高阶轨道角动量（Orbital Angular Momentum， OAM）模式的方法。将艾里光束特有的相位变化特性与光栅的结构函数结合，设计一种立方相位光栅，并将涡旋光束准直入射至立方相位光栅的不同入射点上以产生衍射图。数值仿真和实验结果表明，通过分析衍射图中的类厄米-高斯衍射图样可以较容易地测量入射光束的OAM模式。入射光束拓扑荷值的大小由衍射图中的亮条纹数决定，其正负值由亮条纹的分布走向决定。优化后的实验链路可简化实验操作，效果明显，可将检测的拓扑荷值最高可达到60。
光栅 轨道角动量 涡旋光束 空间光调制器 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1705003
1 智能无线通信湖北省重点实验室, 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
2 南洋理工大学电气电子工程学院, 新加坡 新加坡 639798
3 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。
光谱学 光声光谱 痕量气体检测 有限元方法 光声池 声学模态值
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics & School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications, College of Electronics and Information Engineering, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China
Multimode waveguide bend is one of the key components for realizing high-density mode-division multiplexing systems on chip. However, the reported multimode waveguide bends are either large, bandwidth-limited or fabrication-complicated, which hinders their applications in future high-density multimode photonic circuits. Here we propose a compact multimode waveguide bend supporting four TE modes simply by shape-optimizing with transformation optics. The shape of the waveguide is optimized in the virtual space with gradient distribution of the refractive index, so that the scattering loss and intermode cross talk are well suppressed. After conformal mapping back into the physical space, a compact (effective radius of 17 μm) multimode bending waveguide is obtained. Simulations show that the proposed multimode waveguide bend has little loss () and low cross talk () throughout an ultrabroad wavelength range of 1.16–1.66 μm. We also fabricated the shape-optimized multimode bending waveguide on a silicon-on-insulator wafer. At 1550 nm wavelength, the measured excess losses for the four lowest-order TE modes are less than 0.6 dB, and the intermode cross talks are all below . Our study paves the way for realizing high-density and large-scale multimode integrated optical circuits for optical interconnect.
Photonics Research
2020, 8(12): 12001843
1 中南民族大学 电子信息工程学院 智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074
2 武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430074
光纤与光芯片的上表面耦合的倾斜角度是影响光耦合效率的关键因素之一，针对传统角规测量法效率低、精度差和不稳定等问题，采用坐标系重构方法和图像处理技术实现了对光纤倾斜耦合角度的快速精密测量。首先，在常规图像角度测量的基础上引入棋盘靶标进行坐标系重构，降低了CCD在光学放大获取微小光纤的图像信息时光轴轻微转动引起的误差。然后，为了在降低噪声影响的同时保障光纤直线特征的检测精度，对比了Hough变换和图像细化两种提取光纤直线参数的算法，结合直线元素在投影面的三角关系获得了光纤倾斜角度。实验结果表明: 基于Hough变换的直线提取算法误差在±0.1°，平均运算时间为0.370 s，实现了对微小尺寸下光纤倾斜耦合角度快速精确地测量。
光纤倾斜耦合角度 图像处理 方向基准 小尺寸测量 三角关系 oblique angle of the coupling fiber image processing reference direction small size measurement triangular relationship 红外与激光工程
2019, 48(10): 1013001
1 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
2 中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074
涡旋光的拓扑荷数测量是涡旋光应用不可或缺的关键技术。将周期渐变型光栅的渐变性与环形光栅的完全对称性相结合,对环形光栅的结构附加周期渐变性并进行优化,研制了一种用于涡旋光束高阶拓扑荷数测量的新型环形渐变型光栅。经过数值模拟与实验测试,涡旋光束准直投射至环形渐变光栅形成远场衍射图案,其变化规律精准地对应涡旋光束轨道角动量状态。实验测量拓扑荷数达±30。该研究为涡旋光束的测量应用提供了新方法。
光栅 轨道角动量 涡旋光束 空间光调制器 激光与光电子学进展
2019, 56(14): 140501
1 中南民族大学电子信息工程学院智能无线通信湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
在阴影遮挡等非视距应用场景中,可见光通信系统的性能受限于严重的光功率衰减影响。基于仿生复眼的工作原理,设计了一种球面仿生复眼微透镜组和复合抛物面聚光器耦合的光学接收天线。利用TracePro软件分析球面仿生复眼的非成像特性,发现当探测面面积一定时,随着邻子眼光轴夹角减小,能量收集比率逐步提高,当邻子眼光轴夹角小于局部最优值时,能量收集比率达90%以上,接近最优。光轴夹角的局部最优值与探测器面积呈正相关。复眼的大视场特性随邻子眼光轴夹角的增大而逐步丧失,最终趋近于单透镜特性。对于可见光通信非视距链路的应用,可获得天线增益达56.45,视场角大于90°。利用MATLAB对室内信道进行数值分析,证明了仿生复眼多级耦合光学天线在阴影遮挡严重的场景下依旧能保持较高的馈入光功率,与普通的单透镜天线相比,平均功率提高了20 dBm,表明所设计的光学天线具有大视场和高增益的特性,可有效提高室内可见光通信系统的抗阴影遮挡性能。
探测器 可见光通信 光学天线 耦合 复眼透镜
Author Affiliations
Abstract
1 Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications, College of Electronics and Information Engineering, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China
2 King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Advanced Semiconductor Laboratory, Thuwal 23955-6900, Saudi Arabia
Connected-annular-rods photonic crystals (CARPCs) in both triangular and square lattices are proposed to enhance the two-dimensional complete photonic bandgap (CPBG) for chalcogenide material systems with moderate refractive index contrast. For the typical chalcogenide-glass–air system with an index contrast of 2.8:1, the optimized square lattice CARPC exhibits a significantly larger normalized CPBG of about 13.50%, though the use of triangular lattice CARPC is unable to enhance the CPBG. It is almost twice as large as our previously reported result [
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.22, 4900108 (2016)IJSQEN1077-260X10.1109/JSTQE.2015.2422997]. Moreover, the CPBG of the square-lattice CARPC could remain until an index contrast as low as 2.24:1. The result not only favors wideband CPBG applications for index contrast systems near 2.8:1, but also makes various optical applications that are dependent on CPBG possible for more widely refractive index contrast systems.
Photonics Research
2018, 6(4): 04000282
中南民族大学电子信息工程学院智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074
针对涡旋光束复用传输中拓扑荷测量的问题，根据广义惠更斯菲涅耳积分，利用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法，建立光束传播模型，对拉盖尔高斯光束经复用在真空中传输进行数值仿真。通过分析光束真空传输后的相位分布，发现两束光复用后的相位分布特征与参与复用的各光束拓扑荷值之间有可辨别的关联，具体规律是相位的中心扇叶片数和叶片旋转方向与复用光束中拓扑荷绝对值较小的光束相同，而相位的外边缘相位叉点的个数和旋转方向分别与复用各光束的拓扑荷数值差的绝对值﹑拓扑荷数值较大者相同。所得结果为涡旋光束拓扑荷数的测量提供新方法。
物理光学 轨道角动量复用 拉盖尔高斯光束 拓扑荷 激光与光电子学进展
2016, 53(9): 092603
中南民族大学电子信息工程学院智能无线通信湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074
提出在非晶硅薄膜太阳电池吸收层的上下表面采用亚元对称光栅来提高薄膜电池吸收率。采用严格耦合波分析法研究发现，对于厚度为400 nm 的非晶硅薄膜，在600~750 nm 波长范围内，这种新型光栅能有效地减少从上表面反射的入射光和从下表面透射的泄漏光，并增强吸收层的吸收率。仅在上表面采用亚元对称光栅，优化后的吸收率可以增强71%；仅在下表面采用光栅，吸收率增强24%；在上下表面同时采用光栅，太阳电池的吸收率可以增强81%。本研究为设计易于制作的具有高吸收率的薄膜太阳电池提供了新的思路。
光电子学 光栅 硅薄膜太阳电池 吸收增强 严格耦合波分析
