Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China
2 School of Information & Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China
3 School of Instrument & Electronics, North University of China, Taiyuan 030051, China
Sensors based on optical resonators often have their measurement range limited by their cavity linewidth, particularly in the measurement of time-varying signals. This paper introduces a method for optical frequency shift detection using multiple harmonics to expand the dynamic range of sensors based on optical resonators. The proposed method expands the measurement range of optical frequency shift beyond the cavity linewidth while maintaining measurement accuracy. The theoretical derivation of this method is carried out based on the equation of motion for an optical resonator and the recursive relationship of the Bessel function. Experimental results show that the dynamic range is expanded to 4 times greater than the conventional first harmonic method while still maintaining accuracy. Furthermore, we present an objective analysis of the correlation between the expansion factor of the method and the linewidth and free spectrum of the optical resonator.
optical resonator optical frequency shift multiple harmonics dynamic range expansion Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 041201
1 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 中北大学半导体与物理学院，山西 太原 030051
3 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051
光功率分配器作为光子集成电路中分束并束的关键器件，要求结构紧凑、宽带、低损耗。基于亚波长光栅（SWG）结构，提出一种分束区域长5 µm、分光比为50∶50的超大带宽低损耗3 dB光功率分配器。仿真结果表明，该光功率分配器在±15 nm的大工艺容差下，TE模式在1.26~2.02 μm波段内（即760 nm带宽）损耗低于0.54 dB。通过电子束曝光、干法刻蚀等工艺在绝缘体上硅（SOI）晶圆上加工制备该光功率分配器，在扫描电子显微镜（SEM）下观察SWG结构的加工误差不超过±10 nm。此外，搭建垂直耦合测试平台，利用可调谐激光器在1496.8~1600 nm波段，对TE模式的损耗与分光比进行测试。结果表明，该波段损耗约为0.3 dB，与仿真结果吻合，分光比误差在5%以内。该功率分配器适用于高速、大容量通信、波分复用（WDM）系统等互联应用场合。
紧凑 宽带 低损耗 光功率分配器 光学学报
2023, 43(22): 2223001
1 中北大学量子传感与精密测量仪器山西省重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051
基于二维材料的纳机电谐振器具有体积小、频率高、品质因数高等优势,在传感领域具有很大的应用潜力。其中,黑磷由于其波纹状的平面结构和各向异性的机械特性,为平面内矢量传感提供了可能。利用黑磷设计了一种光学激发光学读出的新型纳光机电磁矢量传感器。利用有限元分析法,探究了黑磷层数和长宽比对矢量性的影响,确定了黑磷谐振器的尺寸为0.6 μm×0.134 μm×0.5 nm;分别探索了高杨氏模量和低杨氏模量方向对磁场响应的各向异性。通过谐振模式的空间分布,解释了角度和长宽比对器件灵敏度和矢量性的影响机理。结果表明,将磁场旋转90°,灵敏度可从-4.048 MHz/mT变化为5.796 MHz/mT。与精度相近的洛伦兹力的微机电磁传感器相比,所设计传感器的频率可提高6个数量级,尺寸可缩小6个数量级。该设计为新型纳光机电矢量传感器的制备提供了一种方法。
测量 纳光机电谐振器 黑磷 光驱动 磁矢量
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
通过在宽区GaSb基半导体激光器波导中引入鱼骨型微结构, 实现了瓦级激光输出并且改善了侧向发散角.本文通过分析微结构的刻蚀深度对激光功率和远场特性的影响, 研究并发现了微结构的引入可以明显的提高激光器输出功率, 同时深刻蚀的微结构对降低模式数和侧向发散角有着更明显的改善作用.相比于未引入微结构的激光器, 引入深刻蚀微结构的宽区激光器侧向95%功率定义的远场发散角降低了大约57%, 并且实现了超过1.1 W的最大连续输出功率.
GaSb基 宽区激光器 微结构 远场发散角 GaSb based broad-area (BA) diode lasers microstructure lateral far-field divergence
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
微腔效应可以提高自发辐射速率, 从而起到有效的改善响应调制速率的作用.然而, 对于1.3 μm GaAs/InAs量子点光子晶体激光器而言, 调制速率还会受到复杂的载流子动力学以及更近的空穴能级间隔的影响.因此基于全路径载流子弛豫动力学方程, 计算并讨论了腔品质因子(Q)对于阈值和响应调制特性的影响.计算结果表明, 高的Q值能够明显改善量子点光子晶体激光器的阈值, 但是同时快速增长的光子寿命会导致调制带宽的恶化.所以, 存在一个优化的Q值(2500)可以获得超过100 GHz的调制带宽, 而当Q值为7 000时, 对应的能量传输损耗最低.因此, 在量子点光子晶体纳腔激光器的设计中, 更全面的考虑各方面的因素对器件的性能的影响, 对于获得高速调制低功耗的量子点激光器器件是十分有意义的.
调制响应 光子晶体激光器 量子点 速率方程 阈值 modulation response photonics crystal laser quantum dot rate equation threshold
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033，
为实现2 μm低发散角激光，提出在GaSb基半导体激光器中引入布拉格反射波导，利用光子带隙效应替代传统的全反射进行光场限制。研究了分布反馈反射镜(DBR)的厚度、对数、高低折射率DBR厚度比以及中心腔厚度等参数对激光器垂直远场发散角和光限制因子的影响。结果表明：垂直远场发散角随单对DBR厚度的增加而减小；光限制因子与远场发散角都随拉格反射镜对数的增加而减小，随高低折射率DBR厚度比的减小而增大；随着中心层厚度的增大，光限制因子减小而远场发散角增大。最终在理论上优化设计出了一种双边布拉格反射波导结构的超低垂直发散角2 μm GaSb基边发射半导体激光器，其垂直远场发散角可降低到10°以下。
中红外半导体激光器 布拉格反射波导 低垂直发散角 mid-infrared semiconductor lasers GaSb GaSb Bragg reflection waveguide low vertical divergence
