1 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
2 厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518000
3 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000
在宽波段内减少反射以提高透射或吸收对于提高光学元件及光电子器件的性能至关重要。受自然启发，亚波长结构具有良好的宽带减反射性能。基于此，提出了一种新型的类锥亚波长结构以增强宽波段减反射。采用等效介质理论与时域有限差分法，对基底表面亚波长结构的等效折射率与减反射能力的关系进行了分析。通过对比蛾眼、圆锥及圆柱等不同结构的等效折射率对应的宽波段减反射性能，发现两种介质之间的等效折射率线性过渡无突变时减反射能力更优。以此提出了一种类锥结构设计方法，将该方法设计的三种结构与蛾眼结构在300~1100 nm波段进行了垂直入射下的表面反射率仿真分析，结果显示，该系列结构的平均反射率比蛾眼结构降低了约70%。此外，在可见光、近红外波段选取两个特征波长进行了宽角度（0~60°）下的反射率研究，结果表明，该系列结构的宽角度平均反射率均低于蛾眼结构，其中四棱类锥结构在两个特征波长下的平均反射率比蛾眼结构分别降低了62%和40%。采用此方法设计的系列结构比普通亚波长结构具有更佳的减反射效果，在超精密光学芯片、片上光集成、片上光互连等领域中具有潜在的应用前景。
光学设计 减反射 亚波长结构 等效折射率 时域有限差分法
光子学报
2021, 50(11): 1114002
1 厦门大学 机电工程系,福建 厦门 361005
2 莆田学院 机电工程学院,福建 莆田 351100
利用膜层传输矩阵理论研究折射率调制对布拉格光纤光栅传输特性影响.根据传输矩阵理论计算光栅折射率的调制幅度、光栅长度、调制方法等对布拉格光纤光栅的反射率、反射峰波长和半幅宽度的影响.结果表明：膜层传输矩阵理论与传统传输矩阵法、耦合模理论对布拉格光纤光栅特性分析结论一致;采用高调制长度、低调制幅度可以获得良好的布拉格光纤光栅反射峰,而反射主峰位置改变需用调整调制周期.实验和理论对比分析了主峰在1 550 nm波长的布拉格光纤光栅反射峰情况,验证了该方法的可行性.与传统方法相比,膜层传输矩阵法计算公式简单、运行速度快,可应用于布拉格光纤光栅辅助设计.
布拉格光纤 膜层传输矩阵 传输特性 光栅调制 光子晶体 Transfer matrix theory Fiber Bragg grating Transmission characteristics Grating modulation Photonic crystal 光子学报
2015, 44(11): 1106003
1 厦门大学 物理与机电工程学院, 福建 厦门 361005
2 阜阳师范学院 计算机与信息工程学院, 安徽 阜阳 236037
3 厦门大学 能源研究院, 福建 厦门 361005
通过仿真优化探测器的结构参数和性能, 设计了基于0.25 μm标准BCD (Biplor,CMOS and DMOS)工艺的大面积多叉指状PIN光电探测器.选择已优化的大面积光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器单片集成, 采用0.25 μm BCD工艺实现了一个用于650 nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.结果表明: 多叉指状PIN光电探测器对650 nm入射光的响应度提高至0.260 A/W, 其结电容降低至4.39 pF.对于650 nm的入射光, 在速率250 Mb/s、误码率小于10-9的条件下, 光接收芯片的灵敏度为-23.3 dBm, 并得到清晰的眼图.该光电探测器可用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.
塑料光纤通信 光接收芯片 多叉指PIN 光电探测器 BCD工艺 Plastic optical fiber communication Optical receiver Multi-finger PIN Photodetector BCD process
1 厦门大学物理与机电工程学院
2 厦门大学能源研究院，福建 厦门 361005
基于0.5 μm标准Biplor、互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺设计了两种不同结构不同尺寸的光电探测器，包括传统的P+/N-EPI/BN+结构光电探测器和多叉指P+/N-EPI/BN+结构的光电探测器.通过仿真优化设计了光电探测器的结构参量和性能，测试结果表明：多叉指状P+/N-EPI/BN+光电探测器能够改善650 nm的响应度以及降低结电容.选择该结构大面积P+/N-EPI/BN+光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器的单片集成，采用0.5 μm标准Biplor、 互补金属氧化物半导体和双扩散金属氧化物工艺实现了一个用于650 nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.该光接收芯片的测试结果表明：对650 nm的入射光，在160 Mb/s速率的伪随机二进制序列以及小于10－9的误码率条件下，光接收芯片的灵敏度为－15 dBm，并能得到清晰的眼图.因此，本文设计的光电探测器可以很好地应用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.
塑料光纤通信 光接收芯片 单片光电集成 光电探测器 硅基 多叉值P+/N-EPI/BN+ plastic optical fibers communication optical receiver monolithic optoelectronics integrated circuit photodetector silicon-based multi-finger P+/N-EPI/BN+
厦门大学 物理与机电工程学院 机电工程系, 福建 厦门 361005
为了在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下实现压力的测量,进一步提高传感器的小型化并降低其制作成本,提出并设计了一种基于白光干涉解调的光纤法布里-珀罗压力传感器,实现了传感器的压力测量.基于微机电系统技术,采用光刻、阳极键合以及化学腐蚀的方法制作了以硅和玻璃构成的法布里-珀罗腔体,使用二氧化碳激光器对法布里-珀罗腔体与光纤进行焊接.基于白光干涉解调技术,利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔体的互相关关系对传感器进行了解调,并做了压力实验.实验结果表明：传感器在120~300 kPa范围内具有较高的腔长变化灵敏度和线性度,分别为9.012 7 nm/kPa和99.9%;传感器分辨率为0.1 nm,重复性为0.1%.研究成果对低成本、高一致性光纤F-P传感器的批量制作具有一定的参考价值.
F-P干涉 白光干涉 斐索干涉仪 激光焊接 F-P interference White light interferometry Fizeau interferometer MEMS MEMS Laser welding 光子学报
2014, 43(10): 1006003
1 厦门大学 物理与机电工程学院, 福建 厦门 361005
2 厦门大学 能源研究院, 福建 厦门 361005
研究了光电探测器(PD)的结构、性能以及后续放大电路, 实现了塑料光纤通信的高速单片集成光接收芯片。首先, 根据工艺流程和参数, 采用器件模拟软件对PD结构进行了建模, 并对其光谱响应度和结电容进行了理论推导及仿真。基于Cadence/spectre软件和仿真得到的PD参数对由跨阻放大器、限幅放大器和输出缓冲电路组成的后续放大电路进行了协同设计。采用0.5 μm BCD(Bipolar, CMOS and DMOS)工艺对单个PD以及PD和后续放大电路单片集成电路进行了流片、封装和测试。结果表明: PD的光谱响应曲线的峰值波长和仿真结果较一致, 约为700 nm, PD结构更适合短波长探测; PD的结电容随着反向电压的增大而减小, 结电容越大, 光接收芯片的带宽越小; 对于650 nm的入射光, 在小于10-9的误码率条件下, 光接收机的灵敏度为-14 dBm; 最后得到了150 Mb/s速率的清晰眼图。实验结果显示, 设计的高速单片集成光接收机可以应用于百兆速率光纤入户通信系统。
单片集成 光电探测器 有源电感 光接收机 塑料光纤通信 BCD工艺 monolithic integration photo-detector active inductor optical receiver plastic optical fiber communication Bipolar CMOS and DMOS(BCD)
厦门大学 物理与机电工程学院 机电工程系, 福建 厦门 361005
设计了一种用于塑料光纤通信的650 nm单片集成光接收芯片, 包括光电探测器、跨阻前置放大器、单双端转换、差分放大器、输出缓冲器及失调电压补偿电路.基于合理假设与近似, 从稳态连续方程和边界条件出发, 分析了探测器的光谱响应；采用拉普拉斯变换方法, 分析其频率响应.采用0.5 μm BCD工艺流片, 光接收芯片版图面积832×948 μm2进行测试, 结果表明5V反向偏压下, 探测器在650 nm的响应度为0.26 A/W；光接收芯片在180 Mbps速率及误码率小于10-9情况下, 灵敏度为-14.6 dBm；在100 Mbps非归零伪随机二进制序列信号速率及误码率小于10-9情况下, 能得到清晰的眼图.
光接收芯片 单片集成 光电探测器 塑料光纤通信 Optical receiver Monolithic Photodetector Plastic optical fiber communication
