1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
随着光通信产业和光互联技术的高速发展，具有高调制速率且易集成的小尺寸电光调制器件研究越来越重要。提出了一种以硅绝缘体（SOI）材料为基底的光子晶体纳米梁腔（PCNC）反射壁下载型电光调制器。信号光经过主线波导后首先被锥形波导耦合进一维光子晶体纳米梁腔中，然后进入下载波导并输出。优化主线波导与下载波导中反射圆孔的位置与个数，可以提高器件的整体透射率。纳米梁腔采用圆孔形渐变孔径，使得光束更好地被束缚在腔内。同时，在纳米梁腔两侧引入掺杂以形成PN结，施加较低偏压以改变纳米梁腔的谐振波长，从而实现工作波长光信号的“通”“断”调制。运用三维时域有限差分（3D‐FDTD）法对调制器的光学特性和电学性能进行仿真分析。结果表明，该电光调制器可以实现波长为1550.01 nm的光信号调制，调制电压仅为1.2 V，插入损耗为0.2 dB，消光比为24 dB，面积仅为54 μm2，调制速率为8.7 GHz，调制带宽为122 GHz，调制速率下的能耗仅为4.17 pJ/bit。所提出的电光调制器结构紧凑，性能优异，有望应用于高速大容量光通信系统和集成硅光子技术等领域。
光通信 载流子色散效应 时域有限差分法 光子晶体纳米梁腔 硅基波导 电光调制器 中国激光
2023, 50(19): 1901005
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
光频扫描干涉(FSI)绝对测距技术具有精度高、灵敏度高等优点,受到了大型装备制造领域的广泛关注。为获得更高的测距精度,FSI系统中往往需要通过构建光纤辅助干涉仪以实现对光频变化的精密监测。然而,受环境因素以及色散效应的影响,光纤辅助干涉仪的光程难以在测量过程中维持稳定,导致测量精度严重下降。针对这一问题,提出了一种基于光谱标定的FSI绝对测距方法,采用氰化氢(HCN)气体的吸收光谱特征为FSI系统辅助干涉仪光程的在位快速标定提供稳定、精确的光频参考。提出了一种色散失配误差的快速补偿方法以消除光纤辅助干涉仪引入的色散失配误差对测量结果的影响。为验证上述方法的有效性,在20 m的距离上与商用干涉仪进行精度对比实验。实验结果表明,在测量范围内该系统的最大测距偏差小于50 μm,测量重复性优于±4 μm。
测量 光频扫描干涉 绝对距离测量 吸收光谱 色散效应 光学学报
2022, 42(12): 1212001
Author Affiliations
Abstract
1 Ghent University, Photonics Research Group, Department of Information Technology, Ghent, Belgium
2 Ghent University, IMEC and Center for Nano- and Biophotonics, Ghent, Belgium
3 ADVA Optical Networking, Berlin, Germany
Optical links are moving to higher and higher transmission speeds while shrinking to shorter and shorter ranges where optical links are envisaged even at the chip scale. The scaling in data speed and span of the optical links demands modulators to be concurrently performant and cost-effective. Silicon photonics (SiPh), a photonic integrated circuit technology that leverages the fabrication sophistication of complementary metal-oxide-semiconductor technology, is well-positioned to deliver the performance, price, and manufacturing volume for the high-speed modulators of future optical communication links. SiPh has relied on the plasma dispersion effect, either in injection, depletion, or accumulation mode, to demonstrate efficient high-speed modulators. The high-speed plasma dispersion silicon modulators have been commercially deployed and have demonstrated excellent performance. Recent years have seen a paradigm shift where the integration of various electro-refractive and electro-absorptive materials has opened up additional routes toward performant SiPh modulators. These modulators are in the early years of their development. They promise to extend the performance beyond the limits set by the physical properties of silicon. The focus of our study is to provide a comprehensive review of contemporary (i.e., plasma dispersion modulators) and new modulator implementations that involve the integration of novel materials with SiPh.
high-speed modulators silicon photonics plasma dispersion effect ferroelectrics graphene III–V on Si organic (electro-optic) materials Advanced Photonics
2021, 3(2): 024003
1 国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
激光系统的发射光和跟踪光波长通常会有所不同, 在近地面开展发射光轴和跟踪光轴的高精度定标时, 需要考虑水平传输路径上的大气蒙气色差。理论分析得到水平大气蒙气色差与大气温度垂直梯度、气压垂直梯度、激光波长及传输距离之间的关系, 进而分析了近地面水平大气蒙气色差带来的光轴定标误差。利用自动气象站测量了不同高度的大气温度和气压, 计算分析表明近地面 1 km 水平大 气对 1 μm 和 5 μm 两个波段可能会造成 3 μrad 的蒙气色差, 引起 约 1.5 μrad 的定标误差。研究表明为减小光轴定标误差, 需监测近地面水平大气蒙气色差, 并选择在大气蒙气色差较小的时刻进行光轴定标。
大气光学 水平蒙气色差 激光系统 光轴定标 atmospheric optics dispersion effect of horizontal atmospheric refrac laser system optical axis calibration
1 空军工程大学 防空反导学院, 陕西 西安 710046
2 西京学院 信息工程学院, 陕西 西安 710123
3 中国人民解放军93466部队, 北京 102600
为了有效地对临近空间高超声速飞行器进行探测预警, 计算了星载空间红外探测器的作用距离。全面考虑到目标、背景到探测器之间的大气透过率差异、路径辐射以及点目标成像的弥散效应的影响, 推导出新的作用距离模型, 同时指出模型中的参数仅是波长的函数, 与探测距离无关。基于空气动力学、发动机加力燃烧原理、羽焰温度流场简化模型, 计算X-51A蒙皮、喷管及尾焰的红外辐射强度; 综合自然环境的影响, 建立海面背景的红外辐射模型。仿真指出, 在动力段, X-51A的中波红外辐射强度和作用距离均高于长波波段, 并且随着飞行速度的增加, 中波和长波的辐射强度与作用距离都增大, 考虑了成像弥散效应的作用距离明显小于无弥散效应的作用距离。表明使用中波对X-51A的探测能力优于长波, 实际探测时弥散效应必须考虑。
红外探测 作用距离 探测方程 高超声速飞行器 海洋辐射 弥散效应 infrared detection operation range detection equation hypersonic flight vehicles sea radiation dispersion effect 红外与激光工程
2019, 48(7): 0704003
1 西安工程大学 理学院, 陕西 西安 710048
2 内蒙古工业大学 理学院, 内蒙古 呼和浩特 010051
在考虑折射率色散效应基础上, 以加权平均反射率作为评价函数, 通过智能优化算法对空间硅太阳电池减反射膜进行优化设计, 得到了最佳的膜厚参数, 并与不考虑色散下设计的减反射膜进行了比较。对MgF2/TiO2, SiO2/ TiO2双层减反射膜, 与不考虑色散情形相比, 考虑色散下优化后的最小加权平均反射率分别减小了36.6%和37.6%; 对具有厚度为15 nm的SiO2钝化层的硅太阳电池的MgF2/TiO2, SiO2/ TiO2减反射膜重新优化设计, 与不考虑色散情形相比, 考虑色散下优化后的最小加权平均反射率分别减小了43.9%和33.7%; 对具有不同厚度钝化层的空间硅太阳电池, 在考虑色散下进行了减反射膜的优化设计。结果发现, 随着钝化层厚度的增加, 所得减反射膜的最小加权平均反射率也随之增大, 减反射效果越来越弱。最后, 在考虑与未考虑色散情形下, 将钝化层膜厚也作为反演参量后重新设计。结果表明: 在色散情形下所设计的减反射膜更佳, 对于MgF2/TiO2/SiO2(钝化层)膜系, 最佳膜厚参量为d1(MgF2)=97.6 nm, d2(TiO2)=40.2 nm, d3(SiO2)=4.9 nm; 对于SiO2/TiO2/ SiO2(钝化层), 最佳膜厚参量为d1(SiO2)=85.1 nm, d2(TiO2)=43.4 nm, d3(SiO2)=1.8 nm。
色散效应 加权平均反射率 减反射膜 硅太阳电池 智能优化算法 dispersion effect weighted average reflectivity anti-reflection coating silicon solar cell intelligent optimization algorithm 红外与激光工程
2018, 47(6): 0621003
1 空军预警学院, 湖北 武汉 430019
2 航天飞行动力学技术重点实验室, 北京 100094
针对光纤信道特性变化引起频率远距离传输的稳定度损失问题进行了研究。综合光纤热膨胀、折射率分布和色散效应特性随环境温度变化引入的不稳定性，建立了链路时延模型。通过25 km单模光纤1550 nm光信号的传输实验对该模型进行了验证。实验结果表明，当光纤温度与环境温度同步变化且其他环境因素对传输稳定性影响较小时，该模型计算得出的理论时延变化与实验结果保持一致。对该模型进行了分析讨论，确定了模型参数随温度和波长变化情况，并得出了各特性引入时延变化的量级，当折射率变化引起的相对时延变化为10.22 ns时，光纤热膨胀和色散效应引入的相对时延变化分别为0.7741 ns和-0.5983 ps。
光纤光学 时延模型 时延抖动 时频传递 色散效应 折射率
内蒙古大学物理科学与技术学院, 内蒙古 呼和浩特 010021
运用分步傅里叶变换法对适用于超短艾里脉冲的高阶耦合非线性薛定谔方程进行了求解，利用Matlab软件对超短艾里脉冲在单模光纤中传输时相互作用的演化过程进行了数值模拟。结果表明，负三阶色散效应可加快波包的渗透速度，超短脉冲可传输更远距离；正三阶色散效应可减慢超短脉冲的传输，当三阶色散系数足够大时脉冲前沿处的振荡转移到后沿处。自陡峭效应通过孤子分裂的形式使超短脉冲产生时域位移，内拉曼效应导致脉冲在波长较长一侧产生拉曼自频移，且超短脉冲的能量由前沿处转移到后沿处。自陡峭效应和内拉曼效应的共同作用导致超短脉冲产生时域位移且脉冲前沿处的能量会转移到后沿处。三阶色散效应、自陡峭效应、内拉曼效应三者同时存在时会显著影响超短艾里脉冲相互作用的自弯曲特性和自加速特性。
光纤光学 相互作用规律 超短艾里脉冲 三阶色散效应 自陡峭效应 内拉曼散射效应
中国科学院半导体研究所 集成光电子国家重点实验室, 北京 100083
基于硅的等离子色散效应, 构建了SOI基光波导可调光衰减器(VOA)仿真模型, 对SOI基亚微米脊形波导结构的模式特性、VOA器件的掺杂区间距、掺杂深度及浓度对VOA特性的影响进行了系统的模拟分析, 优化设计出了小尺寸、低损耗的VOA器件, 仿真结果表明: 该器件在2.1V电压下即可获得30dB衰减量, 功耗仅为14mW。
绝缘体上硅 可调光衰减器 光波导 等离子体色散效应 SOI VOA optical waveguide plasma dispersion effect
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051
2 中北大学 朔州校区，山西 朔州 036000
3 中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051
针对高频电光调制器的应用需求，提出了一种基于绝缘体上硅微环谐振腔的PIN型电光调制器.利用散射矩阵法描述了微环谐振腔谐振特性机理，结合等离子体色散效应中载流子浓度对硅有效折射率变化的影响，系统分析了微环谐振腔电光调制器的理论模型.在此基础上，利用Rsoft仿真软件对脊型波导截面光场分布进行了仿真分析，得到了光场局域性能较优的脊型纳米波导微环谐振腔设计；结合Sentaurus TCAD仿真软件对不同掺杂浓度下的PIN型二极管性能进行了仿真计算，理论得出了Q值仅为5×103时频移量达58.74 GHz的微环谐振腔最优电光调制器结构，为电光调制器的深入研究提供了理论参考.
等离子体色散效应 微环谐振腔 电光调制器 脊型波导 PIN型二极管 Plasma dispersion effect Microring resonator Electrooptic modulator Rib waveguide PIN type diode
