1 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室，吉林 长春 130012
2 武汉工程大学光学信息与模式识别湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205
得益于飞秒激光直写技术的穿透式真三维改性加工能力，多种介质内任意三维路径及截面形状的光波导得以实现并得到了重要应用。本文围绕飞秒激光直写光波导的机理及基本类型，综述了三维光波导器件在光通信、集成量子光学、拓扑光子学、天文光子学以及光学传感等领域的应用。从三维光子芯片的应用需求入手，总结了飞秒激光直写技术在低损耗、任意截面、大纵深直写和可重构三维波导制备中面临的挑战，并展望了飞秒激光直写三维光波导的未来发展趋势。
集成光学 光子集成芯片 飞秒激光直写 三维光波导
1 太原理工大学物理学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
3 太原理工大学电子信息与光学工程学院，山西 太原 030024
混沌激光具有宽频谱、类噪声、低相干等特性，在通信、雷达、传感等领域有广泛的应用。本文介绍了混沌半导体激光器的3种主要工作机制，分别为光反馈、光注入和光电反馈；重点研究典型混沌半导体激光器的频谱带宽、时延特征，以及复杂度等性能及其研究进展；进一步论述光子集成混沌半导体激光器的发展趋势；最后介绍混沌半导体激光器在保密光通信、随机数生成器、激光雷达、分布式光纤传感、混沌光时域反射计等领域的应用现状。本文可为高带宽、低时延混沌半导体激光器的发展和应用前景提供借鉴。
混沌激光 半导体激光器 光子集成 带宽提升 时延特征 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0114008
1 华东师范大学物理与电子科学学院，上海 200241
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
近年来，薄膜铌酸锂光子集成技术发展极为迅速，其背后有着深刻的物理、材料、技术原因。单晶薄膜铌酸锂为解决光子集成芯片领域长期存在的低传输损耗、高密度集成以及低调制功耗需求提供了至今为止综合性能最优的解决方案。面向未来的新一代高速光电器件与超大规模光子集成芯片应用，本文回顾了薄膜铌酸锂光子技术的起源及其近期的快速发展，讨论了若干薄膜铌酸锂光子结构的加工技术，并展示了一系列当前性能最优的薄膜铌酸锂光子集成器件与系统，包括超低损耗可调光波导延时线、超高速光调制器、高效率量子光源，以及高功率片上放大器与片上激光器。这些器件以其体积小、质量轻、功耗低、性能好的综合优势，将对整个光电子产业产生难以估量的影响。
1 鹏城实验室，广东 深圳 518055
2 南方科技大学 电子与电气工程系，广东 深圳 518055
随着全球数据流量的不断增长，硅基光子集成电路已经成为高性能芯片内/芯片间光通信领域中一个极具发展潜力的研究方向。然而，由于本征硅的发光效率极低，硅基片上光源成为光子集成电路中最具挑战性的元器件。为了解决缺乏原生光源的问题，硅基集成的Ⅲ?Ⅴ族半导体激光器已经得到了广泛研究，该激光器提供了优越的光学和电学性能。值得注意的是，在Ⅲ?Ⅴ族半导体激光器中使用量子点作为增益介质已经引起了诸多关注，因为它具有多种优点，如对晶体缺陷的容忍度高、温度敏感度低、阈值电流密度低和反射灵敏度低等。使用量子点的激光增益区在光子集成方面相比量子阱有许多改进。增益带宽可以根据需要进行设计优化，并在整个近红外光范围内实现激射。量子态与周围材料的大能级分离使其获得了优异的高温性能和亚皮秒时间尺度的增益恢复。本文从量子点材料及量子点激光器、基于晶圆键合技术、基于倒装键合技术、基于直接外延生长技术等多个角度，综述了硅基Ⅲ?Ⅴ族半导体量子点激光器的最新研究进展，并对其未来前景和挑战进行了探讨。
硅光子学 片上量子点激光器 光子集成 silicon photonics on-chip quantum dot lasers photonic integration
1 河南师范大学电子电气工程学院, 河南 新乡 453007
2 河南省光电传感集成应用重点实验室, 河南 新乡 453007
3 河南省电磁波工程院士工作站, 河南 新乡 453007
4 河南省增材智能制造工程实验室, 河南 新乡 453007
为了提高偏振分束器的消光比，提出了一种由混合等离子体水平狭缝波导(HSW)和氮化硅混合垂直狭缝波导(VSW)组成的双槽超紧凑偏振分束器(PBS)。同时，包层材料为二氧化硅，既能防止混合等离子体氧化，又便于与其他器件集成。采用有限元方法仿真HSW和VSW的模态特性。HSW和VSW波导在特定的宽度下TE偏振模式是满足相位匹配的，而TM偏振模式相位不匹配。因此，HSW波导中的TE模式与VSW波导发生强耦合，而TM模式直接通过HSW波导。结果表明：在1.55 μm的TE模式下，PBS的消光比(ER)为35.1 dB，插入损耗(IL)为0.34 dB，在TM模式下，PBS的ER和IL分别为40.9 dB和2.65 dB。所设计的PBS有100 nm的工作带宽，具有高ER，低IL的特点，适用于光子集成电路(PICs)。
光子集成电路 偏振分束器 双槽波导 photonic integrated circuits polarization beam splitter slot waveguides.
1 东南大学 仪器科学与工程学院 微惯性仪表与先进导航教育部重点实验室， 江苏 南京 210096
2 东南大学 苏州校区 苏州市金属纳米光电技术重点实验室，江苏 苏州 215123
3 东南大学 电子科学与工程学院 信息显示与可视化国际合作联合实验室，江苏 南京 210096
光子集成芯片将多种功能器件进行片上集成，具有损耗低、带宽大、抗电磁干扰等优势，是当前光电领域发展的主流方向。集成光学器件的温度稳定性是影响其光学性能的重要因素之一。为了提高集成光学器件温度稳定性，提出了基于氮化硅（Si3N4）和长程表面等离激元（Long-Range Surface Plasmon Polariton，LRSPP）波导的温度不敏感结构，对器件性能随温度的漂移进行抑制和补偿。首先，分析了Si3N4波导和LRSPP波导对接的模式耦合效率，当满足最佳匹配条件时，可实现耦合效率99.9%以上的高效耦合。对混合波导的温度特性进行了分析，结果表明，当LRSPP波导和Si3N4波导的最佳长度比为 0.077，相位不随温度的变化而发生漂移，实现了温度不敏感的波导。当波导不能满足最佳长度比时，对LRSPP波导芯层施加电压实现主动补偿，亦可实现温度不敏感。此外，对LRSPP波导的传输特性进行了测试，测得偏振消光比为64 dB，具有良好的单偏振特性。文中提出的温度不敏感结构具有可主动调谐、损耗低、单偏振、普适性高等优点，能有效地解决Si3N4波导性能随温度变化发生漂移的问题，在Si3N4基光子集成芯片中具有广泛的应用前景。
光子集成芯片 温度不敏感 相位调谐 氮化硅 表面等离激元 photonic integrated circuits temperature insensitive phase tuning silicon nitride surface plasmon polariton 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220881
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 南京大学现代工程与应用科学学院，江苏 南京 210093
3 中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431
4 中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007
双波长激光器腔内模式竞争激烈，因此输出模式的稳定性是双波长激光器的关键参数。从降低双波长激光器中两个主模之间的功率差、提高边模抑制比出发，设计了集成反射区的两段式双波长分布反馈半导体激光器。利用传输矩阵法对激光器的光栅结构进行仿真，分析了反射区光栅对激光器的阈值、主模功率差等参数的影响。根据仿真优化的结果，制作了单片集成两段式双波长分布反馈半导体激光器芯片并进行了测试。测试结果表明两段式结构能够提高双波长激光器的稳定性和边模抑制比，减小两个主模的功率差。在稳定工作的情况下，两个主模功率差可达0.3 dB，边模抑制比大于35 dB。
激光器 双波长激光器 分布反馈半导体激光器 两段式激光器 光子集成 单片集成 光学学报
2023, 43(10): 1014002
1 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
大带宽光子滤波器被广泛应用于稀疏波分复用系统中，而在硅基芯片上实现结构紧凑、性能优良的超大带宽滤波器仍然是该领域研究的重点。提出一种基于光栅辅助反向耦合器的超大带宽硅基光子滤波器。利用窄波导更低有效折射率和更分散电场分布的性质，实现了带宽为92.9 nm、器件长度为250.6 μm的超大带宽滤波器。该滤波器具有矩形度高、带宽大、损耗低等优势，能满足稀疏波分复用系统中解复用等需求。
集成光学 稀疏波分复用 硅光子学 滤波器 光子集成电路
1 天津工业大学 电子与信息工程学院 天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387
2 天津工业大学 计算机科学与技术学院，天津 300387
3 巴塞罗那大学 电子与生物医学工程学院，西班牙 E-08028
为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用，提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上，设计了手环式解调电路，对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明: 解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm～1 560 nm，波长分辨率为0.08 pm，解调精度为5 pm，温度监测范围为35 ℃～42 ℃，误差为±0.1 ℃；可检测50 Hz～100 Hz频率范围内的心音信号，可识别出第一心音和第二心音，并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。
光纤光栅传感解调 光子集成芯片 温度 心音 可穿戴 fiber grating sensing demodulation photonic integrated chip temperature heart sound wearable
1 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
相移光栅是光子集成电路的基本元件之一，被广泛应用于多种领域中。与传统的反射型相移光栅相比，反向耦合型相移光栅无需光环形器，易实现大规模集成。提出了一种高Q值、超窄带宽的反向耦合型相移光栅。利用光栅的Moire效应，通过将不同周期的波导光栅组合在一起，实现了Q值为12893、3 dB凹陷带宽为0.12 nm的反向耦合型相移光栅。该相移光栅具有尺寸小、Q值高和凹陷带宽窄等优势，能被广泛应用于生物传感、激光器和波长滤波等领域中。
光栅 相移光栅 光子集成电路 Moire效应 反向耦合型相移光栅 硅光子学
