1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
采用非对称大光腔外延结构设计制备出976 nm InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱脊形半导体激光器，通过对外延结构的设计优化，以实现器件低远场发散角、低功耗的基横模稳定输出。所制备基横模脊形半导体激光器的脊宽为5 μm、腔长为1500 μm，在25 ℃测试温度下，可获得422 mW最大连续输出功率，峰值波长为973.3 nm，光谱线宽（FWHM）为1.4 nm。当注入电流为500 mA时，垂直和水平远场发散角（FWHM）分别为24.15°和3.90°。在15~35 ℃测试温度范围内对脊形半导体激光器的水平远场发散角进行测试分析，发现随着测试温度的升高，器件远场分布变化较小，水平远场发散角基本维持在3.9°左右。
激光器 976 nm半导体激光器 基横模脊形波导 低远场发散角 非对称大光腔结构
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
设计并制作了一种新型含有组合光栅结构的分布式布拉格反射（CDBR）半导体激光器。通过引入组合光栅结构，对分布式布拉格反射（DBR）激光器的高阶侧向模式进行调控，提升了高阶侧向模式的损耗，最终优化了远场光斑图案。实验制得的器件腔长为2 mm，脊波导宽度为40 μm，高阶光栅周期为7 μm，占空比为0.6。当注入电流为1.0 A时，组合光栅起到明显作用，远场光斑图案从DBR-激光二极管（LD）的多瓣优化到CDBR-LD的单瓣。CDBR-LD在电流为1.25 A时的饱和输出功率约为433 mW，斜率效率为0.337 W·A-1，注入电流为0.95 A时的光谱半峰全宽（FWHM）约为0.61 nm。
激光器 半导体激光器 组合光栅 侧向模式 远场光斑 脊波导 中国激光
2023, 50(23): 2301011
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
为研究中红外波段的片上波导传感性能，针对2 172.75 cm-1处的一氧化碳吸收线，提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律，通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构，优化了光子晶体波导的晶格常数、孔半径、中心孔半径和脊形波导的脊宽、条宽、脊高和条高。仿真结果表明，光子晶体波导和脊形波导的功率限制因子分别为250.69%和115.65%。对两种传感器进行计算和性能评估，得到两种传感器的传输损耗分别为27.5 dB/cm和3 dB/cm，最佳波导长度分别为72 μm和162 μm。设定探测器最小可检测信噪比为10，得到两种传感器的最小可检测气体浓度分别为9.13×10-6和8.51×10-6。讨论了波导传输损耗对传感器性能的影响，若能有效降低波导损耗，可进一步降低最小可检测气体浓度。对比两种传感器，光子晶体波导具有更大的功率限制因子，脊形波导具有低传输损耗和横磁模兼容性的优点。
波导传感器 中红外 吸收光谱 气体传感器 光子晶体波导 脊形波导 Waveguide sensor Middle infrared Absorption spectrum Gas sensor Photonic crystal waveguide Ridge waveguide 光子学报
2023, 52(10): 1052414
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
2 State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3 Shanghai Research Center for Quantum Sciences, Shanghai 201315, China
4 Collaborative Innovation Center of Light Manipulation and Applications, Shandong Normal University, Jinan 250358, China
Optical frequency conversion based on the second-order nonlinearity () only occurs in anisotropic media (or at interfaces) and thus is intrinsically polarization-dependent. But for practical applications, polarization-insensitive or independent operation is highly sought after. Here, by leveraging polarization coupling and second-order nonlinearity, we experimentally demonstrate a paradigm of TE/TM polarization-independent frequency upconversion, i.e., sum frequency generation, in the periodically poled lithium niobate-on-insulator ridge waveguide. The cascading of quasi-phase-matched polarization coupling and nonlinear frequency conversion is exploited. With a proper transverse electric field, TE and TM mode fundamental waves can be frequency-upconverted with an equal efficiency in the frequency converter. The proposed method may find ready application in all-optical wavelength conversion and upconversion detection technologies.
frequency upconversion polarization coupling lithium niobate on insulator ridge waveguide cascading process Chinese Optics Letters
2023, 21(12): 121901
1 中国科学院福建物质结构研究所，福建 福州 350002
2 中国科学院大学，北京 100049
对硅基周期极化铌酸锂（PPLN）薄膜脊形波导进行了理论分析，并使用有限元软件模拟了25 ℃下泵浦波长为1560 nm的PPLN脊形波导的准相位匹配（QPM）周期与波导脊高和脊宽的关系。仿真结果表明，在相同脊宽（10 μm）或脊高（10 μm）下，PPLN脊形波导的QPM周期随着脊高或脊宽的增加而增大，最后趋于常数（即块状PPLN的QPM周期）。进一步模拟了在脊高和脊宽维持不变的情况下，PPLN脊形波导的QPM周期与温度之间的关系。结果表明，随着温度的增加，PPLN脊形波导的QPM周期逐渐减小，并且温度每升高1 ℃，QPM周期减小约3 nm。根据仿真结果制作了硅基片上集成PPLN脊形波导器件，将其封装成小体积的光纤入光纤出的波导，并测试了性能。当温度为24.8 ℃、1560 nm基频光输入功率为1.2 W时，最大输出653 mW的倍频光，光光转换效率达54.4%，归一化转换效率为20.2 %?W-1?cm-2。
非线性光学 周期极化铌酸锂 薄膜 准相位匹配 脊形波导 中国激光
2023, 50(22): 2208001
宁波大学高等技术研究院, 红外材料与器件实验室, 浙江 宁波 315211
使用磁控溅射制备了掺铒氧化铝薄膜, 对薄膜进行了退火处理, 测量薄膜的折射率和X射线衍射图谱, 发现薄膜在600 ℃的退火温度下呈非晶态, 在1.5 μm处的折射率为1.67左右。模拟模场分布, 获得光与掺铒层之间相互作用最大的波导结构参数, 并进一步优化制备条件, 实现侧壁光滑的低损耗掺铒氧化铝脊型波导。在1.31 μm的波长下, 2 μm宽度的氧化铝脊型波导的损耗为1.6 dB/cm, 和使用超快激光灼烧的方法所制备出的损耗为3.8 dB/cm氧化铝脊型波导相比, 损耗大为降低。结果表明, 掺铒氧化铝波导在平面集成波导放大器应用方面极具潜力。
氧化铝薄膜 射频溅射 紫外光刻 脊型波导 干法刻蚀 Al2O3 film RF sputtering ultraviolet lithography ridge waveguide dry etching
1 中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051
2 中北大学 南通智能光机电研究院，江苏 南通 226000
3 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051
4 中北大学 前沿交叉科学研究院，山西 太原 030051
太赫兹（THz）波位于微波与红外光波之间，现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是，由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因，THz器件主要是平面结构，而THz源及其传输需要用矩形波导。因此，矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换，实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明，在0.2~0.4 THz频段内，该转换结构的传输系数(S21)高于−3 dB，可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域，为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。
太赫兹耦合结构 脊波导 模式转换 terahertz coupled structure ridge waveguide schema transformation 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210733
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China
2 Shandong Key Laboratory of Optical Communication Science and Technology, School of Physical Science and Information Technology, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China
3 Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations & Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
4 School of Physics, Shandong University, Jinan 250100, China
Lithium niobate (, LN) channel and ridge waveguides have been successfully fabricated by He ion implantation, which has energy of 500 keV and fluence of and is combined with lithography and the precise diamond dicing technique. The refractive index profile of the annealed LN planar waveguide was reconstructed. The propagation loss of the channel waveguide with a width of 10 µm and that of the ridge waveguides with widths of 25 µm and 15 µm were investigated by the end-face coupling method. In our work, the factors that affect the waveguide properties of channel and ridge waveguides were revealed.
lithium niobate waveguides ion implantation ridge waveguide channel waveguide Chinese Optics Letters
2022, 20(7): 071301
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为提高1060 nm锥形激光器的输出性能,对1060 nm锥形激光器的脊形波导区和锥形增益区长度进行了优化。当保持总腔长3 mm不变时,设置脊形波导区长度为500,750,1000 μm。在输出功率为2 W时,对三种情况所需的输入电流、功率-电流曲线斜率效率、电光转换效率、输出光谱及远场特性进行了对比。研究结果表明,当脊形波导区长度为750 μm,锥形增益区长度为2250 μm时,1060 nm锥形激光器的输出性能最优。当输出功率为2 W时,所需输入电流为3.95 A,斜率效率为0.61 W/A,转换效率为33.9%,光谱宽度(半峰全宽)为0.3 nm,远场近似高斯分布且95%能量处的水平发散角约为14°。
激光器 锥形激光器 脊形波导 1060 nm 输出性能
1 南京信息工程大学长望学院，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
在射电天文领域，为了实现更宽频带内多谱线同时观测任务，要求太赫兹超导相干接收机向更宽带方向发展。针对下一代太赫兹超宽带接收机的应用需求，提出了一种频段覆盖180~ 420 GHz(相对带宽达87%)的超宽带脊波导双工器设计，主要包括：180~300 GHz频段和320~420 GHz频段宽带脊波导滤波器设计与变换；超宽带太赫兹多级耦合型脊波导双工器优化设计。仿真结果表明该结构能够在180~300 GHz和320~420 GHz频段双工工作，回波损耗整体优于15 dB，通道间隔离度达20 dB以上。
太赫兹 脊波导 滤波器 双工器 超宽带 射电天文 terahertz ridge waveguide filter duplexer ultra-wideband radio astronomy 太赫兹科学与电子信息学报
2021, 19(5): 804
