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吉达市光电检查评定技巧与系统第大器晚成实验室在光子集成方面得到重大进展

2019-11-06 09:57栏目:新闻
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在国家自然科学基金项目资助下,天津市光电检测技术与系统重点实验室、电子与信息工程学院现代通信网络与系统创新团队李鸿强教授课题组,在光纤光栅解调系统硅基光子集成方面取得重要进展,制备出阵列波导光栅解调光路硅基光子混合集成芯片。该研究成果以“ Chip-scale demonstration of hybrid III-V/silicon photonic integration for an FBG interrogator ”为题于2017年 6月 22日在线发表在国际光学TOP学术期刊Optica上。

随着5G和光纤通讯的发展,市场对通讯的速率和带宽有更高的要求。光子集成技术作为光纤通信最前沿、最有前途的领域,它是满足未来网络带宽需求的最好办法。纤维集成光学是一种新兴的光子集成技术。纤维集成光学的核心思想是将较复杂的光路和各种光学元器件集成到一根光纤中,通过将光路和各种光器件微缩集成到一根光纤中的方法和技术,可形成一系列新型、微型、特种光器件、组建和系统。尽管光纤在横向上的集成空间有限,然而其沿传输方向的无限延展性为未来提高光器件的集成度提供了可能。

新闻中心讯 我校信息学院通信系、ASIC国家重点实验室博士生朱江波同学参与其导师、我校长江讲座教授余思远教授领导的英国、中国四所大学研究团队,合作进行了一项集成光子学方面的开创性研究。他们最近成功地在硅基光波导芯片上首次集成了‘漩涡光束’发射器件阵列。该项研究成果作为封面报道发表于2012年10月19日出版的最新一期Science杂志及其期刊网站主页( Choices)。这一成果开辟了集成光子学的一个新前沿。Science就此进展对余思远教授进行了电话专访,访谈内容在其多媒体网页(

1978年加拿大K. O. Hill等人首次发现掺锗光纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生周期性的永久性改变,并制造出世界上第一根光纤光栅。由于具有波长解码、易构成分布式结构、抗电磁干扰强等特点,光纤光栅已经成为各种参量检测的重要传感工具,并在航空航天、土木工程、复合材料和石油化工等领域取得了成功的应用。但是,目前光纤光栅传感解调科学研究和工程应用中的光谱分析仪和光纤光栅解调系统仪器设备存在体积较大、成本较高等缺点,严重限制了光纤光栅传感技术推广应用的领域。

这种新兴的光子集成技术已经发展成为微纳光子芯片的一个分支,也在“光纤内或光纤上的实验室”的研究方向中得到了充分的展示。

人类自古以来就研究光,而漩涡光束直到1992年才在荷兰莱顿大学被发现。因此,它是古老的光学科学的最新发展。漩涡光束有很多奇妙的性质:与传统概念相悖,在漩涡光束中,光线不是直线传播,而是以螺旋线方式在一个空心的圆锥形光束中传播。因此这种光束看起来很像一个漩涡或者龙卷风,其中的光线可以向左或向右扭转。这些特殊性质在光通信技术、量子信息技术、传感、成像、微纳操控技术、芯片等领域具有非常广泛的应用前景。

硅基光子学的发展为光学系统的小型化提供了可能,李鸿强教授课题组通过“光纤光栅光子学”与“半导体光电子学”之间的交叉融合,首次开展了光纤光栅解调光路硅基光子混合集成的研究。将III-V族垂直腔面发射激光器、多模干涉耦合器、光栅耦合器、阵列波导光栅和III-V族光电探测器等各功能单元器件进行异构集成,利用光束传播法和时域有限差分法进行各功能单元器件的理论建模和光学特性仿真优化,基于顶层硅厚度为220nm 、掩埋层二氧化硅厚度为2μm的 SOI晶圆,完成了输入/ 输出光栅耦合器阵列、多模干涉耦合器、阵列波导光栅的SOI光子集成芯片流片,利用苯并环丁烯作为键合介质进行了III-V族片上光源和光电探测器的混合集成。

纤维集成光学的研究主要集中在以下三个方面:

漩涡光束发现20年来,传统上一直用各种体光学元件,例如柱状透镜、某些特殊波片、全息片、空间光调制器等来产生这种光束。这些方法对于研究很有用,但是对于很多应用,特别是很小区域内需要大量漩涡光束的情况下,非常不方便,阻碍了大规模应用的发展。

图片来源:电子与信息工程学院

新型光纤的设计与制造,

余思远教授团队发明的集成光漩涡发射器件,尺寸只有几个微米(微米是毫米的千分之一),比传统的光学元件小数千至数万倍。这些器件基于硅基光波导,可以在光子芯片上通过光波导互联,构成大规模的复杂阵列,并可用标准的集成电路工艺制作。因此这一突破将使得人们能够大规模、低成本制作光漩涡器件芯片,从而开发出原来不可能实现的许多全新应用。

上述研究进展将光纤光栅传感解调应用基础研究领域提升到一个新高度,拓展了当前硅基光子学在远程光通信和数据通信光器件以外的发展研究领域。正如国际同行专家评论该研究成果是: I believe that the work presented by the authors can be very interesting for a wider community in the area of optics and even more importantly it demonstrates a practical use of the photonic integration technology in the application space outside of tele- or data communications 。

基本光器件或组件的集成技术,

Optica

进一步开发多功能微系统集成技术和光纤集成光学的方法。

是美国光学学会OSA的旗舰学术期刊,期刊高选择性发表光学及光子学各领域内的最高水平研究成果。

Chinese Optics Letters 近期发表的综述文章概述了纤维集成光学在过去十几年的研究概况。文中对纤维集成技术基础进行了介绍,包括几种功能性光纤、纤维集成光器件以及一些应用实例。

一、 功能性光纤

多芯光纤

图1给出了几种不同结构的多芯光纤。这种光纤的每一个纤芯都可以作为独立的光波传输通道,可以用于制作单光纤干涉仪、光纤耦合器、多芯光纤扇入/扇出器、光电解调器、光纤集成多激光器等纤维集成光器件。

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