Abstract ：

在集成光学中，传统介质波导的导波原理是基于全内反射原理。在实际研究中发现基于传统介质波导的光子器件，其横向尺寸与纵向尺寸一般相差较大，这就使得这种结构的光子器件通常是狭长型的。而且受到介质材料本身以及工作机理的限制，基于传统介质波导的光子器件已经发展到瓶颈阶段，其结构尺寸无法大规模的减小，这严重影响了集成光路系统的进一步发展。而另一方面，集成电子学中的器件尺寸通常在纳米量级，远远低于基于传统介质波导结构的光学器件，这两种器件在尺寸上的巨大差异导致集成光路与微电子电路的高集成化发展也受到一定的阻碍。因此，为适应当前光信息技术的迅速变化，必须要研究基于新型光波导的光子器件，以满足集成光电子技术高度集成化的要求。介质狭缝波导作为一种性能优良的新型光波导正受到越来越广泛的关注，其可以实现几十纳米量级的光约束，易于集成，并且制作工艺简单。本文基于介质狭缝波导研究设计了两种重要的光子器件——波分复用器和极化分离器。 首先，通过对介质狭缝波导的色散特性及定向耦合特性进行研究，提出了一种基于狭缝波导的定向耦合型1×2波分复用器，并且采用时域有限差分法对其传输特性进行了分析。计算结果表明，这种波分复用器的透射率保持在93%以上。通过将三个1×2波分复用器组合，我们构建了一种非对称型1×4波分复用器，与对称型结构相比，非对称型结构使得器件更为紧凑。 其次，研究分析了TE偏振模式在水平狭缝波导结构中的传输情况，并且结合TM偏振模式的相关特性研究，设计出一个定向耦合模型，并且基于该耦合模型构建了一种结构简单的极化分离器。时域有限差分法表明该极化分离器在传输波长1.4888-1.5401um范围内，均能保持90%以上的透射率，能有效实现不同偏振模式的分离。 本文基于介质狭缝波导设计的波分复用器和极化分离器模型不仅结构简单、紧凑，可工作于光通信波段，而且器件的相关工作性能也有了较大的提升。通过进一步的研究分析，本文基于介质狭缝波导设计的波分复用器和极化分离器有望应用于高密度的集成光路系统中。

Keyword ：

波分复用器 极化分离器 狭缝波导

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精密测量技术，以智能制造为核心目标，支撑着第四次工业革命制造技术的实现。伴随着微电子、微机电、微制造、微装配、精密检测、生物、纳米等工程与技术的快速发展，对跨尺度的位移、位置、角度、速度和加速度等量值要求更精确、更经济地测量，是测量技术发展亟待解决的关键技术。当前，我国装备制造业的发展现状中，国产精密测量技术的大量程、高精度、高容差的位移测量部件和系统，已经成为我国高端装备、精密和智能仪器等技术发展的瓶颈，制约并影响着我国高端制造和国家战略技术的发展和布局。反射式光栅测量系统是高端智能制造或检测设备位移测量的核心关键部件，技术和相关产品受制于西方的封锁和禁运制约。因此，理论上深入探索研究反射式光栅测量系统的工作原理，技术上提高其性能和安装容差，拓展其应用范围是十分关键的工程技术难题；反射式光栅测量系统的技术升级将会直接带来高端制造装备的性能提升，拉升实际制造的技术水平，有益于国家安全和发展利益。 本文的研究内容主要聚焦于反射式光栅位移测量系统的集成光学技术、精度标定技术和基于其的惯性测量技术，探索各种可行的技术方案并分析其技术原理、技术特点及可能的适用范围。主要研究内容和结论如下： （1）高容差的光学读数方法与高鲁棒性的读数系统。针对反射式光栅测量系统安装公差苛刻的问题，提出了高鲁棒性读数头的解决方案；通过理论分析，确定了最适合于构建高鲁棒性光栅读数头的光路形式为由指示光栅、标尺光栅和解析光栅组成的三光栅光路。实际设计并制造了高鲁棒性读数头并通过调整光电池尺寸、数量以及与莫尔条纹的位置关系的方法改善了读数头的抗污能力从而进一步提高了读数头的鲁棒性。测量了所研发读数头的4种位姿对正公差，证明实际研发的读数头具有超过1 mm的读数间隙和超过0.85°的角度容差且可以抵抗0.15 mm的间隙变化，具有较好的鲁棒性。 （2）高适应性高精度的标定方法与设备。分析了反射式光栅测量系统的误差组成和特性。针对反射式光栅测量系统单周期测量精度标定“高分辨率”和“高运动精度”的要求，实际设计并制造了具有3 nm运动分辨率和最大偏转角仅为0.22 arc-sec的压电平移台，将其与激光干涉仪巧妙配合构建了高适应性的标定系统；制定了单周期精度标定的具体方法；通过实验证明了所研发的系统和方法可以分离出反射式光栅测量系统的单周期误差成分；通过测量不确定度的评价（扩展不确定度34 nm远远小于标定结果0.170 μm）证明了所采用的方法是高精度的标定方法。针对反射式光栅测量系统长周期精度标定“大量程”和“高环境宽容度”的要求，研发了基于高精度气浮运动平台和波长自补偿测量光路的12m量程标定系统和长周期精度标定设备和相应方法；通过测量不确定度的评价（扩展不确定度0.256 μm远小于标定结果5.963 μm）证明了所采用的方法的高精度特性。证明了通过对长周期误差曲线进行线性拟合的方式可以补偿光栅测量系统的测量基准误差，从而提高光栅系统的测量精度。探索了在不重复安装标尺光栅的情况下对单周期、长周期精度进行联合标定的方法，通过实验证明了采取合理调整光栅系统组成元件与标定系统运动子系统安装关系的方式进行单周期与长周期误差联合标定具有一定的可行性。 （3）在惯性加速度测量领域的应用拓展。针对光学加速度计价格昂贵、配置解算复杂的难点，提出了利用强度型反射式光栅测量系统构建一维光学加速度计进行加速度测量的方法；实际研发了量程为±160 g，固有频率328 Hz，灵敏度110mV/g，横向交叉灵敏度0.7%，测量精度1.9%的一维光学加速度计；通过实验和对比证明了所设计制造的加速度计具有测量范围大，精度高，横向灵敏度小，灵敏度和固有频率适中的技术特点并具有较大的成本优势。针对多维加速度传感器横向灵敏度高、对正误差大的问题，利用多维反射式光栅测量系统的冗余式测量特点，提出了一种特殊的光路配置和横向灵敏度抑制算法；研发了量程为±500 g，双轴固有频率均为1005 Hz，灵敏度为12 mV/g，X轴和Y轴的横向交叉灵敏度分别仅为1.48%和1.46%，双轴测量精度2.15%的二维加速度计；通过实验证实了所采用的抑制方法可以使横向交叉灵敏度最多降低69.6%。 本论文涉及到基于反射式光栅测量系统的高鲁棒性的光学读数方法、单周期/长周期精度分离与标定方法、一维与二维加速度测量方法；实际研发了高鲁棒性光栅读数头、高精度单周期/长周期误差标定系统以及高性能的一维/二维光学加速度计。

Keyword ：

反射式光栅测量系统 高鲁棒性光路 惯性加速度测量 精度标定

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随着微纳米加工技术的进步和发展，微纳米光学腔和微纳米机械振子领域都取得快速的发展。微纳米光学腔，借助于先进的微纳米制造技术，可以将光学模式局限在纳米尺度下，从而实现很高的光学品质因子和极小的光学模式体积，因此被广泛应用于量子光学、非线性光学、高灵敏度光学检测、光学通信以及生物光学等方面。同时，基于微纳米加工而成的机械振子，本身具有频率高、尺寸小、稳定性好以及易于集成等优点，也被大量应用在传感、检测等领域。微纳米光学与微纳米机械相结合而形成的新兴领域：腔光机械学，将两个具有长久发展历史的领域结合到一起，不仅有利于新型器件的发展，更能有效推动下一代光学通信、量子通信、量子计算机等一系列领域的发展。 在此背景下，本文基于片上集成腔光机械系统，以研究开发新型多功能片上光学器件为实际目标，以探究纳米尺寸下光物质相互作用为理论基础，以强耦合强光机械振子为核心，主要从片上声子动态传递、纳米机械振子的分数同步和频率稳定、耗散型光机械传感等三个方面展开了深入的研究。 在片上声子动态传递方面，首次在国际上实验实现了两个远程腔光机械振子之间的强耦合并观测到了模式分裂。这一实验现象打破了人们对于强耦合只能存在于传统机械、静电耦合方式的认知，将强耦合机械振子拓展到了集成光学领域。同时，实验中所提出的动态调控方案对于实现远程声子传递以及构建大规模片上光机械处理网络系统具有重要研究意义。此外，实验中同时展示了利用动态调控所形成的参数放大现象，这一现象对于实现远程机械振子的调控也具有重要的推动作用。在实验中，成功的将两个机械振子耦合到同一个光学微腔中，并利用光机械系统的光阻尼效果，让两个机械振子都进入到激发状态。随后用一束周期性调制的驱动光调节两个机械振子的谐振频率，使得两个振子之间形成一个强耦合效果。实验同时研究了波长和功率对分裂强度的影响效果。最后，研究并分析了参数放大的实验现象。 在分数同步和频率稳定方面，首次在国际上实验实现了分数级别的纳米机械振子同步以及分数相位噪声降低。这一现象克服了传统光机械在实现振子同步稳定方面存在的一系列问题，比如同步频率较低、振幅难以同步等缺点。同时，提出的分数同步结构可以克服传统纳米机械振子的振幅频率效应，有效的提高了机械振动的相位稳定性。在实验中，首先利用光耦合作用在两个频率不同的机械振子之间建立光学连接，然后通过调节输入光的功率和波长，将两个机械振子都激发到自激振动状态。当光学耦合强度大于两个机械振子的频率差的时候，机械振子进入到分数同步之中。实验同时研究控制波长和控制功率对同步现象的影响，表征了相位噪声的稳定性并探讨了模式竞争在同步中的表现。 在耗散型光机械传感方面，首次实现了扭转型和大幅度耗散型两种光机械传感模式。在扭转性光学传感器中，成功实现了低达0.17×10-18 Nm的扭矩测量精度，这一实验精度和目前已知最敏感的扭矩测量仅差一个数量级。在大幅度耗散型光机械传感中，实现了色散型和耗散型光机械耦合的干涉现象，并利用这一现象实现了非线性光学传感。这一实验结果克服了在传统扭转梁或者划桨等结构设计中，光学腔光学品质因数降低和光学吸收效率减弱等缺点。同时所提出的结构可以实现机械振子的大幅度振动，这对于进一步深入研究大幅度振动下的两种光机械耦合的相互作用具有重要的研究意义。 总之，本文不仅对片上光机械系统的作用机理和调节机制进行了深入分析和研究，并针对具体的实际应用提出了切实可行的应用方案。更重要的是，本文首次提出并实验展示了强耦合条件下的动态声子传递、分数同步下的光机械振子以及大位移条件下的耗散型耦合振子，均拓宽了相关领域的发展和研究。这些研究及其结果一方面为光机械振子的进一步发展提供了新的研究思路，另一方面对其在具体片上光学器件的应用也具有重要的参考价值和指导意义。

Keyword ：

分数同步 光机械学 光学器件 纳米机械振子 强耦合

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Abstract ：

自然界经过上亿年的演变，已经进化出了许多独特的自然结构及生物特性，并激发了人类创造的灵感。如无脊椎动物的复眼结构，由于具有视场大、像差小、灵敏度高及动态物体捕捉等卓越特性，成为了国际研究的热点问题。近年来，科研工作者利用微纳制备技术制备了平面型人工仿生复眼结构及曲面型人工仿生复眼结构，这些仿生复眼结构作为新型的光学微结构被广泛地运用于照明工程、雷达系统、微型飞行器、复眼摄像机、夜视仪等国防及民用设备之中。随着微光学系统应用和发展需求，对微光学结构的集成度、功能、使用寿命以及性能等提出了更为严苛的要求。然而，现有的制备技术受到加工效率低、材料局限以及制备精度和质量低等因素的限制而无法满足实际应用的需求。 针对现有技术的不足和发展的需求，本文基于飞秒激光湿法刻蚀技术，围绕玻璃基平面型仿生复眼结构和曲面型仿生复眼结构的制备展开研究。论文首先针对以微透镜阵列为主要光学结构的平面型复眼结构特殊的应用环境出发，制备了应用于微型集成光学系统的玻璃基平面集成双层微透镜阵列；同时，通过结合自然界特殊的浸润性表面结构，制备了应用于水下环境的抗油污微透镜阵列。此外，在飞秒激光湿法刻蚀制备微透镜结构的基础上，提出了飞秒激光曲面湿法刻蚀技术，并利用该技术制备了无畸变的反射型和仿昆虫曲面复眼结构。论文主要研究工作如下： 利用飞秒激光湿法刻蚀技术结合光学再定位的方法制备玻璃基平面集成双层微透镜阵列。通过控制上下表面激光能量的大小、激光辐照点的排布方式以及阵列排布角度等获得了不同组合的双层微透镜阵列。测试结果表明，不同组合的双层微透镜阵列不仅能产生不同结构的图案光，还具有良好的匀光性能。此外，结合飞秒激光湿法刻蚀工艺和飞秒激光直写工艺在玻璃基底上制备得到了复合结构的水下抗油污微透镜阵列。该制备得到的复合结构由用于成像的微凹透镜阵列和具有水下超疏油性能的十字型网状粗糙结构组成。实验结果表明，该复合结构的抗油污微透镜阵列能够实现防油功能和自清洁功能，拓展了平面型复眼结构的应用环境和延长了光学结构的使用寿命。 研究了飞秒激光曲面湿法刻蚀技术。实验结果表明，通过飞秒激光直接辐照曲面结合湿法刻蚀工艺仍能获得一致性良好的微凹结构阵列。实验中，基于飞秒激光曲面湿法刻蚀技术在玻璃基平凹透镜表面直接制备了一致性良好、表面结构均匀的微凹结构曲面微透镜阵列，该阵列包含3600个均匀排布的微透镜。并以此为基底结合表面蒸镀法和PDMS浇注法分别制备得到了反射型复眼结构和仿昆虫人工复眼结构，该复眼结构相对于传统的热机械变形制备方法避免了变形过程的形貌畸变，且表面质量均匀、成像效果良好。该技术方法不仅提供了曲面微纳结构制备的新思路，也实现了无畸变、高一致性的曲面复眼结构制备，适宜于工程应用中人工复眼结构的大规模制备。

Keyword ：

仿生结构 飞秒激光 人工复眼 湿法刻蚀 微透镜阵列

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电磁脉冲具有能量大、上升时间短、频谱宽和覆盖范围广等特点，通过辐射耦合和传导耦合，产生瞬态的高电压和大电流，破坏和干扰电子设备。基于电磁脉冲的发现以及电磁脉冲巨大破坏性效应的认识，产生了用于深入研究电磁脉冲效应的电磁脉冲模拟器开发的需求，同时也带来了对超快，甚至是亚纳秒前沿的瞬态电磁脉冲参量的测量问题。传统的天线等测量方法会对待测电场产生影响，同时其抗干扰能力弱，响应慢等特点，制约了在电磁脉冲测量中的应用。由于集成光学电场传感器具有体积小、无源、响应速度快和光纤传输系统抗电磁干扰等特点，受到了越来越多的关注，是当前脉冲电场传感器研究的热点。针对快前沿电磁脉冲电场的测试技术难题，本文开展了集成光学脉冲电场传感器的多物理场仿真分析与优化设计研究。 本文首先分析了电磁脉冲的特点和测量需求，提出了集成光学电场传感器的总体设计方案，阐述了短电偶极子天线、电光调制理论、光波导和马赫增德尔干涉结构等相关理论。其次，分析了X切Y传铌酸锂晶体调制区结构，得到了半波电压与电极长度等参数的关系，获得了电光调制结构的等效电路模型，研究了不同天线长度、底边宽，电极长度、间距对回波损耗、频响特性的影响，得到优化后用于集成光学电场传感器的天线与电极结构尺寸。再次，对影响光波导性能的3dB耦合器等关键参数进行了组合式的多物理场耦合仿真，得到适用于对称结构集成光学电场传感器的最佳光波导尺寸，并结合天线仿真数据与COMSOL多物理场耦合仿真软件，得到了对称结构集成光学电场传感器的性能。最后，分析了两个因素对工作点调节范围的影响，设计了具有90°可调节最佳工作点误差范围的非对称结构集成光学电场传感器，分析了不同臂长差对最大允许工作点角度误差，优化了余弦弯曲波导结构；通过仿真给出了不对称结构集成光学电场传感器的性能指标。 仿真和计算结果表明，两种传感器在3dB范围内具有工作频带为1~10 GHz、响应速度快等优点，最小二乘法线性拟合得到对称结构集成光学电场传感器测量范围为140.7~279.3 kV/m，线性拟合R2为0.9821。非对称结构集成光学测量范围为0~90 kV/m，线性拟合R2为0.986。因此，本文提出的对称结构和非对称结构集成光学电场传感器优化设计方案和仿真分析结论，对于快前沿电磁脉冲电场的测试具有一定的指导和借鉴作用。

Keyword ：

电磁脉冲电场 电光调制 多物理场耦合法 集成光学传感器

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本课题主要针对应用于导航、定位领域高分辨率集成光学陀螺的核心感知单元——无源环形谐振腔展开研究。旨在通过优化结构设计与制备工艺来提高无源环形谐振腔性能，从而得到高分辨率的集成光学陀螺仪。陀螺仪作为导航、定位、姿态调整领域的核心器件经历了从机械陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪到集成光学陀螺仪四个阶段的发展，有一百多年的历史。集成光学陀螺仪具有小型化、轻质、抗震和抗电磁干扰等方面的优势，已经成为军事和航空航天等高要求领域最有潜力的选择。因此高分辨率集成光学陀螺的实现将对我国国防和国民经济做出巨大贡献。 基于对环形谐振腔的相关调研，本文对InP系材料制备的无源环形谐振腔展开了研究。波导损耗是限制该类器件性能的最主要因素。通过对波导损耗的研究，作者首先建立了一种高效的模拟方法，对波导结构中主要损耗来源进行了模拟，分析结构参数对损耗的影响，从而得到最优化的波导结构，最终得到的最低损耗为0.362 dB/cm。通过对器件耦合结构的优化模拟，在半径为20mm下得到品质因子最高可达1.5×106，评估其相应陀螺仪的散粒噪音极限分辨率将优于10°/h，有望达到高精度应用领域的要求。此外，本文还对该种大尺寸低散射损耗波导制备工艺进行了探索研究。 本文首次对InGaAlAs/InP无源环形谐振腔进行了研究，模拟获得比目前研究最广的InP系材料波导——InGaAsP/InP无源环形谐振腔更好的器件性能，从而有望使芯片陀螺仪的散粒噪音极限分辨率优于10°/h。作者首次将时域有限差分法（FDTD）和三维束传播法（3D-BPM）相结合，建立了一种准确、高效的波导损耗模拟方法（其中最重要的为FDTD法模拟散射损耗方法的建立），对波导结构中主要损耗来源——散射损耗、弯曲损耗、泄漏损耗进行了模拟。该方法为后续波导结构的优化模拟奠定了基础。此外，大尺寸低损耗波导制备工艺探索有效降低波导散射损耗，这为后续真正实现大尺寸高品质因子InGaAlAs环形谐振腔开辟了道路，也为进一步实现基于此的高灵敏度集成光学陀螺奠定了基础。

Keyword ：

光学陀螺仪 集成光学器件 三维束传播法（3D-BPM） 时域有限差分法（FDTD） 无源环形谐振腔

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全光开关经过了近十年的快速发展，使得有机功能染料合成领域取得了巨大的成就，考虑到粉末状态的染料难以直接应用于器件中，选择合适的固体基质进行染料掺杂成为了当前的一个重要课题。通过溶胶-凝胶方法(sol-gel)制备得到的无机氧化物基-有机改性硅酸盐(ormosils)复合材料由于具有优越的光学性能而得到科研工作者们的广泛关注和研究，无疑是掺杂光功能染料的良好基质。本文将分散红染料与有机-无机复合材料结合在一起，通过溶胶-凝胶法结合旋涂法在低温下制备得到了单层分散红染料掺杂的TiO2/ormosils有机-无机复合光功能薄膜，并表征了薄膜材料的各项基本特性、三阶非线性光学特性、以及光学双稳态特性等。为了进一步提高分散红染料掺杂的光功能薄膜在全光信号处理领域的应用潜力，通过制备GeO2/ormosils有机-无机复合材料基质用来掺杂分散红染料，在532nm波长处得到了更优质的三阶非线性品质因数，并进一步研究了该波长下的薄膜全光开关特性以及全光信号处理能力等。本文具体内容如下 ： 1）通过溶胶-凝胶方法结合旋涂法制备得到了分散红掺杂的TiO2/ormosils有机-无机复合薄膜。实验结果表明，200oC低温处理条件下即可得到分散红掺杂的光功能薄膜，薄膜具有良好的表面形貌与热稳定性，以及良好的平板光波导特性，其传输损耗在TE与TM模式下均小于1 dB/cm；在514 nm的光照射下，薄膜内的分散红分子会发生光致顺反结构异化，从而引起吸收光谱上两个对应吸收峰强度的变化，这一特性是光存储、光记忆、以及光开关应用的基础。这些结果说明，制备得到的分散红掺杂TiO2/ormosils有机-无机复合薄膜具有良好的光学性能，可用于光波导及二元光学器件等。 2）研究了分散红掺杂的TiO2/ormosils有机-无机复合薄膜的三阶非线性光学特性。在800 nm激光波长下，通过Z扫描法与光克尔效应法测试了分散红掺杂的TiO2/ormosils有机-无机复合薄膜的三阶非线性特性与响应时间。结果表明薄膜的三阶非线性折射率为10-9 esu数量级，没有伴随明显的非线性吸收，具有优质的三阶非线性品质因数，其非线性响应时间小于208 fs。在532 nm激光波长下，通过Z扫描法测试了薄膜的三阶非线性特性，其非线性折射率为10-7 esu数量级，并伴随有明显的非线性饱和吸收，非线性品质因数为10左右，显示其在532 nm处不具备全光开关应用的潜力。 3）研究了分散红掺杂的TiO2/ormosils有机-无机复合薄膜的光学双稳态特性。通过利用M-Z干涉仪得到了薄膜在532 nm激光波长下的光学双稳态特征曲线，在双稳态区域内，对于给定的输入光强，存在着两种可能的输出光强状态。在相同的测试条件下，薄膜的双稳态增益大于相同分散红含量的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）薄膜。并且，通过改变薄膜内有机相与无机相的摩尔比例，发现钛摩尔含量高的样品因具有更致密的薄膜结构因而具有更大的双稳态增益。 4）通过溶胶-凝胶方法结合旋涂法制备得到了具有紫外光敏特性的分散红掺杂TiO2/ormosils有机-无机复合薄膜。薄膜的各项特性表征显示薄膜具有良好的平面波导特性与热稳定性等，在800 nm波长激光测试条件下，光敏材料的加入并没有对薄膜的三阶非线性特性产生明显的影响，得到了优质的三阶非线性品质因数。通过结合UV-固化压印技术成功制备了紫外光敏特性的分散红掺杂TiO2/ormosils复合条形波导，结果显示条形波导具有良好的形貌特征与低传输损耗，该条形波导通过将低损耗波导特性与分散红染料功能特性结合在一起，能够同时进行光信号的传输与信号处理，在未来集成光学与全光器件应用中具有巨大的潜力。 5）通过溶胶-凝胶法结合旋涂法制备了分散红染料掺杂的GeO2/ormosils有机-无机复合光功能薄膜。结果表明，低温下即可得到表面平整、光滑、致密的分散红掺杂的GeO2/ormosils有机-无机复合平板光波导薄膜，薄膜的各项基本光学特性和光波导特性与分散红掺杂的TiO2/ormosils有机-无机复合光学薄膜区别不大，GeO2/ormosils材料基质同样可以给掺杂的分散红分子足够的空间进行顺反异构化作用，同时保持了良好的热稳定性与其他光学特性，表明这种分散红掺杂的GeO2/ormosils有机-无机复合薄膜材料同样可以作为光波导材料以及光学器件的材料使用。 6）通过Z扫描法研究了分散红染料掺杂的GeO2/ormosils有机-无机复合薄膜在532 nm激光波长下的三阶非线性特性。结果表明，GeO2/ormosils薄膜的非线性折射率相较于相同分散红含量的PMMA薄膜与TiO2/ormosils薄膜提高了两个数量级，而非线性吸收率基本没有变化，真正达到了优化材料非线性品质因数的目的。通过搭建光诱导瞬时光栅光路装置测试了薄膜的全光开关特性，以及三输入全光“与”逻辑门的响应特性，研究结果显示，分散红染料掺杂的GeO2/ormosils有机-无机复合薄膜在532 nm波长下，具有良好的全光信号处理能力。

Keyword ：

分散红 光学双稳态 全光开关 三阶非线性 有机-无机复合

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信息技术的飞速发展对通信速度的要求越来越高，在当前的通信技术难以满足未来发展需要的情况下，集成光路和集成电路的融合发展受到了广泛关注。表面等离子体激元具有的强局域特性可用于制造突破衍射极限的集成光学器件。铌酸锂（LiNbO3）材料拥有比SiO2更优的电光性质，采用其作为集成光学器件的材料具有广泛的适应性。在众多的表面等离子体激元器件中，介质加载的长程表面等离子体激元波导器件具有相对较小传输损耗和较强的侧向模场限制，合适于制造性能优良的集成光学器件。 论文建立了一个基于铌酸锂光波导的长程表面等离子体激元波导模型，并使用Comsol商业软件仿真。首先分析了三种不同金属材料（Au、Ag、Cu）在光通信波段的电磁波下对波导传输性能的影响，得到Au更适合做波导金属材料的结论。研究了表面等离子体激元光波导中金属层尺寸和波导脊尺寸与光波导传输性能之间的关系，并优化了金属层几何结构，使其更符合实际制作的效果，在获得更长的传输距离的同时，减小了仿真中出现的误差。在前面多个模型仿真计算的基础上，采用正交试验法对波导模型各个几何参数进行了优化试验，得到了模型的最优化几何参数，并进一步计算了波导的工作波长范围。在铌酸锂基等离子体激元光波导研究的基础上，设计了不同结构的Y分支功分器，并对功分器在不同弯曲半径及分支角度下的性能进行了仿真研究，并对圆弧优化的功分器在不同频率下的性能进行了分析。最后在一分二Y分支功分器的基础上设计了一分三的三输出端口功分器，并对功分器出射端口的功率分配比例进行了分析，获得了功率平均分配时功分器的几何参数。

Keyword ：

表面等离子体激元 功分器 光波导 集成光学

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亚纳秒前沿脉冲强电场的测量是现代高功率脉冲测量中的一个重要方面，它的特点是上升沿短、脉冲宽度窄、电场强度幅值大。实现对高功率脉冲电场信号的准确测量，关键在于设计一种能够快速响应并具有大测量范围的电场传感器。本文所设计的集成光学电场传感器是一种利用光学实现电学传感的新型传感器，可以应用于强电场的测量。 本文首先对高功率脉冲技术背景做了简单介绍，概述了脉冲计量技术与集成光学电场传感器的发展现状。其次，明确了亚纳秒脉冲强电场集成光学传感器的设计需求与设计目标，陈述了偶极子接收天线、电光调制结构、光波导结构与Mach-Zehnder干涉结构的基本原理。第三，使用基于时域有限差分法的XFDTD仿真软件做了大量仿真计算与分析。对比了不同偶极子天线的频率特性、阻抗特性、有效长度、线性度等特性，确定了天线设计结构与传感器应用的方向性。第四，计算了光波导结构的特征参数，比较了电光调制结构尺寸对感应电压的影响，仿真了电光调制结构对于脉冲信号的调制性能。最后，确定了集成光学电场传感器结构的主要参数，制定了传感器加工方案。组建了传感器性能测试系统和脉冲测量系统，分析了传感器的输入输出函数、测量范围、灵敏度等性能。仿真与计算结果表明，传感器达到了既定的设计目标，具有响应快速、工作频带宽、测量范围大等特点，可应用于亚纳秒前沿脉冲强电场的测量之中。

Keyword ：

亚纳秒脉冲强电场集成光学传感器时域有限差分法电光调制

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Abstract ：

光通信技术为超大容量信息的传输、交换、存储和高速处理提供强有力的支持，其发展依赖于光学材料、光电子器件和集成光学器件的进步。新型光学材料和集成光波导器件对光通信技术的发展将产生深远的影响，是目前十分活跃的国际前沿研究领域。本文针对有机三阶非线性光学材料的合成与性能表征、低损耗光波导SiN薄膜材料的制备工艺与光学性能表征、以及新型单纤三向器的设计与制备等问题进行了系统的研究。 根据有机物电化学聚合理论，采用电化学方法在ITO导电玻璃上直接沉积聚(3，4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)，获得了结构致密、性能稳定的透明薄膜。用纵向扫描法（Z-scan）研究了在有机溶剂和水溶液中制得的PEDOT薄膜的非线性光学特性。用波长为532nm、脉宽为6～7ns的Nd：YAG调Q脉冲激光测得这两种PEDOT薄膜的三阶非线性极化率都高达10-7esu量级，并且该制备方法工艺简单、可控性强，易于在光学器件中得到应用。 水溶液中电化学合成了PEDOT/CNTs复合薄膜并研究了其非线性光学性能，由于碳纳米管与PEDOT间可形成分子间电荷传输体系，使有机薄膜的非线性光学性能及损伤阈值得到明显改善。相比于水溶液中制得的PEDOT薄膜，该复合膜的三阶非线性极化率提高了36 %，损伤阈值提高了33 % 。 研究了功能化多壁碳纳米管悬浮液的光限幅特性。实验和测量结果表明，样品的光限幅特性主要来自于多壁碳纳米管的反饱和吸收所诱发的非线性散射；不同pH条件下光限幅特性差别较大，pH值在2.6～12.3范围内样品的光限幅特性较好，而在强酸（pH?2.6）或强碱溶液（pH?12.3）溶液中，功能化多壁碳纳米管在强光作用下会产生团聚导致光限幅特性降低。 为了降低SiN薄膜材料中的氢键含量同时考虑到集成半导体工艺的温度要求，研究了以SiH4和N2作为反应物前驱体低温等离子增强化学气相沉积法（PECVD）制备低氢含量薄膜的工艺（即LH-PECVD工艺），通过系统研究反应物比率及射频功率（RF power）对SiN中氢键的影响，给出了LH-PECVD的优化工艺，当反应物SiH4和N2的流速分别为80sccm和4000sccm，RF power为400W时，获得了氢含量低达9.05?1021cm-3的SiN薄膜。目前，本论文所开发的制备低氢SiN薄膜工艺已经成为新加坡国家微电子研究所的标准工艺之一。 采用LH-PECVD工艺制备了亚微米（700nm×400nm）单模光波导，在1550nm波长下SiN光波导损耗低至-2.1?0.2 dB/cm，其光波导传输损耗低于传统用低压化学气相沉积（LPCVD）方法在高温（~ 850 oC）下制备的SiN光波导传输损耗。本文中制备SiN波导的工艺温度为350 oC，可以与半导体工艺相兼容，这一研究成果为光电集成及全光集成提供了重要的方法，具有很高的实用价值。 对新型集成光学器件单纤三向器的理论和制备工艺进行了深入研究。设计出一系列基于定向耦合器(DC)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)工作原理的新型单纤三向器（triplexers），用R-soft软件对设计结构采用有限差分光束传播法(BeamPROP软件包)及有限差分时域法(FullWAVE软件包)进行了光学模拟和优化；利用低损耗SiN光波导工艺在半导体工艺线上制备了一系列不同参数的单纤三向器及其分支光路器件；测试结果表明，器件在1490nm及1550nm处的波分效果达到了单纤三向器器件的要求。实验制备的单纤三向器与半导体CMOS工艺完全兼容，可在集成光波导器件中得到实际应用。

Keyword ：

单纤三向器 低氢含量的SiN 薄膜材料 光波导 光通信技术 三阶非线性光学材料

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