山西大学光电研究所光量子技术与器件全国重点实验室，山西 太原 030006
近年来，光子芯片由于具有大规模集成、低成本、低功耗和快速响应等特点而成为光子学发展的重要方向。铌酸锂具有较大的二阶非线性系数、较强的电光效应等特性，被认为是制作光子芯片的一种具有潜力的材料。铌酸锂光子芯片走向应用的一个重要挑战是光纤和光子芯片之间的连接。由于灵活性高、失准容忍度大，以及易于加工等优势，光栅耦合器成为了解决光纤与光子芯片连接问题的一种重要方案。综述了近年来铌酸锂薄膜光栅耦合器的研究进展，总结了提升其性能的几种方式，对其未来发展方向作出展望。
光栅耦合器 铌酸锂薄膜 光纤-芯片连接 耦合效率 激光与光电子学进展
2025, 62(11): 1127008
1 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
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光学系统先进制造全国重点实验室， 吉林 长春 130033
为了打破均匀光栅对称结构的限制，进一步提高硅基光电集成片上光源的耦合效率。本研究提出基于绝缘衬底上硅结构的高效递进式光栅耦合器的设计，适用于垂直腔面发射激光器（VCSEL）键合到硅光子集成电路，降低了VCSEL光电集成对键合角度的工艺难度要求。该方法通过同时改变光栅的周期和占空比，并优化光栅的刻蚀深度，实现了对布拉格条件的调整，使衍射场分布与高斯场分布更为匹配。此外，还优化设计周期与占空比为定值的均匀光栅耦合器和周期固定、占空比改变的前端渐进式光栅耦合器两种结构。作为对比验证了递进式光栅耦合器设计的有效性，在提升耦合效率的同时，增加了VCSEL入射角倾角的耦合方向性，使VCSEL器件耦合方向更为灵活。数值仿真结果显示，设计的均匀光栅、前端渐进式光栅、递进式光栅的最高耦合效率分别达到54.62%（-2.63 dB）、60.18%（-2.21 dB）、64.55%（-1.90 dB）。得益于设计的优化，该结构对光源入射倾角具有6°~21°的容差范围，大幅降低了实验工艺的难度。通过数值计算结果证明了该方法的可靠性，同时也展现了在不使用背反射镜的情况下，基于硅基异质集成结构能实现高达64.55%（-1.90 dB）耦合效率和大入射角度容差的潜力。实验结果表明，在1 500~1 600 nm波段范围内设计的光栅耦合器在光纤不同入射角度测试中，对不同的入射角均具有较高的耦合效率，具有更好的耦合方向性。
硅基光电集成 模式匹配 入射容差 耦合效率 光栅耦合器 silicon photonic integrated mode matching incident angle tolerance coupling efficiency grating coupler
1 四川内江师范学院信息化建设与服务中心，四川 内江 641100
2 太原理工大学建筑与艺术学院，山西 太原 030024
横向位移对光纤头续接耦合效率有很大影响。提出采用有方向性锥形光纤连接器来提高耦合效率，和传统连接器相比，新的连接器扩大了入射光接收面积，从而提高接收性能。对锥形光纤的全反射特征和功率耦合特征进行了理论分析，理论分析结果表明新的锥形光纤头能有效提高耦合效率。为了进一步验证新连接器的性能，试制了样品，并在微振动环境中开展了误码率实验。实验结果表明，在微振动环境下，新的锥形连接器误码率更低，性能更好。
光纤连接器 耦合效率 横向位移 锥形结构 fiber connector coupling efficiency transversal displacement tapered structure
1 福建师范大学物理与能源学院,福州 350117
2 中国科学院福建物质结构研究所,福州 350002
3 中国福建光电信息科学与技术创新实验室,福州 350108
4 中国科学院大学,北京 100049
5 福建师范大学光电与信息工程学院,福州 350117
6 福建农林大学安溪茶学院,泉州 362406
通过有限元模拟器从理论上分析了在理想光学系统中实现光纤与周期性极化铌酸锂(PPLN)波导之间高效耦 合的可行性。 仿真模拟了单模保偏光纤和透镜光纤在空间中的发散情况。 针对截面尺寸为 10 μm × 10 μm、长度为 20 mm 的 PPLN 脊形波导,进行了与两种不同光纤的直接端面耦合模拟分析。 分析发现,尽管透镜光纤的耦合效率高 达 95% ,但其基模占比却不足 5% 。 鉴于 PPLN 倍频器件主要依赖于激光的基模进行工作,这使透镜光纤的耦合效率 在实际应用中显得相对较低。 相比之下,单模保偏光纤的基模占比高达 93. 8% ,显示出更为优越的性能。 因此,本文 选择了单模保偏光纤与 PPLN 脊形波导进行封装测试。 实验结果表明:当温度为 24. 8 ℃ ,从光纤放大器输出的泵浦 功率最大为 1. 6 W 时,计算扣除输入端光纤与波导的耦合损耗后的输入泵浦功率为 1. 2 W,光纤到波导的耦合效率为 75% ,略高于当前已知的最高效率 72% 。 1 560 nm 基频光的输入功率为 1. 2 W 时,最大输出 653 mW 的倍频光,光光 转换效率达到了 54. 4% ,归一化转换效率为 20. 2% / (W·cm2 )。
光纤 周期性极化铌酸锂 波导 端面耦合 耦合效率 fiber periodically poled lithium niobate waveguide end-face coupling coupling efficiency
为提高多芯光纤荧光检测灵敏度,本文基于多芯光纤的空间传导理论模型,分析了多芯光纤的数量、激发光纤纤芯半径、接收光纤纤芯半径以及它们的数值孔径等对多芯光纤耦合效率的影响。针对提高耦合效率,设计和优化了耦合系统中非球面透镜的曲率半径和各面间距,基于分析设计优化的参数构建多芯光纤荧光定量检测系统,并对不同浓度梯度的罗丹明6G溶液进行定量测试,与多芯直接耦合对比,文章设计的多芯光纤耦合系统其激发光和发射光耦合效率由低于10%,提升了80.171%和95.314%,最低检测浓度低至2.08759551×10-9nM/L,此浓度下荧光光强值较直接耦合提升了4.5倍。进一步验证了多芯光纤耦合系统射的可行性。说明通过增加光学耦合系统能有效提高光纤式荧光定量检测灵敏度及能够满足应用需求。
生物光学 光纤 多芯光纤 荧光定量检测系统 耦合系统 耦合效率 bio-optical fiber multi-core fiber fluorescence quantitative detection system coupling system coupling efficiency
1 西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710121
2 西安市微波光子与光通信技术重点实验室，陕西 西安 710121
提出了一种基于五芯光子晶体光纤的新型模分复用器/解复用器（MUX/DMUX）。采用本征模有限差分法和本征模展开法对MUX/DMUX的结构参数进行了优化。数值模拟结果表明，该器件能够以超低的插入损耗（IL）在主芯中同时复用/解复用LP01、LP11、LP21、LP31和LP12 5种模式。当输入光中心波长为1.55 μm时，器件的模式转换效率大于96.7%，IL小于0.15 dB。所提出的MUX/DMUX结构紧凑，长度仅为1.84 mm。此外，该器件可以在620 nm（1.33~1.95 μm，覆盖E、S、C、L、U波段）的超宽带内以小于-11.34 dB的串扰高效工作，在未来的模分复用系统中具有巨大应用潜力。
模分复用器/解复用器 多芯光子晶体光纤 模式耦合效率 插入损耗 光学学报
2024, 44(16): 1606003
1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 西安市无线光通信与网络研究重点实验室，陕西 西安 710048
3 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
4 陕西科技大学电子信息与人工智能学院，陕西 西安 710021
部分相干艾里光束的自聚焦特性可有效抑制海洋湍流对空间光与光纤耦合性能造成负面影响。根据广义Huygens-Fresnel原理和部分相干光交叉谱密度函数，推导海洋湍流中部分相干艾里光束-少模（四模）光纤耦合效率的解析解。通过数值仿真分析光源参数、耦合参数，以及海洋湍流强度对耦合效率的影响。结果表明：耦合效率随着光源波长的增大、初始半径的增大、截断因子的增大，以及相干长度的减小而逐渐减小，随海洋湍流的增强逐渐减小；并在不同传输距离下，给出了最佳耦合参数，使得部分相干艾里光束与四模光纤的耦合达到最佳效果。
海洋湍流 部分相干艾里光束 少模光纤 耦合效率 激光与光电子学进展
2024, 61(13): 1301002
温州大学电气与电子工程学院，浙江 温州 325035
提出基于拉盖尔-高斯模的少模光纤熔接失准容忍度分析理论模型，剖析不同少模光纤归一化截止频率和纤芯半径参数熔接条件下，熔接点处空间模式耦合效率对横向偏移、旋转角度等熔接参数的容忍度变化规律，并以六模光纤（可支持LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02模式）熔接为例进行分析。数值分析结果表明，在不同光纤参数归一化截止频率和纤芯半径条件下，不同空间模式之间的耦合效率对熔接横向偏移量d和角度失配θ的容忍度呈现不同的分布规律。发送与接收少模光纤的值相差越大，LP01自耦合效率对熔接横向偏移量的容忍度越低，而不同纤芯半径下熔接偏移量对自耦合效率的影响较光纤的影响更显著等。因此，针对不同参数少模光纤熔接，需要严格控制熔接的横向偏移和角度失配，以达到理想的空间模式熔接耦合效率。该理论模型为评估少模光纤熔接质量及熔接参数匹配设计与优化提供了理论依据。
光通信 模分复用 少模光纤 光纤熔接 耦合效率 容忍度 光学学报
2024, 44(14): 1406001
红外与激光工程
2024, 53(4): 20230645
1 大连东软信息学院 智能与电子工程学院，辽宁 大连 116000
2 中国科学院 半导体研究所，北京 100083
3 芯联新（河北雄安）科技有限公司，河北 雄安 050004
传统高速100 G激光器一般采用长方形可伐合金壳体即BOX封装，成本较高；新兴的单波100 G激光器逐步采用同轴封装，在物料成本上可降低约50%，但由于同轴封装内部集成制冷器和使用单透镜方案，因此在光路控制方面存在公差和不确定性，导致激光器外形尺寸结构的差异，在后期光模块的装配中存在匹配问题，且不良率较高，批量生产控制成本较高。本研究通过理论分析和ZMAX仿真，分析了激光器长度与偏位容差的关系，讨论了耦合效率与激光器长度和偏位容差的变化趋势与控制方法；在理论分析和仿真结果的基础上，对激光器封装进行了实验验证；提出激光器长度和偏位容差的控制方法及解决方案，对实际批量生产中提高激光器耦合效率、降低成本、提高生产效率具有指导意义。
激光器 耦合效率 ZMAX 容差 laser coupling efficiency ZMAX tolerance
