1 江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122
2 江南大学先进技术研究院，江苏 无锡 214122
模式转换器承担着波导基模到高阶模的转换任务，是片上多模光传输、模分复用传输的重要器件。基于薄膜铌酸锂平台，提出一种利用V形硅阵列的薄膜铌酸锂波导模式转换器，转换结构主要包括沿光传输方向排布的V形硅阵列，位于薄膜铌酸锂波导顶部。基于上述结构进行详细的设计与优化分析，在中心波长为1550 nm、转换长度仅为11 μm的情况下，实现了输入TE0模到输出TE1模的高效转换。模式转换效率为96.8%，串扰为-28.6 dB，插入损耗为0.78 dB。进一步对转换结构进行横向扩展，实现了输入TE0模到输出TE2模的高效转换。模式转换效率为91.3%，串扰为-14.3 dB，插入损耗为1 dB。若继续扩展，可获得其他高阶模。本器件及设计方法有望在薄膜铌酸锂波导多模光传输方向发挥优势，推动薄膜铌酸锂光子集成器件及回路的发展。
集成光学 集成光器件 光波导 铌酸锂 微光学器件 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0523001
1 江南大学 物联网工程学院, 江苏 无锡 214122
2 江南大学 先进技术研究院, 江苏 无锡 214122
模式转换器能够完成波导基模到高阶模的转换, 是片上多模光传输、模分复用传输的重要器件。文章基于薄膜铌酸锂（TFLN）波导, 提出了一种利用纳米线加载结构设计的模式转换器, 转换结构主要包括沿光传输方向以锥形方式排布的硅纳米线光栅及利用相变材料构建的矩形纳米线, 两者分别位于TFLN光波导顶部的两侧。基于上述结构进行了详细的设计与优化分析, 在中心波长为1.55μm, 转换长度仅为6μm的情况下, 实现了输入TE0模到输出TE1模的高效转换（模式转换效率97.6%, 串扰-19.7dB, 插入损耗0.31dB）; 进一步对转换结构进行横向扩展, 实现了输入TE0模到输出TE2、TE3以及TE4模的高效转换, 若继续扩展, 可获得其它高阶模。本器件及设计方法有望在TFLN光波导多模光传输方向发挥优势, 推动TFLN光子集成器件及回路的发展。
集成光学 集成光器件 光波导 铌酸锂 微光学器件 integrated optics integrated optics devices waveguides lithium niobate micro-optical devices
1 中国信息通信科技集团有限公司 a.光通信技术和网络全国重点实验室；b.国家信息光电子创新中心，武汉 430074
2 鹏城实验室，广东 深圳 518000
超表面是一种周期性亚波长人工结构薄层，其与入射电磁波共振耦合所引入的相位突变打破了传统光学对空间光程累计的依赖，表现出独特的电磁学特性。过去10年来，超表面以其优于传统光学元件的超薄厚度、超短调制距离和超高分辨率光波操纵能力受到研究者们的广泛关注。并且作为超材料的二维对应物，超表面更易于被制造和集成到器件中，可以工作在微波到可见光波长范围内。常用于超表面的制造工艺包括紫外光刻、电子束光刻、聚焦离子束光刻和纳米压印等，但超表面的大规模应用仍面临加工精度与大面积、大规模制造和加工成本之间的矛盾。基于飞秒脉冲激光和双光子聚合反应的双光子三维（3D）打印技术可以实现高精度、复杂3D模型和无掩膜的一步制造，具有加工便捷和灵活的优点，以及大面积制造的潜力，被广泛应用于超表面结构研究与制备。文章对基于双光子3D打印技术制备的超表面光器件的近期研究工作进行了综述。文章首先概述了超表面的概念、优势及加工方法，然后介绍了双光子3D打印技术的原理、发展历程和工艺优势，随后分类综述和讨论了表面等离激元超表面、超透镜、超表面纳米显示与图像处理和与光纤端面集成超表面的近期研究工作，最后对基于双光子3D打印技术的超表面光器件进行了评论与展望。
超表面 双光子聚合 三维打印 光器件 表面等离激元 metasurface two-photon polymerization 3D printing optical device surface plasmons
1 江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122
2 江南大学先进技术研究院，江苏 无锡 214122
提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器，由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构，调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO2，以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利用马赫-曾德尔干涉仪结构，设计了相应的电光调制器，并提出一种倒台阶型薄膜结构，该结构可实现输入、输出波导与调制区波导的高效耦合。对该电光调制器进行行波高速匹配设计，所得器件的半波电压长度积为1.77 V·cm，3 dB调制带宽为140 GHz，且调制区长度仅为5 mm。所提器件结构有望在大带宽薄膜铌酸锂电光调制器设计中发挥优势，助力薄膜铌酸锂光子集成器件的快速发展。
集成光学 集成光器件 调制器 铌酸锂 集成光学材料 光学学报
2023, 43(14): 1413001
1 长春理工大学物理学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术重点实验室，吉林 长春 130022
光谱成像具有良好的多维信息获取能力，广泛应用在食品安全、医学诊断、环境监测、伪装识别及**遥感等领域。传统光谱成像系统受到分光器件的限制，其存在体积大、成本高和集成度低等问题。基于新型超构表面的成像光谱芯片可为传感器小型化、低成本提供有效解决方案。随着光谱分析需求的持续攀升，加速了超构表面成像光谱芯片的快速发展。本文综述了近年来超构表面成像光谱芯片研究进展。在此基础上，介绍了本团队最新研究成果，通过创新设计成像光谱芯片体系架构，可同时实现高能量利用率、高空间分辨率、高光谱分辨率，为芯片级光谱成像系统的应用打下良好的基础。最后论述了成像光谱芯片的发展趋势及应用前景，为实现光谱成像系统小型化提供参考。
集成光学器件 成像光谱芯片 超构表面 分光器件 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106014
红外与激光工程
2023, 52(1): 20210869
1 宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211
2 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310058
3 浙江万里学院数字产业研究院，浙江 宁波 315100
光子集成技术的高速发展对功能器件的设计效率提出了较高的要求。逆向设计利用优化算法实现器件结构的智能设计，从而可有效降低设计复杂度，提升设计效率。利用基于伴随法的逆向设计算法对硅基平台上的光耦合器进行结构设计，通过优化器件的边界形状，实现了高效率、任意分光比输出。仿真验证了三种1×2光耦合器的性能，其分光比分别为1∶2、1∶4和1∶8（3 dB、6 dB和9 dB）。器件的设计尺寸仅为4 μm×2 μm，且可以通过一步刻蚀完成。在1550 nm波长处，所设计的耦合器均可达到设计目标，且最大插入损耗仅有0.12 dB。在1500~1600 nm波长范围内，三种耦合器的分光比相对于设计目标的误差均保持在±1 dB以内，并且三种耦合器的插入损耗均低于0.28 dB。针对制作工艺误差等问题，对器件的制作容差进行了分析。结果表明，当耦合器的整体宽度变化±20 nm时，三种耦合器在1550 nm波长处的分光比的误差仍能保持在±1 dB以内。此外，制造了分光比为1∶2的耦合器，且实验结果符合设计目标。
集成光学 全光器件 耦合器 逆向设计
1 苏州科技大学 物理科学与技术学院 江苏省微纳热流技术与能源应用重点实验室，江苏 苏州 215009
2 中国航天科技集团公司 上海卫星工程研究所，上海 201109
3 北京联合大学 数理部，北京 100101
为了实现多路无源液晶光学器件的驱动，设计开发了低成本、低复杂度及幅频可调的多路驱动电路。首先，为了便于控制液晶器件，在PC机和驱动板之间采用USB数据传输方式进行控制信号的传输。其次，驱动板卡采用母板加多子板模式，每个子板可输出32路驱动信号，其可依据实际需求灵活选取子板数目，从而降低成本。母板与子板均采用STM32作为主控芯片，子板通过SPI接口与母板进行数据传输。每个子板通过2个SPI接口将数据分组分发给DAC芯片，每个DAC芯片可控制16路数模转换，最终实现192路模拟信号的输出。最后，进行制板和测试。结果显示，输出模拟电压与灰度值符合线性比例关系，其绝对误差在0.010 V左右，符合10 bit、1 024级电压灰度值调制精度。该驱动板卡可以实现多路驱动信号的输出，满足多路无源液晶光学器件驱动控制的需求。
无源液晶调光器件 驱动电路 低成本 精度 passive liquid crystal optical device drive circuit low-cost accuracy
武汉光迅科技股份有限公司, 湖北 武汉 430205
针对高速光发射组件金属光口(receptacle)与调节环穿透焊后光路耦合效率明显降低这个工艺难点, 采用基于有限元热-结构耦合理论分析方法, 建立焊接模型并计算出焊后偏移量。根据计算结果用实验数据对比分析加焊前预补偿与不加焊前预补偿的耦合效率: 与不加补偿相比, 加补偿后的耦合效率平均提高了50%。这一结果对高速光器件尤其是多通道集成光器件的封装开发以及生产都具有一定的指导意义。
光器件 封装 激光焊接 焊后偏移 偏移补偿 optical device packaging laser welding post-weld shift shift compensation
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
结构光场通常在空间分布上具有独特的光学特征，在显微、成像、通信和测量等领域有广泛的应用。结构光器件的种类繁多，制作材料和调制机理各不相同，在调制速度、调制深度、空间分辨率等性能指标上存在较大差异。介绍了主要的结构光器件（液晶空间光调制器、数字微镜器件、硅基光学相控阵、LED阵列等）的工作原理及其性能特点，分析了这些结构光器件各自的适用范围，总结了结构光技术在显示投影、显微成像、鬼成像、三维成像、激光雷达等领域的典型应用情况。系统地展示了多种结构光器件的最新研究进展和前沿技术应用，这将为相关领域的研究者提供参考。
信号处理 结构光器件 显示投影 显微成像 鬼成像 三维成像 激光雷达 光学学报
2022, 42(17): 1723001
