赵红东, 林世鸣, 张存善, 王守武, 沈光地[1]1998年在《微腔激光器数码调制及其光纤传输的研究》文中提出从微腔半导体激光器速率方程出发，分析讨论了微腔激光器的脉码调制特性，发现微腔具有较规则的脉冲响应，可以减少误码率；自发发射因子为０．１的微腔，具有脉码率高达５０Ｇｂｉｔ／ｓ良好的调制眼图，微腔激光器在光互联中将有广泛的应用前景。模拟了以微腔激光器为光源的光纤通信系统，给出脉码率为１０Ｇｂｉｔ／ｓ传输不同距离的接收眼图，证明能够实现６０ｋｍ的传输。
孙江[2]2001年在《微腔半导体激光器的微腔结构、调制特性及光纤传输》文中指出本文对两种微腔结构的半导体激光器进行了理论分析。对平面微腔结构，详细研究了自发发射特征物理量与微腔结构的定量关系，在微腔半导体激光器自发发射因子调制和自发发射寿命调制以及一些实验依据的基础上，提出微腔结构调制方法，讨论了微腔半导体激光器的脉码输出特性，数值模拟了其脉码在不同参数下光纤传输图形，结果表明，微腔结构调制方法在带宽等特性上优于同参数下的其它调制方法；对具有氧化孔径层的圆柱形微腔结构，分析了能解决衍射特性的理论模型并对后续工作进行了探讨。
王英龙, 郑云龙, 赵顺龙[3]2003年在《半导体激光器微腔结构调制的脉码在光纤中的传输》文中研究说明对于平面结构微腔半导体激光器的微腔结构调制,数值模拟了其输出二进制脉码在光纤中的传输眼图,给出了双态对应的微腔结构参数与脉码在线性光纤中无误码传输最大距离的数值对应关系。
潘炜, 张晓霞, 罗斌, 邓果, 李孝峰[4]2004年在《DBR微腔激光器典型参数的开关调制响应及控制》文中进行了进一步梳理以微腔激光器的典型代表垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)为例,选择自发辐射因子为控制参数,数值模拟了大信号深度调制情形下VCSEL的非线性动力学特性,实现了类似于边缘发射激光器的分岔,周期加倍分岔,多稳和混沌状态的稳定控制,得到分岔点位置和周期轨道与控制参数的变化关系,以及相应地调制参量和自发辐射因子的取值范围,计算结果较好地拟合了文献实验结果。
张亚男[5]2015年在《基于光子晶体的高灵敏度气体传感理论及关键技术研究》文中认为随着我国工业化进程的大踏步推进以及机动车保有量的大幅度提升,冶金、石化等重工业排出废气以及机动车排放尾气造成的大气污染已严重威胁了人们的身心健康和生存环境。由于监测是治理的前提,因此,实现快速、实时、高准确度、高灵敏度的气体浓度检测具有非常重大的现实意义。此外,为了拓宽监测范围、降低系统功耗和成本,还迫切需要实现微型化、便携式的检测设备。光学气体传感器以其本质安全、抗电磁干扰、测量范围广、响应速度快、可实现远距离在线监测等优点,近年来受到国内外研究学者的广泛关注,但是微型化和高灵敏度之间的矛盾问题一直制约着这种传感技术的进一步发展。光子晶体作为一种新型光学器件,以其体积小、结构设计灵活以及不同结构下呈现出的特殊光学特性等优点为微型化、高灵敏度的光学传感器研究带来了新的生机,因此,自光子晶体提出以来,基于光子晶体的传感器研究便迅速成为国内外关注的热点之一。本文以光子晶体为主要研究对象,以探索微型化且高灵敏度的光学气体传感方法为主线,以进一步推动光学气体传感器发展为核心目标,开展了基于光子晶体的气体传感理论及关键技术研究工作。针对光子晶体的叁种结构形式,通过深入研究不同结构光子晶体的能带特性、导光方式、光场分布和传感机理,分别提出了基于光子晶体波导、光子晶体微腔、光子晶体光纤的气体传感方法,并从气体传感理论、存在的关键问题、光子晶体结构设计与优化、传感系统设计与性能分析、实验系统搭建与测试为路线展开研究。具体研究内容包括:(1)基于光子晶体波导的气体传感理论及关键技术研究。通过分析光子晶体波导慢光的产生机理及其特性,从理论上论证了光子晶体槽波导慢光在提高气体传感灵敏度方面的可行性,进而创新性地提出了基于光子晶体槽波导慢光的气体传感技术,并结合实际应用需求,分别从解决慢光群折射率与带宽之间的矛盾、克服加工误差与环境影响、提高耦合效率、设计传感结构等方面分析讨论了光子晶体槽波导慢光应用于气体传感技术中所必须考虑的关键性问题。为解决这些问题,首先利用平面波展开法和有限时域差分法,以探讨光子晶体槽波导的能带结构、色散曲线和导模特性为出发点,首创性地提出了基于光子晶体槽波导空气孔位置改变、空气孔形状改变以及液体填充技术的慢光优化方法,获得了群折射率为176、带宽为1.15nm、群速度色散小于5×106ps2/km、对工艺误差和温度不敏感的慢光,且该优化结构具有易于制备、产生的慢光工作波长可根据实际需要进行调节等优点,是目前文献中报道的最好的慢光效果。此外,利用谐振渐变耦合和干涉共振技术,将光子晶体槽波导与普通光纤之间的耦合效率提高到90%以上。然后,结合相关光谱和差分检测技术,设计了基于光子晶体槽波导慢光的微型化、高灵敏度气体检测系统,理论结果表明,由于慢光的引入,系统的测量灵敏度可以提高176倍。最后,搭建配气、混气及传感装置对该检测系统进行初步的实验测试与性能分析,实验结果证明了理论分析的正确性。(2)基于光子晶体微腔的气体传感理论及关键技术研究。通过分析光子晶体微腔的谐振特性及其传感机理,创新性地提出了基于选择性气体吸收分子填充光子晶体微腔的气体传感技术。利用有限时域差分法,详细探讨了光子晶体微腔结构的控光特性、光场分布以及透射特性,并在该领域首次提出将微流体填充技术、慢光技术与光子晶体微腔相结合的思想,实现了折射率灵敏度为450 nm/RIU、品质因子Q为1105、适用于气体传感的光子晶体微腔;根据光子晶体微腔的输出谱特性,首次提出一种基于光纤环形腔衰荡光谱的波长信号解调技术,不仅可以高精度地分辨光子晶体微腔谐振波长的移动情况,而且还可以进一步提高气体的测量灵敏度;理论分析结果表明,该系统最小可探测的甲烷气体浓度为2.37ppm,与目前文献中报道的最好的气体浓度分辨力相当,且系统的传感特性可通过进一步优化光子晶体微腔的谐振特性来提高。该项研究工作首次实现了能够同时具有微型化、高灵敏度以及良好鉴别性能的气体传感技术,具有广泛的学术研究和实际应用价值。(3)基于光子晶体光纤的气体传感理论及关键技术研究。根据空芯光子晶体光纤的传输特性及其气体传感理论,设计并实现了基于光子晶体光纤的反射式气体传感技术。首先,提出一种利用圆化六边形增加占空比,并带有纤芯石英环结构的空芯光子晶体光纤,并利用有限元法分析纤芯包层数、纤芯半径以及纤芯石英环厚度对空芯光子晶体光纤性能的影响,基于此,优化空芯光子晶体光纤的结构参数,使其具有高纤芯光功率比例、低限制损耗、大有效模场面积的特点。然后,设计并制备了具有结构简单、稳定性好、气体填充时间短、耦合效率高等特点的反射式空芯光子晶体光纤气室。最后,首次提出利用粘贴于叁角形悬臂梁上的光纤光栅将宽谱光信号转变为窄带的正弦光信号的信号调制方法,结合二次谐波差分检测技术,设计并搭建了基于空芯光子晶体光纤的反射式气体浓度测量系统,实验结果证明该系统的测量分辨力可达200 ppm,与其它基于光子晶体光纤的气体传感器相比,该传感器具有较高的灵敏度和较高的精度,而其反射式的传感探头将进一步推动光子晶体光纤在气体传感中的实际应用。
丁晔[6]2011年在《微纳光纤和半导体纳米线复合结构微激光器：制作及特性研究》文中认为基于ZnO、CdS、CdSe等半导体纳米线的激光器由于具有低阈值,容易制备和易于集成等优势,近年来引起了研究者的广泛关注。和氧化硅微纳光纤是绝缘介质材料相比,半导体纳米线既能传导光子,也能传输电子,广泛应用于电子学和光电子学器件。在半导体纳米线激光器的研究中,半导体纳米线不仅作为增益介质,而且是激光谐振腔的主体。由于纳米线直径较小和衬底的存在,在纳米线结构外面的倏逝波会从纳米线的边缘扩散出去或扩散到衬底中,从而引起较强的损耗,增加激光器的阈值。对于半导体纳米线激光器,研究中还有一个难题就是难以获得高效的光输入输出耦合,这也是限制其获得更广泛应用的一个方面。理论和实验研究表明,通过复合结构可以提高耦合效率,获得高的品质因子,降低激光器阈值。本论文在综述微纳光纤和微激光器的研究成果的基础上,提出了微纳光纤和半导体纳米线复合结构微激光器的概念,系统的研究了微纳光纤的机械化制备,CdS纳米线和微纳光纤复合结构微激光器及复合结构多波长微激光器的制作和光学特性。取得的创新性成果如下：(1)本文研究了基于电解水装置的可控热源和步进电机的机械化制备微纳光纤的系统。该装置使用氢气火焰作为热源加热的光纤配合计算机控制的步进电机拉伸光纤,实现了重复性较高的微纳光纤制备。通过这套装置,我们单边拉伸获得了长度达400 mm、直径约400 nm的微纳光纤；双边拉伸获得了损耗小、直径细的两边锥形结构相似的微纳光纤。另外,我们改进热源,对金属丝电加热拉伸方法和激光加热方法也进行了一些尝试。(2)利用机械化装置制备的微纳光纤作为光输入输出耦合单元,和半导体纳米线复合,制作了一种复合结构微激光器。该激光器由直径约为394nm,长度约为49μm的CdS半导体纳米线贴在一根直径约为3.9μm的微米光纤上制成。我们用掺钇铝石榴石激光器(Nd:YAG 355 nm,6 ns,10 Hz)作为泵浦光源。由于微米光纤和半导体纳米线的直径处在波长尺度,所以把泵浦光耦合进半导体纳米线和收集半导体纳米线的荧光都是通过倏逝场完成的。通过实验发现,该激光器的中心波长为518nnm,阈值约为0.45μJ,对应的Q值为863,模式间隔为0.42nm。(3)将多种不同禁带宽度半导体纳米线CdSe纳米线(直径977nm、长度153μm)、CdS纳米线(直径370nm、长度66.7μm)、ZnO纳米线(直径306nm、长度72.6μm)依次贴在同一根直径为3.3μm的微米光纤上,制成微米尺度上的紫外-绿-红叁色激光器。随着泵浦光能量的提高,我们在端面依次得到了单色、双色和叁色激光。复合结构微激光器可以通过选用其它材料,以实现从紫外到红外的全波长覆盖。与传统的将半导体纳米线放在衬底上制成的纳米线激光器相比,这种激光器不仅可以避免衬底效应的影响,还有助于与光纤系统集成,为半导体纳米线集成在光子器件里实现了多样化的解决方案。
李威[7]2014年在《基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器研究》文中指出原子层厚度的二维石墨烯晶体具有线性色散的能带结构以及极强的载流子带间跃迁,能实现超快的宽带光与物质相互作用,可以自由贴附于光学表面实现光子结构的功能化,已经在激光锁模、超快光调制、偏振控制、光电探测等方面显示出良好的应用前景,其中石墨烯超快光调制是最具挑战和器件应用前景的前沿研究方向之一。最近,通过外加电场改变石墨烯中的费米能级,Liu等人首次在实验上演示了光学波段的石墨烯光调制器,但是,受限于器件电子回路的寄生电容等效应,最高调制速率为1GHz量级。如果能使用全光调制方式,将可以绕开电子回路的寄生响应,显着提高调制速率。双锥形的氧化硅微纳光纤是从标准光通信单模光纤中直接拉伸而得,通过严格控制光纤拉锥形状和拉伸参数,可以制备出具有具有亚波长直径、超低单模传输损耗的微纳光纤。利用这种双锥形微纳光纤,可以将光从标准单模光纤端以极低的额外损耗经拉锥过渡区耦合进入并以基模(HE11模)沿着微纳光纤传导,再经拉锥过渡区传导回另一端标准单模光纤。这种形式的光传输,不仅能增强微纳光纤表面光与物质的相互作用,同时也能实现微纳结构中的光信号与标准光纤系统的高效衔接。基于上述考虑,本论文提出基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器研究设想。利用微纳光纤的强倏逝场和导波效应来增强光与石墨烯相互作用,首次在光通信波段获得2.2ps(计算得到的等效带宽约为450GHz；考虑到飞秒脉冲为高斯光束,其时间-带宽常数为0.44,则通过计算得到的对应带宽大约是200GHz)的石墨烯超快光调制实验结果,调制深度达到38%。同时,该调制器结构紧凑、与光纤系统兼容,在光通信、光计算、光逻辑等方面均具有潜在的应用前景。全文共分为以下五个章节：本论文第一章为绪论,简要介绍本课题的目的与意义,以及微纳光纤和石墨烯的研究背景,并概述本论文的主要工作。本论文的第二章主要研究微纳光纤的光传输特性及实验制备。首先,研究微纳光纤的模场分布、单模传输条件以及色散等特性。其次,研究了本文中所使用的双锥形氧化硅微纳光纤的制备,并基于微光纤中多模干涉效应用于应变传感、激光加热熔接微纳光纤用于激光发射等工作研究了微纳光纤的功能化方法。本论文的第叁章主要介绍光学质量的石墨烯包层微纳光纤的研制及光传输特性表征。在此,我们首次提出石墨烯与低损耗微纳光纤复合结构,用于全光纤饱和吸收及全光调制。我们通过撕胶带法制备出寡层石墨烯薄膜,将其转移并包裹在微纳光纤表面,获得光学质量的石墨烯包层微纳光纤样品。同时,我们对石墨烯包层的光场功率密度和模场分布进行了理论建模和计算,对石墨烯包层微纳光纤的线性及非线性(饱和吸收)传输特性进行了实验测量,结果显示,石墨烯包层微纳光纤具有很好的饱和吸收效应。在本论文的第四章中,我们首次从实验上演示了石墨烯的超快全光调制器。利用纳秒脉冲对石墨烯包层微纳光纤的饱和吸收效应,实现了对1.5微米波段连续光的全光调制。为测试该调制器的超快时间响应,我们搭建了一套基于光纤传输系统的泵浦-探测实验系统,实验测得石墨烯包层微纳光纤的响应时间为2.2ps(对高斯脉冲而言,其对应的调制速率为200GHz),调制深度达到38%,较此前的自由空间实验的光透过率变化率提高了近2个数量级。本文第五章为本工作的总结与展望。简要概括了本文主要研究成果,同时,提出了在本文基础上可以进一步开展的工作。总的来说,本文提出并实现的基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器,是石墨烯光子学和光纤光学结合的一个成功范例,不仅拓展了光纤光学和石墨烯光子学在超快光子技术领域的应用潜力,也为未来超快光信息处理开辟了一条新的途径。
尚佳彬[8]2012年在《光纤CRDS多参量传感系统的研制及应用》文中研究说明本文介绍了腔衰荡光谱技术的发展历程、特点和意义，以及在光谱吸收测量和传感检测方面的优越性能；概述了腔衰荡光谱技术的基本原理；分别从光源和衰荡腔结构两个方面对腔衰荡光谱技术进行了详细的分类比较，阐述了多种基于CRDS技术的系统构成、应用概况和今后的发展设想。本文的主要研究工作和成果如下：1、系统阐述了腔衰荡光谱技术的技术原理和系统构成，从技术角度分析了光源、增益控制模块、耦合器及光电探测器等组成系统结构的技术指标对传感测量精度的影响；定量研究了衰荡时间与腔内样品和传感单元吸收损耗之间的关系，对几种基于光纤环CRDS的传感系统进行了细致的分析总结，并指出了各自的优缺点。2、利用高频二氧化碳（CO_2）激光器在普通单模光纤上刻蚀类高斯形光纤微腔，首次将其作为一种全新的传感单元引入自行设计的1060nm光纤环腔衰荡传感系统中，对温度和应力双参量传感进行了实验测量。在此基础上，设计并实现了温度、应力和折射率叁参量同时传感的实验测量。3、提出并研制出一种基于光纤CRDS技术的微腔温度传感系统。该系统将高频CO_2激光器写制的光纤微腔作为温度传感单元接入其中，通过测量不同温度条件下的衰荡时间，实现了对外界温度的高灵敏度传感测量。在此基础之上，对不同深度的光纤微腔分别进行了温度传感实验，初步建立了光腔深度与传感灵敏度之间的对应关系。4、在分析光时分复用（OTDM）的技术原理和系统主要构成方式的基础上，提出了多参量CRDS传感系统的设计构想，在不同的光纤衰荡腔中引入相位调制项，使得不同参数的传感结果在时间上依次顺序输出，实现了多参量同时传感检测。5、将模块化方法引入信号解调系统设计之中，给出了包络检波和峰值保持电路的具体设计方案，成功实现了对CRDS传感输出信号的峰值采集和包络解调。通过对单片机A/D转换模块的编程设计和最小二乘数据拟合算法的C语言编写，实现了硬件模块与软件数据处理的有机结合。
潘玉寨[9]2003年在《高功率镱（Yb～（3+））离子掺杂双包层光纤激光器的研究》文中研究指明高功率光纤激光器是集结了激光二极管光纤模块及其泵浦技术、双包层光纤制作技术及光纤光栅技术与一身的新型激光器技术，在众多领域有着重要的应用前景，国际上已是十几亿美元的产业，被誉为二十一世纪初最伟大的发明之一。 在本论文中，首先概述了光纤激光器的发展历史、最新研究现状及最新发展情况，总结了实现高功率光纤激光器所需要的关键技术，如高功率泵浦模块、双包层光纤及光纤光栅技术等。 双包层光纤概念的提出使得光纤激光器作为高功率输出器件成为可能。因此在本论文里采用几何光学和纤维光学模式理论的方法分析了不同内包层结构的双包层光纤对光纤激光器性能的影响，建立理论分析模型，并设计了新型内包层结构的双包层光纤。 结合稀土离子的吸收及发射特性及二极管泵浦固体激光原理，应用相关的理论建立了高功率F-P腔型光纤激光器的理论分析模型，利用MATLAB、MathCAD，ORIGIN等软件，采用数值计算及分析方法，结合具体参量数值对实验进行了模拟分析，并研究了不同特性参量对激光器性能的影响。 针对采用透镜耦合及双色镜作为谐振腔的光纤激光器所具有的缺点，如结构复杂，调节困难等，提出了全光纤化的双包层光纤激光器结构，主要包括高效率光束压缩及大芯径光纤熔接的实现，利用在双包层光纤内制作光纤光栅来实现激光谐振腔等技术。建立了光纤激光器实验及测试系统，实现了十瓦连续输出的高功率光纤激光器，实现了近衍射受限单模(TEM00)输出。这种全光纤化结构的高功率光纤激光器具有显着的实用化意义。 分析了新型光纤激光器(如光子晶体光纤激光器及多纤芯双包层光纤激光器)的基本原理及发展现况，设计了一种新型可实现高功率输出的双包层光纤激光器结构，并从理论分析出发给出其工作原理及制作方法。 总结了自己在光纤耦合输出激光二极管模块方面所做的一些工作，建立了半导体激光器列阵远场光束分布模型，并结合具体参数分析了不同结构的激光器列阵的光束远场分布特性，可以知道我们设计和优化激光器列阵的结构。设计并制作了光纤耦合模块的温度控制系统，并制作成温控光纤输出激光器半导体系统投入使用。设计了高亮度光纤准直输出半导体激光模块，并应用到我们的双包层光纤激光器结构中。最后分析了在高功率激光领域光纤的重要应用及优化选择。 在最后一章里概述了自己在半导体微腔激光器方面的研究工作。
邓果[10]2004年在《垂直腔面发射激光器非线性动态行为的仿真研究》文中进行了进一步梳理垂直腔表面发射激光器(VCSEL)以其独特的结构和良好的特性，如圆形出光，发散角小便于与光纤耦合；体积小，表面出射易于二维阵列集成；光学谐振腔短容易实现单纵模工作等优点，成为光通信、光互连、光计算、光信息处理等领域的理想光源。 本文通过建立适用于VCSEL的速率方程，不同于以往的处理方法，在国内首次基于SIMULINK平台开发出VCSEL的可视化动态仿真模型，直接实施高频大信号情形下的动态仿真，避免了小信号近似的限制条件，提高了计算精度，对使用SIMULINK进行光学器件和系统仿真进行了有益的探索。针对VCSEL的微腔结构，具体研究了典型结构参数(孔径、有源区厚度)；自发辐射因子以及增益压缩因子与VCSEL稳定性及分岔点变化规律的关系，从理论上确定VCSEL稳定运行条件，找到了二倍周期分岔点、四周期分岔点以及混沌带与它们的依赖关系，并对出现混沌的条件进行探讨。仿真表明提高VCSEL稳定性的叁个方法是：缩小孔径尺寸；适当减小有源区厚度；增大自发辐射因子。 进一步通过扩展模型，使之适用于外腔反馈的情形，分别研究了短外腔和长外腔反馈情况下VCSEL的动态行为。具体分析了外腔长度的极小变化(长度变化在1μm范围内)和外腔镜面反射率对VCSEL非线性特性的影响。仿真表明腔长的极小变化会造成VCSEL输出功率以发射光半波长为周期的周期性波动，对短外腔来说，不会破坏出射光的稳定性，对长外腔而言，会出现分岔、四周期、准周期、混沌等非线性行为。在此基础上，探讨了利用高频注入法对反馈引起的混沌进行控制。这些分析与结果对VCSEL的设计和优化也有一定的参考价值。
参考文献：
[1]. 微腔激光器数码调制及其光纤传输的研究[J]. 赵红东, 林世鸣, 张存善, 王守武, 沈光地. 中国激光. 1998
[2]. 微腔半导体激光器的微腔结构、调制特性及光纤传输[D]. 孙江. 河北大学. 2001
[3]. 半导体激光器微腔结构调制的脉码在光纤中的传输[J]. 王英龙, 郑云龙, 赵顺龙. 量子电子学报. 2003
[4]. DBR微腔激光器典型参数的开关调制响应及控制[J]. 潘炜, 张晓霞, 罗斌, 邓果, 李孝峰. 通信学报. 2004
[5]. 基于光子晶体的高灵敏度气体传感理论及关键技术研究[D]. 张亚男. 东北大学. 2015
[6]. 微纳光纤和半导体纳米线复合结构微激光器：制作及特性研究[D]. 丁晔. 浙江大学. 2011
[7]. 基于微纳光纤的石墨烯超快全光调制器研究[D]. 李威. 浙江大学. 2014
[8]. 光纤CRDS多参量传感系统的研制及应用[D]. 尚佳彬. 南开大学. 2012
[9]. 高功率镱（Yb～（3+））离子掺杂双包层光纤激光器的研究[D]. 潘玉寨. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2003
[10]. 垂直腔面发射激光器非线性动态行为的仿真研究[D]. 邓果. 西南交通大学. 2004
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