光信号的高效耦合是光学微腔器件研究和应用的基础。传统的光学微腔大多采用倏逝波的方式进行耦合，这就需要满足波导与微腔间的相位匹配条件，因此这类耦合方式所带来的制备成本、稳定性和可重复性问题示制约微腔器件商用化的主要限制因素。

为了解决这一困局，我们从耦合机制出发，提出了耦合波导与微腔直接相连的末端直接耦合机制，在波导末端中直接输入信号并激发微腔内的谐振模式。光信号不仅可以高效耦合进微腔，同时还有效解决了传统倏逝波耦合面临的问题：波导直接与微腔相连，避免了制备中要精确控制波导和微腔间距的限制，整个器件的最小尺寸均大于500纳米，这就可以使用CMOS技术大规模集成制备，其低廉的成本使这类微腔器件更容易商业化。

图 1  (a)末端直接耦合的结构示意图。(b)和(c)分别为末端直接耦合效率对波导宽度和波导位置等制备误差的高容忍性。(d)末端直接耦合超宽光谱工作范围。

   相关工作以长文形式发表于Optica期刊上，被编辑选为Release News在Optica官方网站进行了采访报道，同时国内外著名的学术和商业投资类网站进行了专题报道，如Optics&Photonics News，Science，Science Daily， PhysOrg，Laser Focus World，Business Wire，Market Watch等50余家国内外媒体，被评价为是“生物传感器的重要突破”；该工作入选了2018年中国光学10大进展候选名单，有望加快光学微腔器件的商用化脚步。

图2 国内外媒体关于末端直接耦合机制的相关报道

宽带高频微波信号的频率测量在电子战接收机中具有非常重要的作用，然而传统的电子学接收机具有只能针对单频信号进行频率测量的不足。我们设计了铌酸锂电光FP腔，并进行了制备及封装。并利用该器件，在铌酸锂波导两侧施加扫描电压实现对光载微波信号边带信息的扫描，从而获得微波信号的频率信息。由于电光效应具有飞秒级的响应时间，可以实现微波信号频率的快速测量。目前我们采用单电光FP腔已经实现3.2 GHz的频率测量范围、50 MHz的频率测量误差和500 kHz的频率测量响应速率。若采用双电光FP腔，利用游标卡尺效应，可将频率测量范围扩展到54 GHz。

图3 封装后的电光FP腔器件实物图与基于双电光FP腔的频率测量误差仿真结果

此外，我们还研究基于失谐光学频率梳的多频微波信号频率测量方法。该方法采用光学拍频方法将高频微波信号下变频处理后通过对下变频后信号的频率域功率的分析，获得下变频前高频微波信号的频率。目前，已经实现了2-12 GHz的频率测量范围和2 MHz的频率测量误差。关于微波信号频率测量方面的研究成果已经发表在IEEE Photonics Journal 11(4) 5501708和SPIE 1106829 (2019)上。

   开展了基于硅基石墨烯集成微波光子学器件的研究，在理论研究，建立了石墨烯电光特性及硅基石墨烯复合波导理论模型，仿真分析，得到了调制器设计结构及石墨烯长度、化学势对调制器调制深度性能的影响曲线；工艺探索方面，解决制作工艺问题，完成了硅基石墨烯电光调制器的制作，实验研究方面，搭建测试系统，测试了硅基石墨烯电光调制器的静态及动态特性。

图 4 设计的微波光子集成器件的版图，其中包括石墨烯集成调制器、耦合器带状波导、电极等结构。器件整体尺寸9mm×9mm。

图 5 采用EBL和离子束刻蚀制作的光栅和波导及耦合器的STM图。波导宽度500nm，光栅线宽150nm。

图 6 波导AFM测试结果表明，表面粗糙度小于1.2nm

图 7 铺石墨烯，并经过氧离子刻蚀后得到的铺1μm宽度的石墨烯调制器的照片

图 8 硅基石墨烯集成调制器测试系统实物照片

最终测试得到的结果为，调制速率100MHz，调制深度2dB。