光学微环谐振腔的研究与应用
摘要：随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。
本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。基于绝缘体上硅波导（Silicon-On-Insulator SOI）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构，这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。
关键词: 微谐振腔, 光波导，SOI，陀螺
RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORING
RESONATORS
Abstract
With the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future all-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, its small size is very suitable for integration with large dimension.
In this thesis, we first introduce the light of total reflection theory and the basic structure of waveguide. Then we introduce the principle of mcroring resonator,
analysis their transmission property. Micro-ring resonators based on silicon- on-insulator (SOI) structure are promising building-blocks for ultra-compact and highly integrated photonic circuits. The fabrication technology is mostly CMOS-compatible.We propose a configuration of integrated waveguide structure consisting of resonators coupled to an arc-shape waveguide. Such proposed configuration can be used to realize highly compact optical gyroscope for rotation sensing.
Key words: microresonators ,waveguide ,SOI ,Gyroscope
1. 引言
光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号，在通信不发达的古代，人们就已经懂得利用光来传递信息。早在公元前11 世纪，人们就通过在烽火台上点燃烟火来传递信号，以满足国家在政治和军事方面对通信的需要。不过这种简单的通信方式的应用范围还是非常局限的。自从1960 年美国科学家梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器[1]，2009 年的诺贝尔物理学获得者高琨(Charles K.Kao)和他的同事霍克曼(G.A.Hckman) 于1966 年提出玻璃纤维可传输光信号，并指出通信光纤的要求是每公里衰减小于20 分贝(dB)之后[2]，通信领域进入了一个崭新的时代——光纤通信技术时代。
随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件，例如能同时实现光学滤波器、延迟线、缓存器和各种全光信号处理的基本单元，通过大规模集成该单元在一个衬底上实现功能强大的光子学“片上系统”。
微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成，同时能实现包括滤波器、延迟线、缓存器、激光器、路由器、波长复用/解复用器、光开关、调制器、波长转换器、码型转换、逻辑门和传感器等功能单元，功能非常强大，因此微环己成为光纤通信和集成光学领域的研究热点之一。
最近发展的绝缘体上的硅(SOI)结构，由于该结构的硅芯层与二氧化硅的覆
层之间具有高的折射率差，光被限制在很小的范围内，器件的尺度可以很小，所以 SOI 已经成为良好的单片集成电路平台[3]。文献[4]中报道了由 100 个微环谐振腔以耦合谐振腔或者全通滤波器级联的结构图 1-1 所示。
图1-1级联的微环谐振腔的全通滤波器（APF ）结构（b ）和谐振腔耦合光波导（CROW ）结构（c ）实现延时线
2. 光波导的基本原理
2.1 基本光学理论
光在波导里传输的最基本原理是光的全反射原理，由斯涅耳折射定律可知：
1122sin sin n n θθ= （1.1）
12,n n 分别为介质的折射率，12,θθ分别为入射角和折射角。
当光由光密介质（折射率1n 比较大的介质）射入光疏介质（折射率2n 比较小的介质）时（比如由水入射到空气中），如果入射角1θ等于某一个角c θ时，折射光线会沿折射界面的切线进行，即折射角2θ=90。,此时会有sin 2θ=1,则可推得sin c θ= sin 1θ= n 2/n 1。 但如果入射角1θ大于这一个值c θ时，入射角的正弦sin 1θ> n 2/n 1，会推得sin 2θ>1。这在数学上是没有意义的，所以此时，不存在折射光，而只存在反射光，于是便发生全内反射。而使得全内反射发生的最小入射角c θ叫做临界角，它的值取决于两种介质的折射率的比值，即c θ =sin -1( n 2/n 1)。例：水的折射率为1.33，空气的折射率近似等于1.00，临界角c θ等于sin -1(1/1.33)= 48.8当光线经过两个不同折射率的介质时，部份的光线会于介质的界面被折射，其余的则被反射。但是，当入射角
比临界角大时（光线远离法线），光线会停止进入另一接口，反之会全部向内面反射。这只会发生在当光线从光密介质（较高折射率的介质）进入到光疏介质（较低折射率的介质），入射角大于临界角时。因为没有折射（折射光线消失）而都是反射，故称之为全内反射（如图2-1）。例如当光线从玻璃进入空气时会发生，但当光线从空气进入玻璃则不会。最常见的是沸腾的水中气泡显得十分明亮，就是因为发生了全内反射。
图2-1全反射原理图
2.2 波导的结构分析
薄膜波导是最简单的光波导类型，对薄膜波导的分析，在光波导领域具有典型意义。另一方面，薄膜波导又是集成光学的技术基础。薄膜波导也称平面介质波导，其结构如图2-2所示，是由两层低折射率介质膜和中间夹有的一层高折射率介质膜所组成的三层结构。中间一层称为芯层，折射率为n1，是光波传播的通道，下面一层称为衬底，折射率为n2，上面一层称覆盖层，折射率n3。上下两层都是限制光线的阻挡层。为了保证光线在芯层的传播，必须要求n1大于n2和n3，一般设定n1＞n2＞n3。波导光线均匀介质波导的芯层光线沿直线传播，经与上下界面的反射和折射，形成锯齿形光线。
光线可分为两种，满足全反射条件的光线，始终被束缚在芯层内，称为束缚光线或导波光线，未满足全反射条件的光线称为折射光线或辐射光线，这种光线可穿过界面进入衬底或覆盖层。
3. 微谐振腔的工作原理
20世纪60年代，集成光学这一新学科的诞生引起全世界物理学、化学和材料科学等领域科学家的极大关注生从此掀起了研究集成光学的热潮。目前，集成光学元件以其体积小、结构紧凑坚固、抗干扰能力强、稳定可靠、寿命长等优点， 在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。光波导是集成 光学重要的基础性部件，具有下包层、芯层和上包层的基本结构，其芯层折射率 高于下包层和上包层的折射率，这样便可以将光波束缚在光波长量级尺寸的芯层 介质中传输。
3.1 微环谐振腔的基本原理
由光波导组成的环形波导谐振腔最早由 MareatillE.A.J 于1969年提出[5]，其是通过波导定向耦合器将环形波导与输入输出波导连接而成，如图3-1所示。设环形波导谐振腔的谐振频率为2f ，则一列频率为1f 、2f 、3f …的信号波由通道1进入，与环形谐振腔发生耦合后，只有频率为儿的信号波能在环形谐振腔内达到谐振状态，在通道2的下载口输出，实现对儿信号的下载。这就是谐振腔的选频作用。
n 3 复盖层
n 1 芯层
n 2 衬底
图2-2 薄膜波导结构及其中的光线路径 x
图3-1环形波导谐振腔示意图
3.2 基于SOI的环形谐振腔
如图3-2 为绝缘体上的硅结构（SOI）的横截面示意图。该结构为三层夹心结构，最底层和最顶层均为硅（折射率为 2.45），中间层为二氧化硅（折射率为1.45）。用来制作硅基微环的绝缘体上的硅结构最上方为~250 纳米厚的单晶硅，中间是~3 微米厚的二氧化硅缓冲层，最下面是~525 微米厚的硅衬底。由于器件层与中间层和空气（折射率为 1.0）的折射率差比较大，所以器件可以做到纳米尺度时实现单模条件下。
图3-2 SOI结构图
硅基环形谐振腔是在以SOI 为基底材料，在其上刻蚀出半径在纳米尺寸的环（见图3-3）。底部为直波导，如果左侧为光的输入端口，则光在与环接近的部位通过空气间隙直接耦合进入波导环，波长满足谐振条件的光波在环内产生谐振，并在环内循环往复的传播，而没有产生谐振的光则又通过空气间隙耦合进入直波导。
图3-3硅基环形谐振腔
这样通过观察直波导的输出与输入光之比的能量谱就可以得到环形谐振腔的光谱（如图3-4）。基于SOI 的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高集成度，并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体COMS 兼容，使其正在成为光器件诱人方案。传统上，一个硅的直波导和环组成基于绝缘体上的硅波导纳米环形谐振腔。它在光学滤波、光开关、和生物分子检测等方面都有比较诱人的应用前景。而这些应用中都需要该器件的光传输谱线有比较深的谐振凹陷。然而对于一个波导一个环的结构，传输光谱要得到此目的并不容易。临界耦合状态，即环形谐振腔的本征损耗和耦合损耗相等，可以得到最深的谐振凹陷，这时谐振频率处功率为零。在实际的器件制造过程中，为了达到这个目的，必须要细心的调节直波导、环及它们之间的空气间隙的宽度。
图3-4环形谐振腔的传输谱
4. 微谐振腔在集成光学陀螺上的应用
陀螺仪的种类很多，包括机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的等等。各种陀螺仪都具有自身的优点，有自己的使用领域。随着低损耗光纤的出现及不断完善，1976年美国utah大学的vall和R.w.shorthiu首次提出了光纤陀螺的概
念[6]，它标志着基于sagnac效应的第二代光学陀螺的诞生。基于Sagnac效应的光学陀螺仪，根据Sagnac敏感环的结构及其工作方式可以分为:干涉式、谐振式和布里渊型。干涉仪式光学陀螺(Interferometic Optic Gyro,IOG)按照光路的组成又可以分为:消偏型、全光纤型和集成光学型。谐振腔式光学陀螺(Resonator Optic Gyro,ROG)按照光路的组成又可以分为:全光纤型(Resonator Fiber Optic Gyro,R-FOG)和集成光学型(Resonator Integrated Optic Gyro,R-IOG)。其中，干涉型光纤陀螺技术己经完全成熟,进入工程实用化阶段，广泛应用于民航、船舶和战术导弹中;谐振式光纤陀螺目前正从实验室走向实用化。
所有光学陀螺，无论是有源或无源，干涉式或谐振式，都是基于Sagnac效应。Sagnac效应[7]是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波经历的相位或者光程将由于该闭合环路相对于惯性空间的旋转而产生不同，其相位差或者光程差的大小与闭合环路的转动速率成正比。
谐振式集成光学陀螺利用光在环形谐振腔内多次传输进一步增强Sagnac效应。当环形谐振腔绕中心轴旋转时，Sagnac效应使谐振腔内顺、逆时针两光束的谐振频率产生一个频差，此频差正比于陀螺系统的旋转角速率，所以通过检测两路光的谐振频率差就可以获得载体旋转角速度。
如图4-1所示为我们课题组燕路设计的集成光波导结构[8]，首先由光泵浦信号光通过3dB耦合器分为两束光进入导大环波导沿相反的方向传播，同时在大环波导里又与小环相耦合，最后由集成光探测器测出两束光的频率差，从而确定载体旋转角速度。这种大环耦合小环的波导结构可以大大提高陀螺的灵敏度。
图4-1集成光波导陀螺系统结构示意图
5. 结论
本文首先介绍了光学全反射原理和光波导的结构，这是研究谐振腔的最基本的理论知识，随后说明了谐振腔的基本原理和基于SOI的微环谐振腔，指出在光学滤波、光开关、和生物分子检测等方面都有比较诱人的应用前景。而这些应用中都需要该器件的光传输谱线有比较深的谐振凹陷。而临界耦合状态可以得到最深的谐振凹陷。在实际的器件制造过程中，为了达到这个目的，必须要细心的调节直波导、环及它们之间的空气间隙的宽度。最后指出微环谐振腔在集成光学陀螺上有着重要的应用。
参考文献：
[1] T. H. Maiman, “Stimulated optical radiation in ruby,” Nature, vol. 187, pp. 493-494, 1960.
[2] C. K. Gao, and G. A. Hockham, “Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequency,” in Proc. IEE, vol. 133, pp. 1151-1158, 1966.
[3] B. Jalali and S. Fathpour, “Silicon photonics,” J. Lightw. Technol., vol. 24, pp. 4600–4615, 2006.
[4] F. Xia, L. Sekaric, and Y. Vlasov, "Ultracompact optical buffers on a silicon chip," Nature 1, 65(2007).
[5]MareatiliE.A.J.BendsinoPticaldielectrieguides.BellSyst.Techn.J.1969，48:2103一2132
[6]ValiV.R.W.Shorthill.Fiberringinterferomcter.APPliedOPties，1976，15:1099一1100
[7]WalterR.Leeb,GethardSehiffner,EduardScheitere.OPtiealfibergyroseoPes:Sagnac or FIZean effeet.Applied Opties，1989，18(9):1293一1295
[8] Yan, L., Xiao, Z., Guo, X. and Huang, A., “Circle-coupled resonator waveguide with enhanced Sagnac phasesensitivity for rotation sensing,” Appl. Phys. Lett., 95, 141104 (2009)
第二章光学谐振腔基本概念 (1) 2.1光学谐振腔 (1) 2.2非稳定谐振腔及特点 (1) 2.3光学谐振腔的损耗 (2) 2.4减小无源稳定腔损耗的途径 (2) 反射镜面的种类对损耗的影响 (2) 腔的结构不同，损耗不同 (2) 第二章光学谐振腔基本概念 2.1光学谐振腔 光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一，是用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方 向的装置。 光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。由平面镜、凹面镜、凸面镜的任何两块镜的组合，构成各类型光学谐振腔。 光学谐振腔的分类方式很多。按照工作物质的状态可分为有源腔和无源腔。虽有工作物质，但未被激发从而无放大作用的谐振腔称之为无源谐振腔；而有源腔则是指经过激发有放大作用的谐振腔。 2.2非稳定谐振腔及特点 非稳定谐振腔的反射镜可以由两个球面镜构成也可由一个球面镜和一个平面镜组合而成。若R1和R2为两反射镜曲率半径，L为两镜间距离，对于非稳腔则g1，g2：满足g1*g2
§9-4 光振荡 一、受激辐射与自发辐射 受激辐射除了吸收过程相矛盾外，还与自发辐射相矛盾，处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射或受激辐射回到基态，在这两种过程中，自发辐射往往是主要的，设高低能级的粒子数密度分别为21n n 和，根据（9-7）式和（9-8）式，可得到受激辐射和自发幅射光子数之比。 21 ()u v B R A = （9-24） 如果要使1R >>，则能量密度()u v 必须很大，而在普遍光源中，能量密度()u v 通常是很小的，例如在热平衡条件下，对于发射1m λμ=的热光源来讲，当温度为300K 时1210R -=，由（9-24）式可知，在此情况下，受激辐射光子数比自发辐射光子数少得多，如果要使受激辐射光子数等于自发辐射光子数，即1R =，则此热光源温度就需高达500000K ，可见在一般光源中，自发辐射大大超过了受激辐射。 但是我们可以设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射，不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而其它方向传播的光很容易逸出腔外，以致在这一特定方向上超过自发辐射，这样，我们就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，这种装置叫做光学谐振腔。 二、光学谐振腔 象电子技术中的振荡器一样，要实现光振荡，除了有放大元件以外，还必须具备正反馈系统，在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。 全反射镜 工作物质部分反射镜 （图9－10） 图9-10就是光学谐腔的示意图，在作为放大元件的工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜，它们互相平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。 当能实现粒子数反转的工作物质受到外界的激励后，就有许多粒子跃迁到激发态去，激发态的粒子是不稳定的，它们在激发态寿命的时间范围以内会纷纷跳回到基态，而发射出自发辐射光子，这些光子射向四面八方，其中偏离轴向的光子很快就逸出谐振腔外，只有沿着轴向的光子，在谐振腔内受到两端两块反射镜的反射而不致于逸出腔外，这些光子就成为引起受激辐射的外界感应因素，以致产生了轴向的受激辐射，受激辐射发射出来的光子和引起受激辐射的光子有相同的频率，发射方向，偏振状态和位相，他们沿轴线方向不断地往复通过已实现了粒子数反转的工作和振荡，这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增加，而在部分反射镜中输出，这便是激光。
摘要 微型环状共振器结构是近年提出的一种微结构,其可以实现对光波的微控制和一些原子系统中的量子效应，以及波长变换、光开关与逻辑门等功能，并且易于实现大规模集成的光学电路，已经应用于光波导滤波器和光波导调制器,并且成为高密度光集成功能元件的选择之一。因此在光通信领域中具有良好的发展前景和实际应用价值，这对全光通信具有重要意义。OptiFDTD是应用于光通讯、光子晶体、纳米结构的仿真软件。用光学软件OptiFDTD可以模拟出微型环状共振器，并能够对其特性进行分析。 关键词：微环共振器，耦合，OptiFDTD,滤波器，时域有限差分法。
ABSTRACT Mini ring is put forward the structure resonance in recent years of a kind of microstructure, the realization of the waves of light can be to micro control and some atomic system of quantum effects, and wavelength conversion, light switch and logic gates, and other functions, and is easy to realize the large-scale integrated optical circuit, has been used light waveguide filters and light waveguide modulator, and become the high density integrated function of components of the light one option. So in optical communication field have good development prospect and practical application value, it has important meaning to all optical communication.OptiFDTD is the application of light communication, photonic crystal, nano structure of the simulation software. Use of optical OptiFDTD can simulate the software miniature ring the resonance, and be able to its properties are analyzed. KEY WORDS：Micro loop resonance device, coupling, OptiFDTD, filter, the finite difference time domain method.
第３１卷 第１０期光 学 学 报 Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１０ ２０１１年１ ０月ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１１ 高品质因子聚合物波导微环谐振腔滤波器 恽斌峰 胡国华 崔一平＊ （东南大学先进光子学中心，江苏南京２１００９６ ）摘要 基于紫外固化胶和聚砜聚合物材料体系，采用脊形单模波导结构，理论设计并优化了聚合物波导环形谐振腔滤波器的波导截面参数、弯曲半径和耦合区波导间距等结构参数，分析了其滤波响应特性。并在此基础上，结合光刻、 反应离子刻蚀等传统的微加工工艺制备了聚合物环形谐振腔滤波器，并进行了光谱测试，器件测试结果与设计基本符合。结果表明，该聚合物微环谐振腔滤波器在通信波段１５５０ｎｍ附近的自由光谱范围为０．２１ｎｍ，３ｄＢ 带宽为０．０４ｎｍ，插入损耗为２６ｄＢ，消光比达到了１１ｄＢ，品质因子达到了３．８７×１０ ４ 。该聚合物微环谐振腔滤波器可以用于光通信及光传感集成芯片。 关键词 光学器件；聚合物；微环谐振腔；品质因子；消光比 中图分类号 ＴＮ２５６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１１３１．１０１３００２ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｉｃｒｏ－Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｑｕａｌｉｔｙ ＦａｃｔｏｒＹｕｎ Ｂｉｎｆｅｎｇ Ｈｕ Ｇｕｏｈｕａ Ｃｕｉ Ｙｉｐｉｎｇ （Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇ ｓｕ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒｅｓｉｓｔ（ＺＰＵ）ａｎｄ ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐ ａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅｐｏｌｙｍｅｒ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｓｕｃｈ ａｓ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｂｅｎｄｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ，ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇａｐ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ ａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｉｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏ－ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｒｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｇｒｅｅ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔｅｌｅｃｏｍ ｗａｖｅｌｅｎｇ ｔｈ ｏｆ１５５０ｎｍ，ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ，３ｄＢ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ，ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｒｅ ０．２１ｎｍ，０．０４ｎｍ，２６ｄＢ，１１ｄＢ，３．８７×１０４ ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｉｓ ｖｅｒｙ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｔｅｌｅｃｏｍ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｃｈｉｐｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ；ｐｏｌｙｍｅｒ；ｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ；ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １ ３０．５４６０；１３０．７４０８；１３０．３１２０ 收稿日期：２０１１－０３－１８；收到修改稿日期：２０１１－０４－ ２５作者简介：恽斌峰（１９７９—），男，博士，副教授，主要从事聚合物波导方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｂｆ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ＊通信联系人。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙｐ ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ１ 引 言 波导微环谐振腔滤波器是集成光学的重要单元器件之一，在光通信波分复用（ＷＤＭ）系统中作为滤波器和分路器有着广泛的应用，具有体积小、结构简单和易于大规模集成等优点。除了在光通信领域 的应用［１，２］ 外，由于其带宽窄、灵敏度高等优点，近年来在生化传感领域也得到了特别关注［ ３～６］ 。传统的基于半导体材料的集成波导环形腔滤波器的设计与制作已经比较成熟，如基于硅基二氧化硅 （ＳＯＩ）［６，７］、砷化镓（ＧａＡｓ ）［８］ 等，但是制备工艺复杂、设备昂贵和成本高。相对于半导体材料，基于聚合物材料的波导微环谐振腔滤波器的制备设备、工艺相对简单， 成本也大大降低，因而成为了研究热点［９～１４］ 。然而，对于高折射率差的芯／包层材料，为 了在耦合区得到较大的耦合系数，一般都需要把耦 合区的波导间距控制在几百纳米量级［６～１２］ ，这样高 的加工精度是传统的接触式光刻无法实现的，需要采用电子束光刻、纳米压印等高精度的纳米加工技术才能实现，大大增大了加工成本。且微环谐振腔滤波器的品质因子Ｑ值也是器件应用的关键参数， １０１３００２－ １
光学微环谐振腔的研究与应用 摘要：随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。 本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。基于绝缘体上硅波导（Silicon-On-Insulator SOI）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构，这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。 关键词: 微谐振腔, 光波导，SOI，陀螺 RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORING RESONATORS Abstract With the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future all-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, its small size is very suitable for integration with large dimension. In this thesis, we first introduce the light of total internal reflection (TIR) theory and the basic structure of waveguide. Then we introduce the principle of mcroring
硅基槽型微环谐振器及其调谐特性研究 洪建勋１＊，刘 莹１，陈 伟２ （１．武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉４３００７０；２．武汉理工大学自动化学院，湖北武汉４３００７０） 摘要：仿真和实验研究了含槽型（ｓｌｏｔ）光波导的反馈波导型微环谐振器的特性，将槽型光波导集成到Ｓｉ基微环谐振器中，丰富Ｓｉ基光波导的功能，为新型光电子器件的实现提供途径。通过锥形波导结构实现从传统波导到槽型波导的模式转换，减小传输损耗，采用时域有限差分法（ＦＤＴＤ）研究了光功率的分布和模式转换过程。结果显示，光功率逐渐转移到锥形结构两侧的槽型波导中并最终形成槽型波导中的传输模式，通过优化锥形结构能实现较高的模式转换效率，可以达到９０％以上。采用电子束刻写技术和等离子刻蚀技术制备了反馈波导型槽型微环谐振器。实验显示，锥形波导能够实现模式的转换，光传输过程良好。通过在槽型波导中填充电光聚合物来改变槽型光波导的折射率，测量结果显示，传输谱谐振峰发生了明显移动，移动幅度达到５．６ｎｍ，器件具备很好的可调谐性。 关键词：Ｓｉ基；槽型波导；传输谱；锥形；可调谐性 中图分类号：ＴＮ２５６；ＴＮ２５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－００８６（２０１４）０９－１６６８－０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｌｏｔ ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｕｎａｂｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ＨＯＮＧ Ｊｉａｎ－ｘｕｎ１，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ１，ＣＨＥＮ Ｗｅｉ ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏ－ｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｌｏｔ ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｒｉｃｈ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ａｄｖａｎｃｅｄ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｔｏ ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓ－ｍｉｓｓｉｏｎ ｌｏｓｓ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）ｍｅｔｈｏｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｔｓ ａ－ｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｆｏｒｍｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｎａｌｌｙ．Ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｓ ｈｉｇｈ ａｓ ９０％ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎ．Ａ ｓｌｏｔ ｍｉ－ｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ＳＯＩ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｎｄ ｐｌａｓｍａ ｅｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｔ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ．Ｔｈｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｔ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｂｙ ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐ－ｔｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｔ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｈｉｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅａｋｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓ ａｓ ｌａｒｇｅ ａｓ５．６ｎｍ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ａ ｇｏｏｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎｔｏ ｔｕｎａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ，ｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｉ；ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｔａｐｅｒ；ｔｕｎａｂｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ １ 引 言 传统光波导通常由两种具有不同折射率的材料组成，且芯层材料的折射率大于包层材料的折射率。槽型（ｓｌｏｔ）光波导是一种新型的波导，通常由３层组成，各层的厚在几×１０到几×１０２ ｎｍ量 光电子·激光 第２５卷第９期 ２０１４年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ·Ｌａｓｅｒ Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１４＊ Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｘｈｏｎｇ＠ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２０１４－０５－２９ 修订日期：２０１４－０７－２２ 基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金（２０１３－６９３）资助项目
光学谐振腔的分类之一 腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低：稳定腔、非稳腔、临界腔。 稳定腔：腔内傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔。 非稳腔：腔内光线经过有限次往返传播后逸出腔外的谐振腔。 临界腔：能够保证截面平行于反射镜面的光束在反射镜间传播不逸出。 什么样几何形状的谐振腔？共轴球面腔的三个参数：腔镜的曲率半径R 1、R 2、腔长 L 需要满足什么样的条件呢？ 本节讨论光学谐振腔的稳定性条件。 1.共轴球面谐振腔的稳定性条件 光线在球面谐振腔内往返n 次的光学变换矩阵： = 往返n 次后光线的空间位置坐标与方向坐标： 如果在无论n 取多大值、任何值的情况下，An 、Bn 、Cn 和Dn 都是在一定范 围内的有限值，那么 和 就是有限值，只要反射镜的镜面横向尺寸足够大，就可以保证傍轴光线在腔内往返任意次、无限次而不会从侧面逸出。 从M n 的表达式中可以看出，角度 的大小对矩阵中的四个元素An 、Bn 、Cn 和Dn 起着决定性的作用。 和 取值大小，反映的是光线偏离光轴能力的大小，即造成激光几何 损耗的大小。 下面我们就分三种情况对 角的取值加以讨论，并希望能从中寻找出谐振腔的稳定性条件。 n n n n n A B M C D ??=?????? ? ???----???? ???)1sin(sin sin sin )1sin(sin sin 1n n D n C n B n A 1111n n n n n n r A r B C r D θθθ=+?? =+? ?n r n θn r n θ????? ??? ??? - --=+-=-=-=1212121222)21)(21() 11(24)1(221R L R L R L D R R R R L C R L L B R L A
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910339275.0 (22)申请日 2019.04.25 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 黄莹 储涛 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 陈升华 (51)Int.Cl. H01S 5/10(2006.01) H01S 5/0683(2006.01) (54)发明名称采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器及窄线宽激光器(57)摘要本发明公开了一种采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器及窄线宽激光器，波长锁定器，包括：SOI芯片；设置在所述SOI芯片上并将输入光波分成两束光线的分束器；接收所述分束器分出的第一束光线的第一光电二极管，所述第一光电二极管输出参考光信号；对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的微环谐振腔滤波器；接收所述微环谐振腔滤波器输出的光信号的第二光电二极管，经所述第二光电二极管输出滤波信号。微环谐振腔滤波器的信道间隔(FSR )设计为25GHz，故特适用于窄线宽激光器。本发明集成度很高、工艺复杂度和成本较低，能够提高激光器 的波长稳定性。权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 110165548 A 2019.08.23 C N 110165548 A
权 利 要 求 书1/1页CN 110165548 A 1.一种采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，包括： SOI芯片； 设置在所述SOI芯片上并将输入光波分成两束光线的分束器； 接收所述分束器分出的第一束光线的第一光电二极管，所述第一光电二极管输出参考光信号； 对所述分束器分出的第二束光线进行滤波的微环谐振腔滤波器； 接收所述微环谐振腔滤波器输出的光信号的第二光电二极管，经所述第二光电二极管输出滤波信号。 2.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的SOI芯片包括硅衬底和设置在所述硅衬底上的二氧化硅埋氧层。 3.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的分束器为Y型波导分束器。 4.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的分束器的第一束光线出光端与第一光电二极管通过第一条形波导连接。 5.根据权利要求4所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的第一条形波导采用氮化硅材料，该第一条形波导的宽度为900nm，高度为400nm。 6.根据权利要求1所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的微环谐振腔滤波器包括： 与所述分束器的第二束光线出光端连接的输入条形波导； 与所述输入条形波导连接的环形谐振腔； 与所述环形谐振腔连接的输出条形波导； 所述的输出条形波导与所述第二光电二极管连接。 7.根据权利要求6所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的输入条形波导和输出条形波导平行设置，所述的环形谐振腔设置在所述输入条形波导和输出条形波导之间。 8.根据权利要求7所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的环形谐振腔采用氮化硅微环，所述的氮化硅微环的内半径为955951nm，所述的氮化硅微环的宽度为900nm，高度为400nm。 9.根据权利要求6所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器，其特征在于，所述的输入条形波导采用氮化硅材料，该输入条形波导的宽度为900nm，高度为400nm； 所述的输出条形波导采用氮化硅材料，该输出条形波导的宽度为900nm，高度为400nm。 10.一种窄线宽激光器，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的采用微环谐振腔滤波器的波长锁定器。 2
微环的基本理论和模式 微环谐振器是一种以硅为主要材料且集成度高，作用强大，体积微小，并能应用于光电子集成回路的一种光学器件，具有很大的研究价值。本文应用到同心环这个结构，即在原本的单环模式下，以环为中心，再增加多个同心微环结构，借此可增加接触面积，从而提高传输质量。 近几年来对于生物传感已然成为一个很热的研究。即由于外界环境变化使得将生化信号转换为电信号而进行检测的一种仪器。若将同心微环谐振腔用于生物传感，便可大幅度增加品质因数Q，即灵敏度的增加。因此，这是一种很有前景的研究。 关键字：微环谐振器，生物传感器，品质因数Q 绪论 1.1 研究背景和意义 社会的进步使得人们在生活的各个方面要求越来越高，小到日常起居，医疗安全；大到保护环境，生物检测等。因此也吸引了很大一批学者对这方面进行深入的探究，生物传感器的研究开始得到重视。而一开始，生物传感器便有好几类探测机制，包括电学，光学，热学等，其中最简洁，研究前景最为开阔的是光学生物传感器。我们以前了解过关于光学这方面的简介，知道了早在20 世纪初便开始有人研究光通信，例如20世纪60 年代美国物理学家Maiman使用人造红宝石为工作煤质【1】，制造出了第一台红宝石激光器并且成功产生脉冲相干光；而随后华裔物理学家兼诺贝尔物理学奖得主Charles Kuen Gao 发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文【2】，指出光导纤维在通信方面的原理。至此，光学的应用在世界开启了新的篇章，开始有人研究光学在其他方面的用途。 在光学生物传感器的研究领域，主要包括标记型和免标记型。标记型，顾名思义就是要对被探测的物体进行标记，然后通过相应的设备去检测标记物，继而得到被探测物体的相关信息。免标记型就是直接通过检测光信号的变化而得到相应的信息，不需要对被探测物体标记，省去了很大的麻烦，使用起来更加方便简洁。我们所要讨论的微环结构的生物传感器就是免标记型的。光学微环谐振腔基于微米尺度，集成度可以很高，在信号的传递过程中速度很快，因此其应用范围极广，除了生物传感，还包括滤波，调制器等方面，本文主要分析在生物传感器上的应用，相信随着技术的发展，这方面的研究将会取得更大的成果。
第３８卷 第５期２０１４年９月 激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．５ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１４ 文章编号：１００１－３８０６（２０１４）０５－０６１４－０５ 基于Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ结构微环谐振腔全光逻辑门的研究 高 磊，王 涛 倡 （华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉４３００７４） 摘要：为了解决全光逻辑门结构所需抽运能量过大的问题，提出了一种基于Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ结构微环谐振腔的 全光控制逻辑门结构。通过在微环波导上加入空气孔加强对光的限制，增强了带边附近的３阶非线性效应，从而减小达到所需相移的抽运能量。将微环谐振腔与Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ结构结合，采用光学Ｋｅｒｒ效应控制不同微环内相移的改变，从而实现不同逻辑门功能。同时进行了理论分析与仿真验证，计算了不同尺寸空气孔对于结构的影响，并对于不同逻辑功能的控制方法，验证了结构的可行性。结果表明，这种逻辑门结构所需抽运能量不超过１０ｄＢｍ，延迟处于皮秒量级，速度快，器件的尺寸处于微米量级，该结构可以同时实现不同的逻辑门状态，对于全光网络的研究有指导意义。 关键词：集成光学；逻辑门；微环谐振腔；Ｋｅｒｒ效应 中图分类号：ＴＮ２５６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０畅７５１０／ｊｇｊｓ畅ｉｓｓｎ畅１００１－３８０６畅２０１４畅０５畅００８ ＳｔｕｄｙｏｎＭａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｔｙｐｅａｌｌｏｐｔｉｃａｌｌｏｇｉｃｇａｔｅ ｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒ ＧＡＯＬｅｉ，ＷＡＮＧＴａｏ （ＷｕｈａｎＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈｐｕｍｐｐｏｗｅｒｏｆｌｏｇｉｃｇａｔｅｓ，ａｎｏｖｅｌＭａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｔｙｐｅａｌｌｏｐｔｉｃａｌ ｌｏｇｉｃｇａｔｅｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｐａｔｔｅｒｎｓｏｆａｉｒｈｏｌｅｓａｄｄｅｄｉｎｔｈｅｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇｗａｖｅｇｕｉｄｅｐｒｏｖｉｄｅｓｔｒｏｎｇｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｏｎｌｉｇｈｔ，ｗｈｉｃｈｅｎｈａｎｃｅｓｔｈｅｔｈｉｒｄｏｒｄｅｒｎｏｎｌｉｎｅａｒＫｅｒｒｅｆｆｅｃｔａｒｏｕｎｄｔｈｅｂａｎｄｅｄｇｅａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｐｕｍｐｐｏｗｅｒｏｆｐｈａｓｅｓｈｉｆｔ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｉｔｈＭａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏｇｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｉｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＫｅｒｒｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｏｆａｉｒｈｏｌｅｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｌｏｇｉｃｇａｔｅｓｗｅｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｗａｓｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｄｅｖｉｃｅｐｏｓｓｅｓｓｅｓｓｅｖｅｒａｌｐｒａｃｔｉｃａｌａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｌｅｓｓｔｈａｎ１０ｄＢｍ，ｄｅｌａｙｏｆｐｓｏｒｄｅｒ，ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｂｉｌｉｔｙａｎｄμｍｏｒｄｅｒｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．Ｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｌｏｇｉｃｇａｔｅｓａｎｄｈａｓｔｈｅｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏａｌｌｏｐｔｉｃａｌｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃｓ；ｌｏｇｉｃｇａｔｅｓ；ｍｉｃｒｏｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒ；Ｋｅｒｒｅｆｆｅｃｔ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３７６０５５）；国 家九七三重点基础研究发展计划资助项目（２０１０ＣＢ９２３２０４） 作者简介：高 磊（１９８８－），男，硕士研究生，现主要从事微环谐振腔的研究。 倡通讯联系人。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｔａｏ＠ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１３－０９－２３；收到修改稿日期：２０１３－１１－０７ 引 言 从光电器件集成化的角度考虑，马赫曾德尔干涉仪（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＭＺＩ）与微环谐振腔结合是一个理想的选择 ［１］ 。微环谐振腔可以使 光脉冲在微环内循环从而产生相移，缩小了产生非 线性光学效应的物理尺寸，同时可以降低实际能耗。 而且Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ结构与微环谐振腔结合已经在 很多方面都有广泛的应用，例如全光格式转换［２］ 、 全光开关［３］、色散补偿［４］ 、延时线等等。 本文中设计的全光逻辑门器件需要光脉冲能够在微环谐振腔内产生相移并且可调。然而对于全光器件显而易见的缺点是：由于３阶非线性光学效应 较弱，达到所需相移的抽运光能量过大［５］ ，实际中无法应用。因此，作者将微环谐振腔与椭圆形空气孔相结合，周期性空气孔结构的带边慢光效应可以 增强非线性效应［６］ 。与此同时，这种结构能够使器件在保持较小尺寸的条件下，降低所需要的抽运能量，而这也正是集成光子器件所需的优点。
本科学生毕业论文 2xxx 年x 月 x 日 论文题目： 单环上下载型微环谐振滤波器传输特性的分析 学 院： 物理科学与技术学院 年 级： XXXX 专 业： 应用物理学 姓 名： XXXX 学 号： XXXXX 指导教师： XXXXXX
摘要 网络时代的迅速发展推动通信技术的飞速进步，密集波分复用（DWDM）技术解决了管线通信主干网络的大容量问题。现代的光通信向着更高容量、更高速发展。集成光学将光通信器件模块化、小型化且大规模集成光路是未来光通信的发展方向之一。近些年来光学微环以大规模集成光路的重要结构成为了人们的关注焦点。它功能多，结构紧凑，有着很大的发展潜力。 研究微环谐振腔最典型的方法是在麦克斯韦电磁方程组基础上发展起来的耦合模理论，这种方法无论是在空间还是在时间上都可以用教学方程来实现。但是在研究多环系统时显得比较繁琐，不利于实际应用。本文中运用了一种简便、直观的图示法——信号流程图法（SFG），对微环谐振腔的传输特性进行分析。 本论文的主要工作时间里在基于传输矩阵法的通用参量模型基础上。首先，以全通形单环谐振腔为例介绍了信号流程图法（SFG）在光信号系统中推导功率传递函数的步骤，并分析了系统的谐振条件。其次，在给出的传递函数和相关特性公式基础上，分析了出/入环光耦合系数与通带带宽和通带消光比间的关系，指出了它们之间、以及与自由谱范围间以及与自由谱范围间存在的相互约束；分析并给出了单环光滤波器的通带带宽比例，带宽比例值不依赖于任何器件结构参数，是限制单环微谐振器作为实用光滤波器的主要因素；分析了存在于微环中光的损耗对单环光滤波器输出的影响，小的光损耗即会导致滤波响应的巨大衰减，大的光损耗则更是会导致带宽的展宽和带宽比例值的增大。最后，利用信号流程图法推导单环上下型谐振滤波器的系统传递函数，对单环上下型微环谐振滤波器的系统传递函数进行了推导，分析单环上下型微环谐振滤波器的传输特性。 关键词 波导光学；信号流程图；微环谐振腔；光滤波器；单环上下型；
光学微环谐振腔的研究与应用张浩 S Y1119222
光学微环谐振腔的研究与应用 摘要：随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。 本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。基于绝缘体上硅波导（Silicon-On-Insulator SOI）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构，这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。 关键词: 微谐振腔, 光波导，SOI，陀螺 RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORING RESONATORS Abstract With the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future
武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名：专业班级：电子1003班 指导教师：娄平工作单位：信息工程学院 题目: 对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析 初始条件： 计算机、beamprop或Fullwave软件 要求完成的主要任务: 以及说明书撰写等具体要求）（包括课程设计工作量及其技术要求，1、课程设计工作量：2周 2、技术要求： （1）学习beamprop软件。 （2）对对称双环微环谐振滤波器进行理论学习和特性分析。 （3）对对称双环微环谐振滤波器的滤波特性进行beamprop软件仿真工作。 3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。 第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。第6-9天对对称双环微环谐振滤波器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。第10天提交课程设计报告，进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书 目录 摘要 ............................................................... I Abstract .......................................................... II 1 绪论 . (1) 2 微环谐振滤波器 (2) 2.1微环谐振腔简介 (2) 2.2微环谐振滤波器的工作原理 (2) 2.3双环谐振腔的滤波特性 (6) 2.3.1单环的传输特性 (6) 2.3.2 双环的传输特性 (7) 3 Beamprop和Fullwave介绍 (8) 4 滤波特性仿真 (9) 4.1 Beamprop参数设置步骤 (9) 4.2 检查指数资料 (11) 4.3 分析建立 (12) 4.4 仿真 (12) 5 心得体会 (15) 参考文献 (16) 武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书 摘要 随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。 本文介绍的是通过Fullwave软件进行谐振滤波器的光谱仿真，Fullwave是一款实用性非常强的光学应用软件，本文包含了Fullwave软件的介绍、谐振滤波器的原理以及其滤波特性仿真。 关键词：谐振滤波器、Fullwave、滤波特性仿真
浅谈光学谐振腔 摘要：光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一,是用来加强输出激光的亮度, 调节和选定激光的波长和方向的装置，从真空紫外到远红外的绝大部分激光系统都使用了光学谐振腔。本文从光的传播矩阵推导了谐振腔的稳定条件和光腔损耗，并解释了横模形成的原因。最后介绍了自由电子激光器谐振腔、微腔和X 射线激光腔。 关键词：激光；谐振腔；自由电子激光腔；微腔 1激光 1.1激光简介 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。激光具有方向性好、单色性好能量集中、相干性好等特点。正因为激光器具备的这些突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破[1]。 1.2激光器的分类 （1）按工作物质分类：根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体和玻璃）；②气体激光器；③液体激光器；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。 （2）按激励方式分类：①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器； ④核泵浦激光器。 （3）按运转方式分类：由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④可调激光器； ⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器[2]。 （4）按输出波段范围分类：根据输出激光波长范围之不同，可将各类激光器区分为以下几种：①远红外激光器；②中红外激光器；③近红外激光器；④可见激光器；⑤近紫外激光器；⑥真空紫外激光器；⑦X射线激光器，目前软X 射线已研制成功，但仍处于探索阶段[1]。 1.3激光器的组成 任何一种激光器,其基本结构都可以分为三部分:(1)工作物质,用来产生受 激发射；(2)激励(泵浦)装置,用来激励工作物质以获得粒子数反转；(3)光学共