文章编号:100526122(2011)0120071203 微波波段金属开口谐振环对的共振模劈裂现象研究3 刘 敏 陈 平 (南京大学电子科学与工程学院,南京210093) 摘 要: 通过理论分析、电磁仿真和实验测量,研究了U形金属开口谐振环对(Sp lit R ing Res onat or Pair,SR2 RP)在微波波段的电磁响应。利用等效电路方法研究SRR及SRRP的电磁响应特性,解释了SRRP构成的周期阵列中由于电磁耦合作用引起的共振模劈裂现象。并通过电磁全波仿真与实验测量,进一步研究了构成SRRP的两谐振环的夹角变化引起的传输特性的变化,传输曲线上的共振模劈裂程度随着两谐振环夹角在0°～180°范围内的变化呈现先减小后增大的变化趋势。 关键词: 开口谐振环对,等效电路,共振模,电磁耦合 Study on Resonance M odes Separati on of M et alli c Split Ri n g Resonator Pa i r atM i crowave Frequenc i es L IU M i n,CHEN P i n g (School of Electronic Science and Technology,N anjing U niversity,N anjing210093,China) Abstract: The p r opagati on of m icr owaves thr ough a pair of’U’2shaped s p lit2ring res onat ors(SRRP)is theoretically and experi m entally studied.W e study the electr omagnetic res ponse of S RR and S RRP by utilizing equivalent circuit equa2 ti ons.The dependence of the p r opagati on p r operties of a unit cell containing t w o identical s p lit2ring res onat ors on t w ist angles is investigated by experi m ents and electr omagnetic si m ulati on.By increasing the t w ist angle<,the t w o res onance branches first tend t o converge,then the t w o branches shift a way fr om one another. Key words: s p lit ring res onat or pair,equivalent circuit,res onance mode,electr omagnetic coup ling 引 言 新型人工电磁材料(meta material)由于其新异的物理特性和巨大的应用前景,引起了国内外学者的广泛关注和深入研究[1]。由Pendry提出的开口谐振环(Sp lit R ing Res onat or,SRR)是最典型、最受关注的新型人工电磁材料基本单元结构[124]。此前新型人工电磁材料有关SRR的研究主要集中于研究SRR本身的电磁谐振特性及其周期阵列的平均电磁响应特性,如等效电磁参数等[3,4]。最近,研究者开始关注SRR构成的周期阵列中由于基本结构单元之间耦合作用引起的一些新异电磁特性。例如,国内外一些研究小组研究了由两个SRR沿电磁波入射方向前后放置构成的开口谐振环对(SRR Pair,SRRP)的周期阵列在光波段的传输特性。结果表明,在SRRP单元中两个SRR之间电磁耦合作用会显著地影响和调控人工电磁材料的宏观电磁响应,并会发生共振模的劈裂[5],改变入射电磁波的极化状态[6],实现对新型人工电磁材料等效介电常数和磁导率的调控[7]等具有重要应用前景的电磁现象。 本文通过理论分析、电磁仿真和实验测量,研究了U形金属SRRP在微波波段的电磁响应。首先利用等效电路方法研究了SRR及SRRP的电磁响应特性,解释了SRRP周期阵列共振频率的劈裂现象。接着通过电磁全波仿真与实验测量,进一步研究了构成SRRP的两谐振环夹角变化引起的传输特性变化,分析了其变化趋势,实验测量与理论分析的结果相一致。 第27卷第1期2011年2月 微 波 学 报 JOURNAL OF M I CROWAVES Vol.27No.1 Feb.2011 3收稿日期:2010206215;修回日期:2010212202 基金项目:国家自然科学基金(60771013,61001017);教育部博士点基金(20070284032)
环形振荡器 设计要求： 设计一环形振荡器，频率在120KHz 左右，尽量降低振荡频率和电源电压的相关性。 设计： 环形振荡器是有奇数个反相器构成的环形回路。电路如下图所示： 本设计中，由于振荡频率要求在120KHz 的低频，根据提供的工艺，寄生电容和电阻都很小，要实现如此之低的振荡频率需要非常多的反相器串联，电路冗长庞大。所以采用需要外加阻容元件降低工作频率。电路如下图所示。 反相器内部电路： 本设计要求尽量降低振荡频率和电源电压的相关性。造成这个相关性的原因主要来自电路的寄生电阻电容： 1． 对管的输出电阻Rn 或Rp 。 2 ()2n n THN VDD R KP W VDD V L =-可见VDD 越大，此电阻越小，振荡频率越高。 2． 寄生电容Cgd ，Cgs 。这两个参数对电源的相关性较小，但是也受一定的影响。 可见， 要有效降低振荡频率和电源电压的相关性，可采用外部的远大于寄生参数的元件来吸收寄生参数以达到目的。经分析，电路受电源影响较大的是对管的输出电阻Rn 或Rp, 它们的阻值大约为几千欧，这里，把外部的电阻取在400K 可以有效地降低相关性。根据振荡频率120KHz ，计算出τ=0.00833ms ，每一级的平均时延为/3τ=0.00278ms ，需要的电容
大小为3C R τ ==6.94pF 。这里设计的反相器输出端本身就有800fF 的电容，再考虑到寄生 电阻，电容，这里将外接电容的值取为5.5pF 。 Spice 网表文件： * Waveform probing commands .probe .options probefilename="ring_my1.dat" + probesdbfile="E:\Program Files\Tanner EDA\S-Edit\tutorial\schematic\ring_my1.sdb" + probetopmodule="ring_my1" .lib "E:\Gspice\HSPICE2002\H06MIXDDCT10V02.LIB" tt .lib "E:\Gspice\HSPICE2002\H06MIXDDCT10V02.LIB" resistor .lib "E:\Gspice\HSPICE2002\H06MIXDDCT10V02.LIB" bjt .SUBCKT inv in out Gnd Vdd c2 out Gnd 800ff m1p out in Vdd Vdd pmos L=5u W=12u mn1 out in Gnd Gnd nmos L=5u W=8u .ENDS * Main circuit: ring_my1 C1 N3 Gnd 5.5pF C2 N2 Gnd 5.5pF C3 a7 Gnd 5.5pF Xinv7 a7 OUT Gnd Vdd inv Xinv_1 N3 N5 Gnd Vdd inv Xinv_2 N2 N1 Gnd Vdd inv .print tran OUT R4 N2 OUT 400K TC=0.0, 0.0 R5 N1 N3 400K TC=0.0, 0.0 R6 N5 a7 400K TC=0.0, 0.0 .tran 50n 14000000n start=800000n VCC Vdd GND PWL (0 5 8000000n 4.5 9000000n 4 10000000n 3.5 11000000n 3 12000000n 2.5 13000000n 2) * End of main circuit: ring_my1 这里用的仿真软件是Tanner 系列的T-Spice 。 仿真：
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
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920391329.3 (22)申请日 2019.03.26 (73)专利权人 重庆安全技术职业学院 地址 404020 重庆市万州区百安坝安庆路 583号（重庆安全技术职业学院） (72)发明人 张中华 夏铭 熊荆 毛小平 (51)Int.Cl. H01P 1/203(2006.01) (54)实用新型名称 一种互补开口谐振环和U槽缺陷地的低通滤 波器 (57)摘要 本实用新型公开了一种互补开口谐振环和U 槽缺陷地的低通滤波器。其关键在于：所述的低 通滤波器包含介质基板，介质基板底层金属地刻 蚀补开口谐振环和两个U槽结构， 顶层由“I ”型微带线、传输微带线和两个开路支线构成，两端为 微带馈电线。本用新型利用“I ”型微带线与互补 开口谐振环的传输特性及耦合形成通带，采用开 路支线耦合产生传输零点，增强带外抑制特性， 提高滤波器的选择性。权利要求书1页 说明书2页 附图2页CN 209747694 U 2019.12.06 C N 209747694 U
权 利 要 求 书1/1页CN 209747694 U 1.一种互补开口谐振环和U槽缺陷地的低通滤波器，其特性在于：所述的低通滤波器包含顶层、介质基板层和底层金属地三层结构。 所述的顶层设有“I”型微带线（2），左传输微带线（5），右传输微带线（6），左开路支线（7），右开路支线（8），微带馈电线位于结构两端。 所述的底层金属地刻蚀互补开口谐振环（1），刻蚀U槽（3），刻蚀倒U槽（4）。U槽（3）和倒U 槽（4）是轴对称结构，互补开口谐振环（1）位于U槽（3）和倒U槽（4）构成的结构内。 2.根据权利要求1所述的一种互补开口谐振环和U槽缺陷地的低通滤波器，其特征在于：互补开口谐振环（1），U槽（3），倒U槽（4），“I”型微带线（2）组成滤波器的主体结构，互补开口谐振环（1）和“I”型微带线（2）的中心线在一条直线上。 3.根据权利要求1或2所述的一种互补开口谐振环和U槽缺陷地的低通滤波器，其特征在于：互补开口谐振环（1），U槽（3），倒U槽（4），“I”型微带线（2）结构尺寸及耦合控制通带带宽及传输零点。 4.根据权利要求1所述的一种互补开口谐振环和U槽缺陷地的低通滤波器，其特征在于：左传输微带线（5）和右传输微带线（6）相连于“I”型微带线（2），左开路支线（7）与左传输微带线（5）相连，右开路支线（8）于右传输微带线（6）相连。左开路支线（7）和右开路支线（8）相互耦合，产生传输零点，提高滤波器的选择性。 5.根据权利要求1所述的一种互补开口谐振环和U槽缺陷地的低通滤波器，其特征在于：所述的低通滤波器中介质基板层材料采用Rogers 4003，其介电常数3.55。 2
第35卷第2期 2015年2月Vol.35,No.2February,2015光学学报ACTA OPTICA SINICA 开口谐振环阵列在太赫兹波段的谐振特性实验研究 丁元朱俊伟郭宇晗袁哲徐诗尧杨燚张豹山唐东明 南京大学电子科学与工程学院，江苏南京210093 摘要实验制备了单元尺寸在微米量级的开口谐振环周期阵列样品，测试了其在0.1~2THz 频段的散射系数，验证 了不同极化方向的垂直入射可产生单独的电谐振或同时产生磁谐振的传输特性，验证了材料电导率对样品的谐振 频率的影响。结合仿真计算结果，得到了等效的负介电常数和负磁导率随频率的变化关系，及其电、磁谐振频率与 谐振环单元尺寸增大倍数k 的关系曲线。实验和仿真均表明，样品的电谐振频率与1/k 线性相关，而磁谐振频率与 1/k 成正比关系。关键词材料；左手材料；开口谐振环；太赫兹；电谐振；磁谐振 中图分类号O436文献标识码A doi :10.3788/AOS201535.0216002 Experimental Study of Resonance Characteristics of Split Ring Resonators in Terahertz Band Ding Yuan Zhu Junwei Guo Yuhan Yuan Zhe Xu Shiyao Yang Yi Zhang Baoshan Tang Dongming School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing,Jiangsu 210093,China Abstract The scattering parameters of the micrometer sized split ring resonators (SRR)samples are measured in the frequency range of 0.1to 2THz.The incident wave with different polarization directions producs a single electric resonance or both electric and magnetic resonances simultaneously in the normal incidence case.The effect of the material conductivity on the resonant frequency of SRRs is discussed.Based on the simulation results,the relationship between the effective permeability and permittivity and the frequencies are shown,and the curve of resonance frequencies with respect to the different size enlargement factors (k )of the SRR unit is plotted.Both the experimental and the simulation results indicate that the electric and magnetic resonance frequencies linearly depend on 1/k . Key words materials;metamaterial;split ring resonators;terahertz wave;electric resonance;magnetic resonance OCIS codes 160.3918;300.6495;350.3618;260.2110;260.5740 收稿日期:2014-08-26;收到修改稿日期:2014-10-09 基金项目:国家自然科学基金（11104134，11004095，61271077） 作者简介:丁 元(1993—)，男，硕士研究生，主要从事高频材料和器件应用方面的研究。E-mail:dhhsues@https://www.doczj.com/doc/fc7573402.html, 导师简介:唐东明(1979—)，男，博士，副教授，主要从事高频材料和器件应用方面的研究。E-mail:dmtang@https://www.doczj.com/doc/fc7573402.html, (通信联系人) 1引言 左手材料（LHMs ）是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工周期结构材料，由于其一系列的反常电磁行为[1]， 如负折射效应、逆多普勒效应，反常Cerenkov 辐射以及完美透镜效应等，引起国内外学者的高度关注。英国科学家Pendry 等[2]于1996年发现周期性排列的导电金属线， 其等效介电常数在微波段为负值。1999年，Pendry 等[3]又发现周期性排列的金属谐振环在微波段的等效磁导率也为负值。根据这些理论，Shelby 等[4]在2001年用金属线和开口谐振环(SRRs)阵列组合成功制备了世界上第一块人造左手材料。 太赫兹波段的左手材料具有广泛的应用前景[5-6]， 例如可用于生物指纹识别，微型分光仪，磁谐振成像设
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
物理学前沿试题 答卷注意事项： 1、学生必须用蓝色（或黑色）钢笔、圆珠笔或签字笔直接在答题纸上答题。 2、答卷前请将密封线内的项目填写清楚。 3、字迹要清楚、工整，不宜过大，以防试卷不够使用。 4、本卷共4大题，总分为100分。 一、理论物理部分( 共5题，每题5分，共25分) 1.混沌现象的主要特征是什么？ 答：沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，它的特征包括：（一）内在随机性；（二）分形性质；（三）标度不变性；（四）敏感依赖性。 2.分形结构的特点是什么？请举例说明。 答：分形理论显示系统中每一元素都反映和含有整个系统的性质和信息，从而可以通过认识部分来影响整体。分形，是以非整数维形式充填空间的形态特征。分形可以说是来自于一种思维上的理论存在。基本简介分形是以非整数维形式充填空间的形态特征。分形可以说是来自于一种思维上的理论存在。 例如：我们可以看到西兰花一小簇是整个花簇的一个分支而在不同尺度下 它们具有自相似的外形。换句话说较小的分支通过放大适当的比例后可以得到
一个与整体几乎完全一致的花簇。因此我们可以说西兰花簇是一个分形的实例。 3.分析小世界网络、无标度网络和随机网络三者之间的相同点和不同点。 答：小世界网络是一种数学之图的类型，在这种图中大部分的结点不与彼此邻接，但大部分结点可以从任一其他点经少数几步就可到达。若将一个小世界网络中的点代表一个 人，而连结线代表人与人认识，则这小世界网络可以反映陌生人由彼此共同认识的人而连结的小世界现象。 无标度网络具有严重的异质性，其各节点之间的连接状况（度数）具有严重的不均匀分布性：网络中少数称之为Hub点的节点拥有极其多的连接，而大多数节点只有很少量的连接。少数Hub点对无标度网络的运行起着主导的作用。从广义上说，无标度网络的无标度性是描述大量复杂系统整体上严重不均匀分布的一种内在性质。 随机网络是无尺度网络的概念是随着对复杂网络的研究而出现的。“网络”其实就是数学中图论研究的图，由一群顶点以及它们之间所连的边构成。在网络理论中则换一套说法，用“节点”代替“顶点”，用“连结”代替“边”。复杂网络的概念，是用来描述由大量节点以及这些节点之间错综复杂的联系所构成的网络。这样的网络会出现在简单网络中没有的特殊拓扑特性。 4.从自组织临界态的角度来看，地震的物理原理是什么？ 答：自组织临界态是指由大量相互作用成分组成的系统会自然地向自组织临界态发展；当系统达到自组织临界态时，即使小的干扰事件也可引起系统发生一系列灾变。而地震可能是自然界中自组织临态最干净而最直接的例子了，大多数时间里，地壳是静止的，处于郁滞时期，这种显而易见的平静有时候被很强烈的间歇爆发活动所打断，于是产生少数非常大的地震，但更多的是小地震。地震量级的分布是一个幂率分布，不过后来提
基于微环谐振器光力的研究 1 绪论 1.1光力的产生 早在1871年，James就已经预测了光可以产生力[1]。随着现代实验技术的发展，现在我们已经认识到光可以产生两种力：散射力和梯度力[2]。散射力我们可以将它形象的认为是一束光子打在物体上，光子携带的动量会转移给物体，从而在物体表面作用一个力，这个力的方向与光路的方向平行，大小与光的频率和能量密度有关，我们把这种力称之为散射力。光散射力在微腔、微环、干涉仪等方面的应用已经被广泛研究。光梯度力，与动态变化的电磁场有关系，我们可以将其认为是场与场之间的力[3]。放在不断变化电磁场中的物体会被极化，形成一个偶极子，处在电场中的偶极子会受到电场力的作用，大小与电场的强度有关，方向指向场强更大的方向。光梯度力相较于光散射力有着更大的数值，且更容易控制方向，因此在实际中有着更加广泛的应用。众所周知的“光镊”的原理就是依据光梯度力，操作毫米纳米级层次的物体[4][5]。 1.2光波导的原理 要想控制光沿着固定的方向和路径传播，就需要用合适的媒介来传播光。用来运输光的媒介我们称之为光波导。光波导是由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。只有特定角度、频率和模式的光才能在光波导中传输。为适应不同的用途，光波导有着各种各样的形状。当光在波导中传播时，电磁场并非全部局限在波导结构中，在波导周围有限区域内会有一个快速消散到空气中的消散场，我们把这个消散的场域称之为消散波。消散波是一个近场耦合，是许多应用的原理基础。 最近几年，由于对性能更好价格更低廉的新型光纤通信器件迫切需求以及波导制作技术和平面工艺水平的不断提高，微环谐振器在理论和实验方面得到了快速的发展，并成为构建和实现集成光子学功能器件的重要的基础光波导单元[6].环状波导的谐振效应使其具有独特的波长选择、高品质因子等特性。目前，微环谐振器结构在研究中已被大量地应用于制作激光调频器、光波导分插复用器、生物化学传感器、调制器、光开关等。
环谐振器基于电光聚合物行波调制器 Hidehisa Tazawa, Member, IEEE, Member, OSA, Ying-Hao Kuo, Ilya Dunayevskiy, Jingdong Luo, Alex K.-Y. Jen,Harold R. Fetterman, Fellow, IEEE, Fellow, OSA, and William H. Steier, Life Fellow, IEEE, Fellow, OSA 作者指出一个环谐振器的行波调制器具有电光聚合物AJL8/APC的带通调制特性特征。行波电极能够使一个7GHz的3dB带宽不受光谱范围控制的谐振器实现大约28GHz的高效调制。通过定义一个等效的半波电压环 调制器来评估调制灵敏度。结果表明，调制器在微波和毫米波光子学应用的潜力。 指数方面，模拟光链路，电光（EO）调制，电光聚合物，微波光子学，环谐振器，波导调制器。 一引言 为了满足在光传输系统中容量增加的需求，不仅要大力研究和发展一直执行的数字光纤链路，还有模拟光纤链路。在数字系统或基带操作中有必要为一个调制器在高速通信方面提供很宽的带宽。另一方面，在模拟系统或带通操作中，需要调制器具有载波频率波段内灵敏度高的特性。近来，带通操作【1】【2】引起了对谐振调制的极大兴趣。谐振电极或光学共振以降低操作带宽周围共振频率为代价降低驱动力来增强调制灵敏度。调制环和磁盘微共振是以光学谐振腔【2】-【6】为基础的。光学共振高Q值引起调制效率的提高，但是rf带宽被谐振腔的线宽【7】所限制。在这种基带带宽下或者射频频率等于一个自由光谱范围（RSF）谐振器带宽下的调制器是可操作的。电光聚合物和半导体环谐振器已经证明了【3】-【5】基带运算。基于毫米大小的铌酸锂磁盘谐振器的调制器已经证明【2】【6】微波和毫米波的高效率调制。此外，基于环谐振器的调制可以提供一个高三阶自由互调动态范围，这是在模拟光链路上【8】另一个优越性。 在本文中，我们已经证明了电光聚合物环形调制的带通操作。调制器的功能如下：1）在FSC下适度Q光学谐振和调制能够使一个7GHz波段实现大约28GHz的高效调制。2）调制器是一个波导器件，然而以前的基于铌酸锂磁盘谐振器的调制器则采用棱镜耦合来输入输出光。3）【9】分析中放弃电容采用移动电极显示FSR频率的高效调制。 二基于环谐振器调制器的灵敏度 为了评估实验数据，我们首先通过比较传统电光调制器半波电压Vttof来定义基于环谐振器调制器的灵敏度。环调制器原理图如图1所示。调制器由一个总线波导耦合电光材料的环谐振器组成。幅度的输出Eout由【10】τ给出，τ是环和波导之间恒定的振幅传输，ａ 是往返损耗因子，θ为往返的相位移动。（1） 一环谐振器（2）。当α=τ，共振时传输为零（θ =0）。这种情况被称为临界耦合，环的损失和耦合损失相等。对于α<τ，谐振器被认定为低于耦合，α>τ，谐振器被认定为超过耦合。透射光相位由参数（1）给出：Θ（θ）=arg （H（θ））。（3）图2显示了环谐振器在超过耦合（α=0.8，τ=0.7）和低于耦合（α=0.8，τ=0.9）下的传输和相位。在这两种情况下，共振和相位传输下降经历了快速变化随着共振相位移动往返。
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。
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
环形振荡器的工作原理 环形振荡器是利用门电路的固有传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而成，该电路没有稳态。因为在静态（假定没有振荡时）下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，只能处于高、低电平之间，处于放大状态。 假定由于某种原因v11产生了微小的正跳变，经G1的传输延迟时间tpd后，v12产生了一个幅度更大的负跳变，在经过G2的传输延迟时间tpd后，使v13产生更大的正跳变，经G3的传输延迟时间tpd后，在vo产生一个更大的负跳变并反馈到G1输入端。可见，在经过3tpd后，v11又自动跳变为低电平，再经过3tpd之后，v11又将跳变为高电平。如此周而复始，便产生自激振荡。如图2所示，可见振荡周期为T=6tpd 环形振荡器的改进原因 环形振荡器的突出优点是电路极为简单，但由于门电路的传输延迟时间极短，TTL门电路只有几十纳秒，CMOS电路也不过一二百纳秒，难以获得较低的振荡频率，而且频率不易调节，为克服这个缺点，有几种改进电路，下面给出对照图。如图3和图4所示。 环形振荡器的改进原理 接入RC 电路以后，不仅增大了门G2的传输延迟时间tpd2有助于获得较低的振荡频率。而且通过改变R 和C 的数值可以很方便地实现对频率的调节。 环形振荡器的实用电路 如图4,为了进一步加大RC和G2的传输延迟时间，在实用电路中将电容C 的接地端改接G1的输出端。如图10.3.5所示。例如当v12处发生负跳变时，经过电容C使v13首先跳变到一个负电平，然后再从这个负
电平开始对电容C充电，这就加长了v13从开始充电到上升为VTH的时间，等于加大了v12到v13的传输延迟时间。 通常RC电路产生的延迟时间远远大于门电路本身的传输延迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑RC 电路的作用而将门电路固有的传输延迟时间忽略不计。 另外，为防止v13发生负跳变时流过反相器G3输入端钳位二极管的电流过大，还在G3输入端串接了保护电阻RS。电路中各点的电压波形如图5所示。 图5中画出了电容C充、放电的等效电路。利用式： T≈2.2RC