微环的基本理论和模式
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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。
ABSTRACTMini 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.目录引言 (1)第一章微环共振器与OptiFDTD简介 (2)1.1 微环共振器简介 (2)1.2 OptiFDTD简介 (2)1.3 时域有限差分法 (2)第二章光波导的横向耦合分析 (3)2.1 模式耦合 (3)2.2 波导的横向耦合分析 (3)2.3 滤波原理 (4)第三章微环共振器结构与实验分析 (5)3.1 微环共振器的结构 (6)3.2 Ey图分析(DFT) (6)3.3 DFT频域上Ey随波长变化分析 (7)3.4 波导间距对微环共振器滤波性能的影响 (7)3.5 圆环半径对微环共振器滤波性能的影响 (9)结论 (11)参考文献 (12)引言自从1969年Marcatili提出光学微环共振器的结构和概念以来, 由于它具有诸多方面的优点如:微环Q值很高, 损耗小, 尺寸小, 利于集成等而倍受关注。
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。
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大多数微交互都应该没有模式。
模式最主要的目的是执行一种不常见的动作。
常见的模式就是“设置”,用户可以在其中指定一些有关微交互的选项。
模式往往容易导致用户产生错误,所以不要轻易使用。
如果必须设计一种模式,应给他设计一个屏幕,过渡到新模式的效果。
模式大体上可以分为两种:
弹簧模式——只在用户按下键或按住鼠标不放的情况下才会激活,用户一停止上述动作,模式就会消失。
一次性模式——在用户发起模式时,模式持续时间与动作执行的时间相同或相等,动作结束,模式就结束。
循环:不断重复的一段时间,通常用于设定持续时间
循环的核心是计时,即确定微交互的速度和持续时间
循环分类:
1.计数循环:重复既定次数的循环
2.条件循环:在满足条件的情况下反复执行的循环
3.集合循环:会遍历集合中的每个值
4.无穷循环:除非出错或者被人强制停止,否则永远不会结束。
开放循环:执行完就结束,不响应反馈。
封闭循环:有内置反馈机制,可以自己调整。
长循环:持续时间与微交互所在设备一样长,甚至更长的循环,可以在长周期内渐近揭示新功能或减少。
编排微交互
1.明白微交互与功能的关系
2.确定微交互的存续时间,考虑微交互是否应该成为“标志性时刻”
要知道哪些微交互应该突出表现,而不是对所有的微交互都一视同仁,有些要重要体现,有些就该作为陪衬,反馈也要通盘考虑,以便重点突出。
串联双微环谐振器原理串联双微环谐振器原理谐振器是现代电路中不可或缺的部分,它广泛应用于通信、雷达、微波和射频等领域。
谐振器可以实现信号的选择性传输和增强,从而在电子工程中起到至关重要的作用。
其中,双微环谐振器是一种高效的微波谐振器,它通过其高品质因数和小体积受到广泛的关注。
本文将详细介绍串联双微环谐振器的原理及其应用。
一、单微环谐振器原理在介绍双微环谐振器之前,我们先来了解一下单微环谐振器的原理。
单微环谐振器是一种微波谐振器,由微环、线路传输线、馈线和负载组成。
当微环内部存在一定的能量时,由于微环的高Q值(即品质因数),能量可以在微环内部长时间储存而不损失。
当外界频率与微环的谐振频率相同时,能量会不断在微环内部循环,使得电路中的电流和电压不断增强,形成谐振。
该谐振器具有高品质因数、小尺寸、低损耗等优点,在通信、雷达和微波等领域有着广泛的应用。
二、双微环谐振器原理双微环谐振器是一种由两个微环相互作用而形成的谐振器,它通过串联两个微环实现微波传输。
双微环谐振器的原理与单微环谐振器相似,都依赖于微环的谐振来实现能量转移。
不同的是,双微环谐振器中的两个微环相互作用,能够精确控制能量的传输和着陆,从而使其具有更高的品质因数和更小的体积。
双微环谐振器的工作原理是:在传输线上加入一个微环,通过馈线将输入信号输入到其中一个微环,当微波信号从第一个微环传输到第二个微环时,由于两个微环的电容和电感产生了一定的交互作用,从而形成了新的谐振模式。
这种模式可以通过改变微环的半径、线宽、间距等参数来调节,从而实现对电路的优化。
三、双微环谐振器的应用双微环谐振器在各种无线通信器件中具有广泛应用,例如在低噪声放大器、混频器、带通滤波器和频率合成器等中均可见其身影。
这种谐振器也被广泛应用于基于射频MEMS技术的各种应用中,如集成电路、驻波变压器、功率放大器等。
相比传统的谐振器,双微环谐振器具有体积小、品质因数高和损耗低等优点,因此被广泛应用于各种高端通信和雷达系统。
光学微环研究方法我折腾了好久光学微环研究,总算找到点门道。
我一开始真的就是瞎摸索。
最开始的时候,想研究光学微环的性质,我就直接拿现成的微环器件做一些简单的光照测试。
就像看一个黑盒子,只知道外面有光进来,也不管别的就先看看有啥反应。
这肯定是特别初级和粗糙的办法,基本没得到啥有用的结论,这算是我失败的一个开头吧。
后来我就想,得深入到微环内部的原理才行啊。
那我就从一些基础理论开始学习,像光学的一些基本定律,反射、折射这些在微环里是怎么体现的。
这好比是要先认得地图,才能去探索未知的宝藏一样。
我花了好多时间在那看那些枯燥的理论书,虽然看懂了一些,但是在实际联系中又迷糊了。
比如说微环里的光的循环传播,理论上觉得懂了,一到分析具体现象就蒙圈。
再之后,我就开始尝试做一些模拟实验。
我用的那个模拟软件说实话不太好操作。
我当时设定参数就跟没头苍蝇似的,根本不知道哪些参数重要哪些不重要。
结果模拟出来的东西完全不是那么回事,光的传播路径乱七八糟。
我这才意识到,要是不先搞清楚每个参数代表什么,就乱设一通,肯定不行。
不过我没有放弃。
我又重新开始研究那些参数,一点点做笔记,然后找出与光学微环实际相关的那些重要参数。
经过好多次尝试,我终于能做出看起来比较靠谱的模拟了。
但是这个模拟结果和实际测量又有差距。
然后为了得到实际测量的数据,我又开始捣鼓那些实验仪器。
微环的尺寸特别小,对测量仪器的精度要求那是相当高。
我最开始不会调仪器,有时候稍微有点震动或者环境光线变化,测量出来的数据就偏差很大。
我就一点点来,把仪器放在一个干扰小的环境里,还自己做了点简易的遮光措施。
我还试着不同时间测量,因为有时候温度等环境因素也会影响结果。
经过不断调整仪器和测量的多次尝试,才慢慢得到比较准确的数据。
说到这,还有一个新方法。
我发现和同行交流特别有用。
有一回跟一个同行聊天,他提到了一种新的校准仪器的方法,是我之前完全没想到的。
我就赶紧回来试一试,结果发现真的能让数据更精准。
新型微环谐振器及其传感特性研究新型微环谐振器及其传感特性研究近年来,微纳技术的快速发展带来了许多新型器件和材料的涌现,其中微环谐振器作为一种高灵敏度、高选择性的传感器,在光电子学、生物医学和环境监测等领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍一种新型微环谐振器的结构设计和传感特性研究。
首先,我们简要介绍一下微环谐振器的基本原理。
微环谐振器是一种由环形光波导构成的谐振腔结构,通过调节环形光波导的尺寸和折射率来实现不同波长的谐振模式。
当外界环境发生变化时,微环谐振器的谐振波长会发生改变,从而可以通过检测谐振波长的变化来实现对环境参数的敏感检测。
在传感方面,新型微环谐振器具有几个特点。
首先,采用高折射率材料制作的微环谐振器具有更高的光波导参量,可以实现更小的尺寸和更大的灵敏度。
其次,由于谐振模式是通过环形光波导的尺寸和折射率来调节的,因此可以实现多种不同波长的传感模式,并且可以通过控制传感模式的距离来实现多参数传感。
此外,由于微环谐振器的谐振波长与外界环境的折射率有关,可以通过改变环境折射率来实现对不同物质的检测。
为了研究新型微环谐振器的传感特性,我们设计并制备了一种基于硅光子学的微环谐振器。
该微环谐振器的尺寸为50μm × 50μm,采用硅基材料,工作波长为1550nm。
通过光刻和热氧化等工艺步骤,成功制备了微环谐振器的样品。
接下来,我们对微环谐振器的传感特性进行测试。
首先,通过将样品置于不同折射率溶液中,我们测量了谐振波长随溶液折射率的变化。
实验结果表明,谐振波长随溶液折射率呈现线性关系,且灵敏度约为100 nm/RIU (Refractive Index Unit)。
这表明新型微环谐振器具有较高的灵敏度和选择性。
接着,我们进行了多参数传感实验。
通过引入两个微环谐振器,分别浸泡在不同折射率溶液中,我们测量了两个谐振波长随溶液折射率的变化。
实验结果表明,两个微环谐振器的谐振波长变化具有较好的线性关系,可以实现多参数传感。
摘要摘要光学频率梳技术的出现,为实现光学频率的精准测量提供了可靠的解决方案。
近年来,一种基于微谐振腔的克尔光频梳,以其卓越的光频梳性能和简单的实验配置成为研究的热点。
自从在微环芯谐振腔中观察到克尔光频梳后,相关实验成果不断得到报道,相应的理论研究也逐渐得以完善。
但是,目前克尔光频梳的产生方案仍存在很多不足,从而限制了进一步对克尔光频梳的应用研究。
本文对基于微环谐振腔的克尔光频梳的产生原理与机制,性质以及相关应用展开了深入的理论研究,主要工作和创新如下:1.在微腔内由克尔非线性效应引起光学参量振荡的基础上,深入分析克尔光频梳在频域上的演变过程。
通过微环内光场传输方程建立描述微环内克尔光频梳产生过程的LLE模型,包括微环损耗、色散和非线性效应等。
利用MATLAB实现对克尔光频梳产生过程的数值模拟,根据其演变过程将其分为四个阶段,分析不同阶段中光频梳的表现形式和产生机制,并与近期报道的相关实验结果对比。
2.目前实现相位锁定光梳主要通过扫描泵浦光频率在微腔内构造耗散腔孤子。
在MATLAB中通过扫描泵浦失谐值,实现对耗散腔孤子产生过程的数值模拟。
根据仿真结果,将微环内耗散腔孤子的演变过程划分为四个阶段,分析不同阶段下相应光频梳的噪声特性和相干特性,揭示耗散腔孤子以及相应相位锁定光梳产生的根本机制。
此外,在对耗散腔孤子产生机制的深刻理解上,进一步通过降低泵浦光功率以减少微腔内的耗散腔孤子数量,从而改善克尔光频梳的平坦度。
3.由于克尔光频梳具有频谱覆盖范围广、重复频率高等优点,本文提出了一种基于克尔光频梳的新型光子信道化接收方案。
首先,在OptiSystem中建立基于克尔光频梳的信道化接收系统,通过实现对宽带RF信号的频率检测验证了该信道化接收方案的可行性;其次,通过实现对加载在宽带RF信号上的模拟基带信号的接收,进一步验证了本文提出的基于克尔光频梳的光子信道化接收系统具有良好的接收性能。
关键词:克尔光频梳,克尔非线性效应,LLE模型,耗散腔孤子,信道化ABSTRACTThe advent of optical frequency comb technology provides a reliable solution for accurate measurement of optical frequency and time. In recent years, Kerr frequency comb with excellent optical comb performance and simple experimental configuration based on micro-resonators has aroused general interests. Since the Kerr optical frequency combs have been observed in the micro-resonator, the theoretical basis has been improved a lot and the experiment has made great progress. However, there are still many shortcomings in the current Kerr optical frequency combs generation, which severe limits its further application. We are about carrying out the key theoretical research on the principle and mechanism of Kerr combs generation, and the characteristic and related applications of Kerr combs based on the micro-ring resonator. The main work and innovation are as follows:1.Based on the research of optical parametric oscillation caused by Kerr nonlinear effect in the micro-resonator, we analyze the evolution of Kerr optical comb in frequency domain. The LLE model based on the optical pulses transmission equation in the micro-resonator including the loss, dispersion and nonlinear effects, describe the evolution of Kerr frequency combs. The simulation of Kerr frequency combs is realized by MATLAB. It is divided into four stages according to the simulation results, and the manifestations and mechanisms of Kerr combs at different stages are analyzed and compared with the recent experimental results.2.By changing the detuning value of the pump C.W., the simulation of the dissipative cavity soliton’s evolution in the micro-ring resonator is realized. According to the simulation results, the evolution process of the micro-ring dissipative cavity soliton is divided into four stages, too. The noise characteristics and coherence characteristics of the corresponding optical combs at different stages are analyzed, and the fundamental mechanism of the dissipative cavity soliton and the corresponding phase-locked optical frequency combs are revealed. In addition, the flatness of the Kerr combs is improved by properly tuning the pumped optical power.3.In this paper, we propose a new photonic channelization receiver scheme based on Kerr's optical comb, which has the advantage of a wide spectrum coverage and high repetition frequency. Firstly, the channelization receiver system based on Kerr opticalfrequency comb is established in OptiSystem. The feasibility of the channelized reception scheme is verified by realizing the frequency detection of the specific broadband RF signal. Then, the good receiving performance has been proved by the result of detecting the microwave signal loaded on the broadband RF signal, which validates the photonic channelization receiver system based on Kerr combs further.Keywords:Kerr frequency combs, Kerr nonlinearity, LLE model, Dissipative cavity soliton, Channelization目录第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2光频梳的研究背景 (1)1.3 克尔光频梳的研究现状 (4)1.4 本论文的主要内容和结构 (7)第二章微环谐振腔中产生克尔光频梳的理论基础 (9)2.1 微谐振腔中的非线性光学效应原理 (9)2.1.1 克尔非线性效应 (10)2.1.2 微谐振腔的热动态 (12)2.1.3 微谐振腔中的参量振荡与调制不稳定性 (13)2.2 克尔光频梳的形成过程分析 (15)2.3 微谐振腔中克尔光频梳的模型建立 (17)2.4 本章小结 (19)第三章克尔光频梳的仿真实现及其性质研究 (20)3.1 微环谐振腔中克尔光频梳的仿真实现 (20)3.1.1 LLE模型的仿真实现 (20)3.1.2 不同泵浦光条件下克尔光频梳的性质研究 (24)3.2 耗散腔孤子的形成及其性质研究 (27)3.2.1 耗散腔孤子形成过程的仿真实现 (27)3.2.2 耗散腔孤子的性质研究 (30)3.3 关于克尔光频梳平坦度的关键理论研究 (33)3.4 本章小结 (39)第四章克尔光频梳在光子信道化接收机中的应用研究 (40)4.1 基于光频梳的光子信道化接收方案 (40)4.2 基于克尔光频梳的新型光子信道化接收方案 (41)4.3本章小结 (51)第五章总结与展望 (52)5.1本文总结 (52)5.2工作展望 (52)致谢 (54)参考文献 (55)第一章 绪论第一章 绪论1.1引言随着信息化时代的快速发展,现代电磁环境环境变得越来越复杂,其所含信号种类繁多,带宽覆盖范围日益增大,并且同一时间段内存在多个信号[1]。
目录第一章引言 ....................................................................................... 错误!未定义书签。
1.1 概述 (2)1.2 微型环状共振器的进展及其应用 (2)1.3 微型环状共振器的工作原理 (3)1.4 OptiFDTD软件介绍 (4)第二章使用OptiFDTD设计微型环状共振器 (4)2.1 设计微型环状共振器的Layout图 (4)2.1.1 初始化属性参数 (4)2.1.2 设计微型环状共振器的Layout图 (4)2.1.3 设置激励的输入光平面:Input Plane (5)2.1.4 添加观察点(Observation Point) (6)2.2 运行该微型环状共振器 (7)2.3 微型环状共振器的数据结果分析 (7)2.3.1 观察分析Ey(DFT)图 (7)2.3.3 对设定的观察点的数据进行采集和分析 (7)2.4增加一个内环对微型环状共振器的影响 (8)2.4.1 不改变两光波导间距再增加一个内环共振器 (8)2.4.2 两种模型对比并初步得出结论 (9)2.4.3增加半径差而不改变两波导间距 (9)2.4.4 三种模型对比分析验证猜想 (11)结束语 ................................................................................................. 错误!未定义书签。
参考文献 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
第一章引言1.1 概述20世纪60年代初期,红宝石激光器、氦氖激光器的出现揭开了光通信发展的序幕。
其后,随着激光技术的不断发展,光学同其它学科领域不断渗透和融合,形成了许多新的分支学科或边缘学科。
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。
微环谐振器的耦合和特性的分析与研究微环谐振器的耦合和特性分析与研究引言随着微纳加工技术的快速发展,微纳光学器件正逐渐成为现代光学与电子学领域的研究热点之一。
其中,微环谐振器作为一种重要的微纳光学器件,因其特殊的结构和良好的谐振特性,被广泛应用于微光学传感器、光信号处理以及光通信等领域。
本文将对微环谐振器的耦合和特性进行深入分析和研究。
一、微环谐振器的基本原理微环谐振器是通过在一个环形波导中构成高品质因子(Q)的谐振模式而产生强烈的光场共振效应。
其基本结构由环形波导和耦合区组成。
当入射的光场与环形波导的谐振模式相匹配时,会在谐振频率处形成窄带宽的共振增益效应。
二、微环谐振器的耦合机制微环谐振器中的耦合机制通常分为直接耦合和间接耦合两种。
其中,直接耦合指的是将光信号通过光纤等外界通道直接注入微环谐振器中。
而间接耦合常见的方式有布拉格光栅耦合、反射镜耦合和侧边耦合等。
这些耦合方式可以通过调整系统参数,如波导与微环之间的间距、耦合强度等,来实现与微环谐振器的光场交互。
三、微环谐振器的特性3.1 谐振特性微环谐振器的谐振特性是指其共振峰的频率、带宽和品质因子等性能指标。
通过调整微环的直径、耦合系数和环材料的折射率等参数,可以调节其谐振特性,使其在特定的光波波长范围内产生共振效应。
3.2 良好的光场限制效应微环谐振器由于其尺寸微小,对光场有强烈的限制效应。
当光场与微环谐振器的尺寸相匹配时,光场会在环中形成强烈的驻留效应,使得光子能够停留在微环中进行反复的传输和损耗。
这种限制效应可以用来增强微环谐振器的传感灵敏度和光学信号增益。
3.3 温度敏感性微环谐振器对温度的敏感性非常高。
由于微环谐振器的结构对温度变化非常敏感,微小的温度变化会导致微环材料的热膨胀或折射率的变化,从而改变谐振频率。
这使得微环谐振器可以被广泛应用于温度传感器和热光调制器等领域。
四、微环谐振器的应用领域4.1 光传感器由于微环谐振器对环境参数的敏感性,例如温度、压力、湿度等,其可以被广泛应用于光传感器领域。
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。
1.2 微环谐振腔的研究
1.2.1 微环谐振腔的概述
早在上世纪70年代Marcatili 就提出了微环谐振腔这样一种结构【3】。
但由于那个时代工艺及技术方面的限制使得这方面的研究并没有取得太大的成果。
随着后来理论工具的发展(如时域有限差分法(FDTD)等方法)使得微环谐振腔结构得以发展和研究。
微环谐振结构因其尺寸小,有较高的Q值,且便于
大规模集成,FSR(自由谱宽)较大,因此具有非常广泛地应用领域,如滤波,光开关,激光器,光耦合器,调制器,色散补偿器,生物传感等。
1.2.2 构成微环谐振器的光波导材料选择以及分析
微环谐振器的构成主要是光波导,选用的材料多样,包括绝缘硅层
(SOI),Ⅲ - Ⅴ族半导体材料,高分子化合物,硅基SiO2,等等,这其中最常用的就是SOI 结构的光波导,如图所示:
图 1.1 SOI 结构光波导
在顶层硅和底部之间加入了一层埋氧化层SiO2 。
其材质在红外波段下吸收系数非常低。
鉴于纳米量级的工艺,在1550nm光波长情况下,Si 的折射率是3.45 而SiO2的折射率是1.45 ,二者之间的差值△ n为2,对光场具有强烈的限制作用,减少芯片面积的同时降低了传输损耗,对于大规模集成的光子回路具有很高的发展前景。
令N1 和N2 为波导的芯层折射率和包层折射率,则波导折射率差
Δ=(N12-N22)/2N12
=(3.45 2-1.45 2)/2 ×3.45 2
≈41.2%
远远大于传统的波导,所反映出对光场强烈的限制作用,限制了整个系统,使其表现出比传统波导更好的性质,性能更加稳定,损耗更低。
1.2.3 微环谐振器的工作原理
最基本的微环谐振腔结构如下图所示:
图 1.2 单直波导微环结构
输入电场Ex ,输出电场Ey,耦合微环电场Ez,a 与d 分别是输入端和输出端,b为直波导耦合进入微环中的能量,c 为微环耦合至直波导中的能量。
入射光从直波导a 端口输入进去,在传输过程中,部分光则会耦合至微环
中,令λ为谐振模式波长,L 为微环谐振腔周长,n eff 为微环中传输光的有效折射率,R为微环半径,m 为纵模阶数(取整数) ,当传输光满足:m 2 n eff R (1.1)
时,光才可以在微环中发生谐振并且由于正反馈的作用而不断加强。
如果不满足这个条件,在微环内的光则会不断消弱,而另一部分没有耦合至微环中的光会从右端d 口处输出,因为可以用作选频器件。
令T 为输入场在微环中传输一周的时间,d 为微环中电场的耗损,k 为直波导与微环之间的耦合系数,r 是直波导和微环间的传输系数,而且有k2 +r 2=1,环形波导中电场满足:
Ez(t) jkEx(t) rde j Ez(t T) (1.2)
而输出端的电场满足【4】:
Ey(t) rEx(t) jkde j Ez(t T)
φ为光在环形波导中传输一周的相位变化,则有:
2 nL (n 1,2,
3 )
则解有:
Ey r-de j
Ex 1- rde j
δ为环形波导中的稳定传输方程。
若输入光满足条件( 1.1 ),则有:
Ez(t) jkEx (t ) rde j Ez(t)
微环内的场与输入电场比为:
Ez - jk
Ex 1- rde 但也存在另一种情况,即:临界耦合。
(1.3) (1.4)
(1.5) (1.6) (1.7)
图 1.3 单直波导临界耦合相位变化
我们设输入光从直波导耦合至微环中,满足谐振条件(1.1) ,则并无其他杂光,令
其相位为ω,由波导耦合理论5得出输入光从直波导耦合至环形谐振腔中,相位变化了π/2,此时耦合至微环中的光相位为ω+π/2,因微环中只有满足(1.1) 式的光,因此传输
一圈相位变化了2kπ,然后再从微环耦合至直波导后相位变为
ω+2kπ+π/2+ πω/2+=2kπ+π
则相位差为2kπ+π,如果环形输出口的光和直波导输入光振幅相同,二者会发生
干涉相消,故输出端口的光强为零。
如图所示其临界状态下的输出谱线图:
图 1.4 直波导输出端临界耦合的输出光谱
明显可以看出,相位差为π的奇数倍时,输出强度为0.
1.2.4 微环谐振腔基本参数
(1) 场增强因子
微环谐振腔内电场与输入电场比值的幅值,令其为 F ,正如上式所得到的
Ez/Ex ,在 φ为零的情况下,
场增强因子越高,环内的光强比输入的光强越高。
(2) 自由频谱空间 ( FSR , Free Spectral Range ) 定义为两个相邻的谐振波峰之间的距离,
令这两列谐振波波长分别为 λn 和
λn+1, FSR n n 1 n n eff ,q L eff ,q 与波长,微环周长,有效折射率有关。
(3) 微环带宽( FWHM ) 谐振峰两侧的输出强度为峰值一半的时候两列波的波长之差,又称
之为 3dB 带宽。
(4) 品质因子 Q
定义 Q 为在一谐振波下,该谐振波的波长与其 3dB 带宽的比值
(1.10)
3dB
品质因数越高,灵敏度越高(灵敏度在第三章探讨)
1.2.5 其他结构形式
除了单直波导微环结构以外,还有应用较广泛的双直波导微环谐振腔,如 图所示: Ex - jk 1- rde j k 1-rd (1.8)
(1.9)
图 1.5 双直波导单环结构以及改进后的U 型输出口
从输入1 口处输入光信号,少部分光信号直接从输出1 口处输出,大部分经过耦合进入微环结构中并且满足:mλ=2πn eff·R 条件的光发生谐振得到加强并且从输出2 口输出,这种做法的好处在于若输入1 口处输入的光信号含有干扰信号,采用单直波导微环结构则从b 端输出的有效信号其干扰较多,如果采用图2 的结构,大部分干扰信号则会在微环内由于不满足谐振条件而逐渐减弱,使得在输出2 口处,检测到的信号中干扰很少,但是由于双直波导微环谐振结构是在微米量级下的工艺,因此难免会产生输入与输出同方向发生耦合而产生影响,因此可以将输出2 口接一个弯型波导避免这种影响,但是会由于模式失配的原因造成一部分能量的损失。
如果根据环形波导和直波导耦合方式还可分为垂直耦合结构和侧向耦合结构,如下图所示【6】:
图 1.6 垂直耦合与侧向耦合
不在同一平面的波导由于工艺复杂故常采用侧向结构
接下来还有双直波导双微环谐振结构,如下图
图 1.7 双直波导双环的立体结构
还有同心微环结构(后篇详细介绍其原理和用途),多级串联微环结构,多级并联微环结构等,本文不再详细展开。
1.3 本章小结
本章作为前言,一开始介绍了通信方面的问题,从最早的通信方式到现代的光纤通信技术。
接下来介绍了微环谐振腔的发展历史及其大致的应用领域,然后介绍了构成微环谐振腔的几种材料并详细展开分析SOI 材料的好处,又接着着重分析了微环谐振腔的工作原理,主要介绍了基本的单直波导微环结构多的原理及场能的分布并做了简要的分析,包括几种常用的参数,最后介绍了其他结构的微环,如双直波导双微环结构,但并未做详细分析。
此小章的分析在于微环的基本理论和模式,为下文的同心结构以及在生物传感方面的应用做铺垫。