微環(huán)諧振器及應用的理論與實驗研究.pdf

1、隨著光纖通信技術的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡需要不斷地提高工作性能和降低運營成本，其核心技術在于光波導器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時未來全光網(wǎng)絡迫切需要能夠實現(xiàn)多種功能的新型光波導器件，例如能同時實現(xiàn)光學濾波器、延遲線、緩存器和各種全光信號處理的基本單元，通過大規(guī)模集成該單元在一個襯底上實現(xiàn)功能強大的光子學“片上系統(tǒng)”。
　　 微環(huán)諧振器（簡稱微環(huán)）滿足了上述兩個要求，其微納米量級的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成，同時能實現(xiàn)包括濾

2、波器、延遲線、緩存器、激光器、路由器、波長復用/解復用器、光開關、調制器、波長轉換器、碼型轉換、邏輯門和傳感器等功能單元，功能非常強大，因此微環(huán)已成為光纖通信和集成光學領域的研究熱點之一。本論文以光學濾波器、延遲線和緩存器為應用背景，在微環(huán)器件設計、少量微環(huán)、微環(huán)陣列和失諧微環(huán)結構等領域開展了理論研究工作，并對微環(huán)激光器進行了初步的實驗研究。概括全文的研究成果和貢獻，可以總結為如下幾個方面：
　　 (1)研究了微環(huán)的理論基礎，包

3、括光波導的模式理論和耦合模理論，以及本論文用到的全矢量模式匹配法和時域有限差分（FDTD）數(shù)值計算方法，并推導了全通型和上下載型微環(huán)的參量模型，最后給出了簡要分析和表征參量的定義。
　　 (2)對全通型微環(huán)的脈沖響應特性進行了解析法和分段模型法的比較研究，兩種方法在脈沖寬度逐漸增大的情況下逐漸與理論延遲相符合。提出了一種參量模型和數(shù)值FDTD法相結合的微環(huán)譜線快速算法，僅僅計算光波在微環(huán)中傳輸3/4 圈即可得到微環(huán)的譜線。采用全

4、矢量模式匹配法和耦合模理論相結合的方式設計了工作波段在1.55μm的硅基跑道型微環(huán)，也設計了工作波段在850nm的聚合物矩形微環(huán)，該結構含有兩個多模干涉器（MMI）和四個空氣槽反射鏡，采用Fimmwave/Fimmprop、OptiFDTD軟件包和參量模型相結合的方法進行了數(shù)值模擬，實現(xiàn)了下載端20dB的消光比。
　　 (3)解析研究了三種少量微環(huán)的特性。推導了串聯(lián)雙微環(huán)的譜線和延遲的解析模型，首次發(fā)現(xiàn)在串聯(lián)微環(huán)譜線和延遲都不簡

5、并的情況下，譜線和延遲的峰值頻率不重合的特性，且損耗對譜線和延遲的影響可以等效為環(huán)-波導耦合系數(shù)的增大。推導了串聯(lián)三微環(huán)的解析模型，在非簡并態(tài)下次諧振峰頻率和紋波凹陷頻率與相等耦合系數(shù)近似線性相關，當損耗增大時，這兩個特征頻率逐漸靠近并重合。首次提出了基于3×3耦合器的雙微環(huán)結構，推導了解析模型，并給出了該結構四種類型的詳細理論分析，其中前兩種類型具有耦合諧振器誘導透明（CRIT）的特性，第三種類型在兩個下載端實現(xiàn)了均等分束功能，最后一

6、種類型在兩個下載端分別實現(xiàn)了一階和二階濾波器。
　　 (4)系統(tǒng)研究了微環(huán)陣列的模型、傳輸特性和兩個特例。建立了微環(huán)陣列的六單元與模擬退火優(yōu)化算法模型，該模型能分析任意耦合系數(shù)、微環(huán)尺寸和直波導腔長，同時能根據(jù)目標譜線合理優(yōu)化耦合系數(shù)矩陣。研究了奇數(shù)行微環(huán)陣列的譜線在橫向和縱向耦合系數(shù)漸變以及行數(shù)和列數(shù)增大情況下特性的改善，首次系統(tǒng)地研究了偶數(shù)行微環(huán)陣列的傳輸特性，由于直波導腔的前饋作用，該結構的譜線中出現(xiàn)大量的零點。
　

7、　 提出了2×2 微環(huán)陣列，其譜線隨著耦合系數(shù)呈現(xiàn)了豐富的演化特性，譜線涵括了單、雙、三和四個諧振峰，采用FDTD數(shù)值模擬了譜線，驗證了解析理論的正確性，并提出了半對稱模式的概念用來解釋單諧振峰特性。最后解析研究了3×2 微環(huán)陣列的譜線，通過箱狀濾波特性的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了旁瓣抑制比大于10dB、通帶紋波抑制比小于0.1dB和通帶帶邊陡峭系數(shù)小于1dB的箱狀濾波器，且該濾波器的半高全寬在一定范圍內是可調整的。
　　 (5)全面研

8、究了基于失諧微環(huán)結構的慢光效應。首先分析了并聯(lián)失諧雙微環(huán)的微環(huán)失諧量、耦合系數(shù)和損耗對慢光的影響，當耦合系數(shù)過小時，延遲存在非簡并態(tài)，并研究了非對稱參量如直波導腔失諧量、非對稱微環(huán)損耗和非對稱微環(huán)耦合系數(shù)導致的非對稱透明特性。接著分析了并聯(lián)失諧多微環(huán)結構中直波導腔相位作用的重要性、多信道峰值不一致和多信道峰值頻率漂移的現(xiàn)象。最后提出了一種新穎的并聯(lián)失諧雙微環(huán)耦合諧振光波導以實現(xiàn)多信道慢光，基于切比雪夫第二類多項式給出了解析模型，并對多信