集成光學耦合微環(huán)形諧振腔中的物理效應和傳感應用研究.pdf

1、近年來，集成光學環(huán)形諧振腔以其微小的尺寸、優(yōu)越的性能和CMOS工藝兼容性，吸引著大量研究者。利用微環(huán)形諧振腔可以實現(xiàn)芯片上的多種功能器件，如光學激光器、調(diào)制器、濾波器、邏輯門器件以及生物傳感器等。將多個微環(huán)耦合、或者將微環(huán)與其他光學結(jié)構(gòu)耦合可以形成各種耦合環(huán)結(jié)構(gòu)，有望進一步提升器件性能。不僅如此，在合適的參數(shù)條件下，耦合環(huán)結(jié)構(gòu)中還存在著可以類比于量子系統(tǒng)的有趣的物理效應，比如電磁誘導透明（EIT）和法諾（Fano）效應。前人的工作主要著

2、眼于利用耦合環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)某一特定應用，但對于耦合環(huán)的特性理論研究并不夠深入和全面。本文立足于集成耦合微環(huán)形結(jié)構(gòu)的多種結(jié)構(gòu)類型，從基本理論模型入手，旨在探索其中的物理效應，并將其應用于光學功能器件的性能提升，具體工作包括：
　　第一，首次在光學集成耦合環(huán)中理論預測了EIT效應的多種相位區(qū)間，從物理層面解釋了其成因，并展示了其在進一步提升器件光學延時和非線性特性上的巨大優(yōu)勢；EIT效應的多種相位區(qū)間廣泛存在于耦合雙諧振系統(tǒng)中，本文還展示

3、了新的相位區(qū)間對量子相移門的性能提升。
　　第二，首次在微環(huán)－法布里波羅耦合系統(tǒng)中展示了“超精細譜”——嵌套式EIT效應——的產(chǎn)生和原理。這種高品質(zhì)因數(shù)的響應頻譜具有很好的魯棒性，對于光學濾波器、光開關和光學調(diào)制器的構(gòu)建很有意義。
　　第三，首次在嵌套式耦合環(huán)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)類比于量子系統(tǒng)中的反常Fano效應，并以傳感應用為例，在多種參數(shù)條件下對比了其相對于正常Fano效應的性能提升；輔之以低溫度噪聲和低損耗的波導設計，最終構(gòu)建出

4、高靈敏度和超低檢測極限的光學生物化學傳感器。
　　第四，完善了光學集成微諧振系統(tǒng)的傳感器理論，對光強檢測的信號探測方法中的主要噪聲源按照不同機制進行歸類，并分析了各種噪聲機制對于不同微諧振腔結(jié)構(gòu)的信噪比和檢測極限的影響，最終針對噪聲抑制和提升系統(tǒng)檢測極限給出微諧振腔傳感器設計的準則。
　　第五，基于上述集成傳感器理論，以氣體傳感為例，在多組結(jié)構(gòu)參數(shù)下分析和比較了三種不同耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的靈敏度特性，并給出了不同結(jié)構(gòu)形式中傳感器設計