环形谐振腔

环形谐振腔（RingResonators)目录一.基本原理和性能指标二.不同结构的环形谐振腔三.制作工艺及选用材料四.器件及应用一.基本原理和性能指标环形波导谐振腔最早由Marcatili在1969年提出：图1.环形波导谐振腔示意图基本结构包含：输入、输出波导；定向耦合器、多模干涉（MMI）耦合器或Y型耦合器；环形波导图2.简化模型示意图基于F-P干涉仪的多光束干涉叠加法：耦合器耦合系数；进入谐振腔的光场𝐸3经过环形波导回路后再到定向耦合器的一端𝑃2变成𝐸2：L：环形波导的总长;𝛼𝑙:波导单位长度传输损耗;β:光在波导中的传输常数𝐸3=𝑗1−𝛼𝑐12𝑘12𝐸1（1）𝐸4=1−𝛼𝑐121−𝑘12𝐸1（2）𝑘:𝛼𝑐:附加损耗；𝐸2=1−𝛼𝑙𝐿12𝑒𝑗𝛽𝐿𝐸3（3）光场𝐸2在经过耦合器时同样分解为𝐸3和𝐸4两部分：所有循环输出得到的光场叠加起来就是集成光学环形谐振腔的输出光场𝐸4:可得环形谐振腔的谐振曲线：𝐸3=1−𝛼𝑐121−𝑘12𝐸2（4）𝐸4=𝑗1−𝛼𝑐12𝑘12𝐸2（5）𝐸4=1−𝛼𝑐12⋅1−𝑘)−2(1−𝑘)(1−𝛼𝑐)(1−𝛼𝑙𝐿)12cos𝛽𝐿+(1−𝛼𝑐)(1−𝛼𝑙𝐿1−2(1−𝑘)(1−𝛼𝑐)(1−𝛼𝑙𝐿)12cos𝛽𝐿+(1−𝑘)(1−𝛼𝑐)(1−𝛼𝑙𝐿12𝐸1（6）𝑅=𝐸4𝐸12=1−𝛼𝑐⋅1−𝑘)−21−𝑘1−𝛼𝑐1−𝛼𝑙𝐿12cos𝛽𝐿+(1−𝛼𝑐)(1−𝛼𝑙𝐿1−21−𝑘1−𝛼𝑐1−𝛼𝑙𝐿12cos𝛽𝐿+(1−𝑘)(1−𝛼𝑐)(1−𝛼𝑙𝐿)=(1−𝛼𝑐)⋅𝑇2−2𝑇𝑉cos𝛽𝐿+𝑉21−2𝑇𝑉cos𝛽𝐿+𝑇2𝑉2（7）𝑇=1−𝑘12，𝑉=1−𝛼𝑐121−𝛼𝑙𝐿12传输矩阵法：图3.简化模型示意图（一个输入、输出波导）为简化模型，拟定𝐸i1=1，（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14），𝑡表示耦合损耗；φt表示在耦合器中相位的改变量谐振中（m代表整数），（15）（16）（17）（18）图4.集成光学环形谐振腔的谐振曲线满足最佳耦合条件时（α=𝑡），图5.简化模型示意图（两个输入、输出波导）相应参数调整为：其中，，（19）（20）（21）满足最佳耦合条件时（α=𝑡1𝑡2=1），图6.集成光学环形谐振腔的谐振曲线性能指标：（1）谐振频率（m为自然数）；（2）谐振深度（3）自由频谱宽度（4）半高全宽（5）清晰度𝑓=𝑚𝑐𝑛𝐿𝜌=𝑅max−𝑅min𝑅max=1−𝑇−𝑉2𝑇+𝑉2⋅1+𝑇𝑉21−𝑇𝑉2𝐹𝑆𝑅=𝑐𝑛𝐿𝐹𝑊𝐻𝑀=𝑐𝜋𝑛𝐿arccos2𝑇𝑉1+𝑇2𝑉2𝐹=𝐹𝑆𝑅𝐹𝑊𝐻𝑀=𝜋arccos2𝑇𝑉1+𝑇2𝑉2谐振腔基本结构参数对谐振特性的影响：图7.耦合系数不同时的谐振腔谐振曲线图8.耦合器附加损耗不同时的谐振腔谐振曲线图9.光波导传输损耗不同时的谐振腔谐振曲线参考文献1.D.G.Rabus,IntegratedRingResonators,Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2007,P.6-152.王世军,《集成光学环形谐振腔的研究》,浙江大学硕士学位论文，2008二.不同结构的环形谐振腔图10.具有跑道形谐振腔的环形谐振器1.双谐振腔：2.图11.具有“并联”结构的双谐振腔3.图12.具有“串联”结构的双谐振腔图13.具有环形内部耦合的双谐振腔（interringcoupling）4.多耦合谐振腔：5.图14.“并联”多谐振腔示意图6.图15.内部耦合多谐振腔（interringcoupling）7.图16.“串联”多谐振腔示意图参考文献1.D.G.Rabus,IntegratedRingResonators,Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2007,P.21-442.房丹,《光纤环形谐振器的技术研究》，长春理工大学硕士学位论文，20093.汤全安，马新宇,《微型光波导陀螺中无源环形谐振器研究》，光学技术，第5期，19974.韩秀友,庞拂飞,蔡海文,《环形波导谐振腔集成光学器件》,激光与光电子学进展,41（8）,2004三.制作工艺及选用材料两种工艺的简介1.晶圆键合（垂直）黏接键合法有中间介质层共晶键合法晶圆键合融合键合法无中间介质层阳极键合法benzocyclobutene（BCB）晶圆键合BCB晶圆键合法：图17.BCB晶圆键合流程图2.干法腐蚀（侧向）又称为等离子体腐蚀，有以下几类等：RIEICP-RIERIBECAIBE构建环形谐振腔的材料1.基于Si的材料：（1）Si-Si𝑂2(SOI)图18.典型的SOI波导结构图19.基于SOI的滤波器（半径3μm,波导材料0.5μm宽，0.2μm厚）（2）𝑇𝑎2𝑂5—𝑆𝑖𝑂2图20.垂直耦合的𝑇𝑎2𝑂5—𝑆𝑖𝑂2层结构图图21.基于𝑇𝑎2𝑂5—𝑆𝑖𝑂2的八通道环形滤波器参数图（3）SiN,SiON,𝑆𝑖3𝑁4图22.侧向环形谐振腔截面图图23.垂直方向环形谐振腔截面图（4）Si𝑂2—Ge𝑂22.基于Ⅲ—Ⅴ族材料（1）GaInAsP（2）AlGaAs（3）GaInAsP/InP图24.侧向耦合环形波导层示意图图25.垂直耦合环形波导层示意图（BCB）（4）AlGaAs/GaAs3.多聚物图26.制作多聚物PMMA波导的工艺（左：光刻；右：直接平印—directlithographic）参考文献1.D.G.Rabus,IntegratedRingResonators,Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2007,P.45-1152.马慧莲,金仲和,丁纯,《二氧化硅光波导环形谐振腔》,中国激光,32（10）,20053.王善军,《光纤环形腔特性研究》,长春理工大学硕士论文，20084.韩秀友,庞拂飞,蔡海文,《环形波导谐振腔集成光学器件》,激光与光电子学进展,41（8）,2004四.器件及应用1.滤波器（1）单环滤波器最早基于PMMA（r=4.5cm;波导宽度10μm；F=16）—周长太大；基于Ⅲ—Ⅴ族材料（r≪100μm，基于AlGaAs/GaAs的圆盘和环形谐振腔，直径均10.5μm）表1.基于AlGaAs/GaAs的单环滤波器性能指标表圆盘形圆环形FSR21.6nm20.6nmFWHM0.18nm0.43nmF12048图27.圆盘和圆环单环滤波器的SEM图图28.基于SiON的侧向耦合谐振腔图29.跑道型环形谐振腔图30.（a）基于InP的最小环形谐振腔沟槽滤波器示意图（b）谐振曲线图（虚线为理论值）（a）（b）由以上单环滤波器，可构建8通道滤波器，示意图如下：第一个环半径为10.35μm，其后的单环半径依次递减50nm；不同半径的单环对应不同的波长输出图31.八通道滤波器示意图降低串扰干扰和光谱净化：图32.2×2交叉网格环形谐振腔示意图图33.8×8交叉网格环形谐振腔示意图（2）双环滤波器（3）多环滤波器（a）（b）图34.（a）双环谐振腔（b）级联的双环谐振腔构成的四通道上传/下载滤波器结构2.光学陀螺原理：赛格-纳克效应图35.环形光路Sagnac效应𝛥𝑓=4𝑆𝜆𝐿𝛺表2.Northrop公司微型光学陀螺性能指标3.光延时线图36.环形谐振腔构成的光延时线结构示意图4.生物传感器图37.生物传感器示意图图38.圆盘波导的光场分布参考文献1.D.G.Rabus,IntegratedRingResonators,Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2007,P.130-2202.韩秀友,庞拂飞,蔡海文,《环形波导谐振腔集成光学器件》,激光与光电子学进展,41（8）,20043.郭丽君,石邦任，赵猛,《集成光学陀螺环形谐振腔的优化设计与制备》,光电工程，36（8），20094.郭丽君，石邦任，厉宝增,《微型光学陀螺用光波导环形谐振腔的优化设计与制备》,兵工学报，31（11），20105.张红星，潘炜，刘新开,《光子晶体环形谐振器特性研究》,光通信研究，第167期，20116.姜立国，《环形谐振腔半导体激光器》，长春理工大学硕士论文，20057.邹长铃，董春华，崔金明,《回音壁模式光学微腔：基础与应用》,中国科学：物理学力学天文学，12（11），2012欢迎提问！