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环形谐振腔学号:10300720238,姓名:赵婧摘要本报告旨在希望用不太大的篇幅,在详细阐明环形谐振腔基本原理的同时,尽可能结合其不同结构的器件,实际的制作工艺与制备材料,以及目前的一些主要应用,以满足读者对于环形谐振腔的基本了解的需要,同时亦可为欲在此领域更进一步深入研究的高年级本科生及低年级研究生提供一个整体概念,起到抛砖引玉的作用。关键词:输入/输出传输波导;环形波导;环形谐振腔1..基本原理和性能指标集成环形谐振腔作为一种出现在近几年的新器件已经在众多领域有了重要的作用。集成环形谐振腔因其不需要反射面或光栅而实现光反馈的特性被广泛用于与其他器件的单片集成中。1.1.环形谐振腔模型环形谐振腔最早由MarcatiliE.A.J在1969年提出,如图1所示。设环形谐振腔的谐振频率为f2,一列频率为f1、f2、f3…的信号波由输入通道(InputPort)进入,与环形谐振腔发生耦合,只有频率为f2的信号波在环形谐振腔内达到谐振状态,在下载口输出(DropPort),实现对f2信号的下载,其它频率的信号将不受影响而继续下行传输[1]。图1.1环形波导谐振腔示意图环形谐振腔的基本结构包含:输入、输出传输波导;定向耦合器、多模干涉(MultimodeInterference,MMI)耦合器或Y型耦合器;环形波导[1];为了更便于理解,我们采用简化模型—即只有一根输入输出传输波导的模型来对环形谐振腔进行更深入的研究,简化模型示意图如图2:图1.2简化模型示意图Ei1,Ei2,Et1,Et2为通过各端口的光场强度。激光器输出的光波经过前级相关器件后以Ei1输入集成光学环形谐振腔端口,经过耦合器耦合后,一部分光进入谐振腔,用Et2表示光波强度;一部分光直接从另一端口输出,用Et1表示。进入谐振腔的光经过环形谐振腔一圈后,光波Et2变为Ei2,从而形成光的闭合回路。在稳定状态下,光波强度Ei1到Et2,Ei2到Et1的光之间将会达到一个动态均衡的稳定状态[2]。1.2基本原理对于集成光学环形谐振腔的分析方法有时域有限差分(FiniteDifferenceTimeDomain,FDTD)法,时域耦合模理论,有限元法和传输矩阵法(琼斯矩阵分析)等,下面我们基于传输矩阵法来给出理论计算公式(以下参数与图2所标参数一致)[2]。Ei1,Ei2,Et1,Et2四者之间可表示成如下矩阵形式,11**22tititEEEEt(1-1)t、к是耦合系数,由不同耦合机制决定,满足下式(这里考虑的光波强度矩阵是对称的):22||||1t(1-2)为了进一步简化,认为11iE,22.ejitEE(j为耦合所致的相位改变因子),α是环形波导传输损耗;定义传输常数β有如下表达式:2.effeffnkn(1-3)effn为有效折射率;定义光在环形波导中传输一圈后相位角改变量为Ɵ:202..2r..24effeffeffnkcLwLrknrncc(1-4)r为环形谐振腔半径,L为其周长;综上,Ei2,Et1,Et2可表示成如下形式:1*.jtjteEte(1-5)*2*ijEte(1-6)*2*1tjEte(1-7)Et1对应的光强Pt1,Pi2可表示为:2221122||2||cos()||1||2||cos()ttttttPEtt(1-8)22222221||||1||2||cos()iittPEtt(1-9)||exp()tttj|,|t|表示耦合损耗,φt表示在耦合器中相位的改变量;当满足谐振条件()2mt,m为自然数时,Pt1,Pi2表达式如下:22112||||(1||)tttPEt(1-10)2222221||||(1||)iitPEt(1-11)从1-10中可以看出,当||t时,即环形波导传输损耗等于耦合损耗时,Pt1最小值为0,此时没有光强从输入输出波导的输出端口输出,我们把这种情况叫做最佳耦合状态,其本质是因为相消干涉。此时谐振曲线如下(Pt1与入射波长关系图):图1.3集成光学环形谐振腔的谐振曲线对于有两个输入输出波导的环形谐振腔模型,可以采用同样方法得出其谐振曲线表达式。模型示意图如下:图1.4简化模型示意图(两个输入、输出传输波导)相应表达式调整为:2211||||1**2*1121/21211**2**121/21211jtjtjjtetteEtttette(1-12)1/2*121/22**121jtjeEtte(1-13)其中21/2,1/22,此时Pt2可以表达为:222122Re2Re212(1||).(1||).||(1||)tsonancetsonancettPEtt(1-14)满足最佳耦合条件时(α=|𝑡1𝑡2|=1),谐振曲线如下:图1.5集成光学环形谐振腔的谐振曲线1.3性能指标我们用以下指标来判定一个环形谐振腔的基本参数及性能优劣:(1)谐振频率effmcfnL(m为自然数);(2)频谱宽度(FreeSpectralRange,FSR)2effFSRnL;(3)半高全宽(FullWidthatHalfMaximum,FWHM)22effFWHMnL(4)清晰度2FSRFFWHM图1.6性能指标在谐振曲线上的表现形式我们分别以下面两张图来说明耦合损耗和环形波导传输损耗对环形谐振腔性能的影响:图1.7耦合器损耗不同时谐振曲线图图1.8环形波导传输损耗不同时谐振曲线图我们可以看到,耦合损耗越小、环形波导传输损耗越小,谐振腔的清晰度也就越大,性能也就越优越。[1]2.不同结构的环形谐振腔目前集成光学环形谐振腔的分类有以下几种:按照环与输入、输出传输波导间的耦合器可以分为方向型和多模干涉型环形谐振腔;按照输入、输出传输波导与环形波导间的相对位置又可分为侧向结构型(即环形波导与输入、输出传输波导位于同一平面,输入、输出传输波导分布在环形波导两侧)和垂直结构型(即输入、输出传输波导位于环形波导的垂直上方/下方);按照环形波导部分的形状不同可以分为跑道型(如图9)、矩形和圆形等等;按照环形谐振腔的个数还可以分为单环谐振腔,双环谐振腔和多环谐振腔等[3,4]。图2.1跑道型环形谐振腔2.1双环谐振腔图2.2具有“并联”结构的双环谐振腔图2.3具有“串联”结构的双环谐振腔图2.4具有环形内部耦合的双谐振腔双环谐振腔为实现箱状滤波(box-like,即非谷值处平稳,谷值处尖锐)特性提供了可能性,这点在光网络中很重要;而且对于“并联”式的双环结构,因为其输入、输出端口方向一致(inputport和dropport),故对于2×2器件的互相连接也较为便利。对于并联结构的双环谐振腔,每个谐振腔互相耦合,某一光波必须从输入端口经每一个谐振环再到输出端口被下载,所以所有谐振环应该具有相同的谐振频率,输出线性(谐振曲线)由每个谐振环的特性共同决定;对于串联型双环谐振腔,各个谐振环通过输入、输出端间接的连在一起(某些情况下它们内部之间也是耦合的,如图12,可以用作波长选择反射器);光信号同时通入各个环,使得各个环的谐振频率不用精确的统一[2,5]。2.2多环谐振腔图2.5“并联”多环谐振腔示意图图2.6“串联”多环谐振腔示意图图2.7内部耦合多环谐振腔多环谐振腔与其他光电子器件如M-Z干涉仪等并用可以提高性能以及传输特性,在商业上应用广泛[2]。3.制作工艺及选用材料先进的制造技术使得基于不同材料的环形谐振腔拥有更优良的光学特性。在此节中主要介绍较典型的两种制备工艺及用于制造环形波导芯层的材料。3.1主要制作工艺对于环形谐振腔重要组成部分—环形光波导来说,它的制作工艺主要涉及成膜与光路微加工。通常采用火焰沉积法、化学汽相沉积法、等离子增强型化学汽相沉积、离子交换法、溶胶凝胶法、分子束外延生长和原子力加工技术等作为成膜工艺。采用光刻、电子束曝光、全息曝光、同步辐射、光锁定、化学刻蚀、溅射刻蚀(离子铣)、反应离子刻蚀、等离子刻蚀等作为光路微加工技术[6]。之前我们提到过环形谐振腔可以分为垂直型环形谐振腔和侧向型环形谐振腔,垂直型通过外延生长可以精确控制耦合距离,即耦合系数;也可分别用不同材料作为圆环和输入输出端波导材料;但制作工艺较难;侧向型一般用于对于构建大半径圆环谐振腔(大于100μm);且可使用MMI作为谐振腔耦合器。针对这种分类在这里着重介绍两种工艺:晶圆键合—主要用于制造垂直型环形谐振腔,和干法腐蚀—主要用于制造侧向型环形谐振腔[2,7]。晶圆键合指两个相似或者不相似的、拥有不同晶向和晶格常数的半导体晶圆键合在一起形成一个单一衬底的过程。按照有无中间介质层又分为黏接键合法、共晶键合法、苯并环丁烯(benzocyclobutene,BCB)晶圆键合法(有中间介质层)和融合键合法、阳极键合法(无中间介质层)。其中BCB晶圆键合法在环形谐振腔工艺中较为常用,下图是其流程图[2,8]:图3.1BCB晶圆键合流程图左上第一个图中腐蚀停止层(EtchStopLayer)主要为后续去除其下方衬底(Substrate)提供便利;经右上图的制备输入、输出传输波导的步骤后,将此时整个系统“倒扣”在转移衬底(TransferSubstrate)上,然后去除掉原始衬底,此时就形成了一个垂直型环形谐振腔。干法腐蚀,又称等离子体腐蚀,是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法[9]。3.2环形波导芯层主要制作材料主要分为以下三大类[2]:(1)基于Si的材料:①Si-Si𝑂2(SOI)②𝑇𝑎2𝑂5—𝑆𝑖𝑂2③SiN,SiON,𝑆𝑖3𝑁4④Si𝑂2—Ge𝑂2(2)基于Ⅲ—Ⅴ族材料(半导体材料)①GaInAsP②AlGaAs③GaInAsP/InP④AlGaAs/GaAs(3)多聚物对于掺杂SiO2,杂质主要有TiO2、GeO2、P2O5等,通过调节掺杂成分的比例可控制波导的折射率。硅基SiO2波导具有与现有成熟的半导体工艺技术兼容性好,与光纤耦合效率高,成本低廉等优点;对于掺杂半导体材料,可与半导体光放大器相结合构成有源环形谐振腔,补偿波导损耗,减小环半径,使器件做得更小;对于有机聚合物材料,如有机玻璃(PolymethylMethacrylate,PMMA)等,引起波导材料价格低,制作不必经过扩散、蒸发及外延等真空工艺,可利用旋涂或提拉技术成膜,制作工艺及设备简单,可以降低成本[5]。4.应用4.1滤波器“滤波”作用是环形谐振腔的一个重要应用,通常情况下,多个单环滤波器可以构成多通道滤波器、交叉网格环形谐振腔等。下面列举两个较为典型的单环滤波器及其器件参数、性能指标:表4.1单环滤波器示意图及参数单环滤波器示意图图4.1基于SiON的侧向耦合谐振腔图4.2跑道型环形谐振腔器件参数及性能指标d(圆环直径)=50μm,入射λ=1530nm,基于SiON材料,耦合间隙=0.75μm时:FSR=8nm,F=120;耦合间隙=0.5μm时:F=22;基于PMMA材料,耦合间隙=0.75μm时:F=61;耦合间隙=0.5μm时:F=25d=10μm时,FSR=21nm/20nm(分别对应不同极化模式),FWHM=0.25nm/0.22nm;d=5μm时,FSR=38nm,FWHM=0.6nm(1)由单环滤波器可构建8通道滤波器,示意图如下:图4.3八通道滤波器示意图第一个环半径为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,下载口与下载口间的间隔为250μm;该结构能对总线层和环形谐振腔层分别进行优化,使总线层具有低的输入/输出损耗和传输损耗,环形波导层结构更紧凑,并且具有低的弯曲损耗[2,10];(2)2
本文标题:环形谐振腔课程报告
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