微環(huán)諧振器及應(yīng)用的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷地提高工作性能和降低運(yùn)營(yíng)成本，其核心技術(shù)在于光波導(dǎo)器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時(shí)未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)迫切需要能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的新型光波導(dǎo)器件，例如能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器、延遲線、緩存器和各種全光信號(hào)處理的基本單元，通過(guò)大規(guī)模集成該單元在一個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的光子學(xué)“片上系統(tǒng)”。
　　 微環(huán)諧振器（簡(jiǎn)稱微環(huán)）滿足了上述兩個(gè)要求，其微納米量級(jí)的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)包括濾

2、波器、延遲線、緩存器、激光器、路由器、波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、碼型轉(zhuǎn)換、邏輯門和傳感器等功能單元，功能非常強(qiáng)大，因此微環(huán)已成為光纖通信和集成光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本論文以光學(xué)濾波器、延遲線和緩存器為應(yīng)用背景，在微環(huán)器件設(shè)計(jì)、少量微環(huán)、微環(huán)陣列和失諧微環(huán)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域開(kāi)展了理論研究工作，并對(duì)微環(huán)激光器進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。概括全文的研究成果和貢獻(xiàn)，可以總結(jié)為如下幾個(gè)方面：
　　 (1)研究了微環(huán)的理論基礎(chǔ)，包

3、括光波導(dǎo)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(shí)域有限差分（FDTD）數(shù)值計(jì)算方法，并推導(dǎo)了全通型和上下載型微環(huán)的參量模型，最后給出了簡(jiǎn)要分析和表征參量的定義。
　　 (2)對(duì)全通型微環(huán)的脈沖響應(yīng)特性進(jìn)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(jié)合的微環(huán)譜線快速算法，僅僅計(jì)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(jié)合的方式設(shè)計(jì)了工作波段在1.55μm的硅基跑道型微環(huán)，也設(shè)計(jì)了工作波段在850nm的聚合物矩形微環(huán)，該結(jié)構(gòu)含有兩個(gè)多模干涉器（MMI）和四個(gè)空氣槽反射鏡，采用Fimmwave/Fimmprop、OptiFDTD軟件包和參量模型相結(jié)合的方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)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(dǎo)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(jiǎn)

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(duì)譜線和延遲的影響可以等效為環(huán)-波導(dǎo)耦合系數(shù)的增大。推導(dǎo)了串聯(lián)三微環(huán)的解析模型，在非簡(jiǎn)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(guān)，當(dāng)損耗增大時(shí)，這兩個(gè)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(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了解析模型，并給出了該結(jié)構(gòu)四種類型的詳細(xì)理論分析，其中前兩種類型具有耦合諧振器誘導(dǎo)透明（CRIT）的特性，第三種類型在兩個(gè)下載端實(shí)現(xiàn)了均等分束功能，最后一

6、種類型在兩個(gè)下載端分別實(shí)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(gè)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(dǎo)腔長(zhǎng)，同時(shí)能根據(jù)目標(biāo)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(dǎo)腔的前饋?zhàn)饔?，該結(jié)構(gòu)的譜線中出現(xiàn)大量的零點(diǎn)。
　

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(gè)諧振峰，采用FDTD數(shù)值模擬了譜線，驗(yàn)證了解析理論的正確性，并提出了半對(duì)稱模式的概念用來(lái)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(guò)箱狀濾波特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)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(nèi)是可調(diào)整的。
　　 (5)全面研

8、究了基于失諧微環(huán)結(jié)構(gòu)的慢光效應(yīng)。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(duì)慢光的影響，當(dāng)耦合系數(shù)過(guò)小時(shí)，延遲存在非簡(jiǎn)并態(tài)，并研究了非對(duì)稱參量如直波導(dǎo)腔失諧量、非對(duì)稱微環(huán)損耗和非對(duì)稱微環(huán)耦合系數(shù)導(dǎo)致的非對(duì)稱透明特性。接著分析了并聯(lián)失諧多微環(huán)結(jié)構(gòu)中直波導(dǎo)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(dǎo)以實(shí)現(xiàn)多信道慢光，基于切比雪夫第二類多項(xiàng)式給出了解析模型，并對(duì)多信