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环形谐振腔(Ring Resonators).ppt

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环形谐振腔 (Ring Resonators),,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 𝐸 3 经过环形波导回路后再到定向耦合器的一端 𝑃 2 变成 𝐸 2 :L:环形波导的总长; 𝛼 𝑙 :波导单位长度传输损耗; β: 光在波导中的传输常数,𝐸 3 =𝑗 1− 𝛼 𝑐 1 2 𝑘 1 2 𝐸 1 (1),𝐸 4 = 1− 𝛼 𝑐 1 2 1−𝑘 1 2 𝐸 1 (2),𝑘:,𝛼 𝑐 :附加损耗;,𝐸 2 = 1− 𝛼 𝑙 𝐿 1 2 𝑒 𝑗𝛽𝐿 𝐸 3 (3),光场 𝐸 2 在经过耦合器时同样分解为 𝐸 3 和 𝐸 4 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 𝐸 4 :可得环形谐振腔的谐振曲线:,𝐸 3 = 1− 𝛼 𝑐 1 2 1−𝑘 1 2 𝐸 2 (4),𝐸 4 =𝑗 1− 𝛼 𝑐 1 2 𝑘 1 2 𝐸 2 (5),𝐸 4 = 1− 𝛼 𝑐 1 2 ⋅ 1−𝑘)−2 (1−𝑘)(1− 𝛼 𝑐 )(1− 𝛼 𝑙 𝐿) 1 2 cos𝛽𝐿+(1− 𝛼 𝑐 )(1− 𝛼 𝑙 𝐿 1−2 (1−𝑘)(1− 𝛼 𝑐 )(1− 𝛼 𝑙 𝐿) 1 2 cos𝛽𝐿+(1−𝑘)(1− 𝛼 𝑐 )(1− 𝛼 𝑙 𝐿 1 2 𝐸 1 (6),𝑅= 𝐸 4 𝐸 1 2 = 1− 𝛼 𝑐 ⋅ 1−𝑘)−2 1−𝑘 1− 𝛼 𝑐 1− 𝛼 𝑙 𝐿 1 2 cos𝛽𝐿+(1− 𝛼 𝑐 )(1− 𝛼 𝑙 𝐿 1−2 1−𝑘 1− 𝛼 𝑐 1− 𝛼 𝑙 𝐿 1 2 cos𝛽𝐿+(1−𝑘)(1− 𝛼 𝑐 )(1− 𝛼 𝑙 𝐿 =(1− 𝛼 𝑐 )⋅ 𝑇 2 −2𝑇𝑉cos𝛽𝐿+ 𝑉 2 1−2𝑇𝑉cos𝛽𝐿+ 𝑇 2 𝑉 2 (7)𝑇= 1−𝑘 1 2 ,𝑉= 1− 𝛼 𝑐 1 2 1− 𝛼 𝑙 𝐿 1 2,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 𝐸 i1 =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 = 𝑡1 𝑡2 =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= 𝑚𝑐 𝑛𝐿,𝜌= 𝑅 max − 𝑅 min 𝑅 max =1− 𝑇−𝑉 2 𝑇+𝑉 2 ⋅ 1+𝑇𝑉 2 1−𝑇𝑉 2,𝐹𝑆𝑅= 𝑐 𝑛𝐿,𝐹𝑊𝐻𝑀= 𝑐 𝜋𝑛𝐿 arccos 2𝑇𝑉 1+ 𝑇 2 𝑉 2,𝐹= 𝐹𝑆𝑅 𝐹𝑊𝐻𝑀 = 𝜋 arccos 2𝑇𝑉 1+ 𝑇 2 𝑉 2,谐振腔基本结构参数对谐振特性的影响:,参考文献1. D.G.Rabus, Integrated Ring Resonators, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007, P.6-15 2. 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(interring coupling),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(interring coupling)
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