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微环谐振器及应用的理论与实验研究

作　者: 张小贝
导　师: 黄德修；张新亮
学　校: 华中科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光波导器件微环谐振器滤波器延迟线缓存器
分类号: TN252
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 5次
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内容摘要

随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件，例如能同时实现光学滤波器、延迟线、缓存器和各种全光信号处理的基本单元，通过大规模集成该单元在一个衬底上实现功能强大的光子学“片上系统”。微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成，同时能实现包括滤波器、延迟线、缓存器、激光器、路由器、波长复用／解复用器、光开关、调制器、波长转换器、码型转换、逻辑门和传感器等功能单元，功能非常强大，因此微环已成为光纤通信和集成光学领域的研究热点之一。本论文以光学滤波器、延迟线和缓存器为应用背景，在微环器件设计、少量微环、微环阵列和失谐微环结构等领域开展了理论研究工作，并对微环激光器进行了初步的实验研究。概括全文的研究成果和贡献，可以总结为如下几个方面：(1)研究了微环的理论基础，包括光波导的模式理论和耦合模理论，以及本论文用到的全矢量模式匹配法和时域有限差分(FDTD)数值计算方法，并推导了全通型和上下载型微环的参量模型，最后给出了简要分析和表征参量的定义。(2)对全通型微环的脉冲响应特性进行了解析法和分段模型法的比较研究，两种方法在脉冲宽度逐渐增大的情况下逐渐与理论延迟相符合。提出了一种参量模型和数值FDTD法相结合的微环谱线快速算法，仅仅计算光波在微环中传输3／4圈即可得到微环的谱线。采用全矢量模式匹配法和耦合模理论相结合的方式设计了工作波段在1．55μm的硅基跑道型微环，也设计了工作波段在850nm的聚合物矩形微环，该结构含有两个多模干涉器(MMI)和四个空气槽反射镜，采用Fimmwave／Fimmprop、OptiFDTD软件包和参量模型相结合的方法进行了数值模拟，实现了下载端20dB的消光比。(3)解析研究了三种少量微环的特性。推导了串联双微环的谱线和延迟的解析模型，首次发现在串联微环谱线和延迟都不简并的情况下，谱线和延迟的峰值频率不重合的特性，且损耗对谱线和延迟的影响可以等效为环-波导耦合系数的增大。推导了串联三微环的解析模型，在非简并态下次谐振峰频率和纹波凹陷频率与相等耦合系数近似线性相关，当损耗增大时，这两个特征频率逐渐靠近并重合。首次提出了基于3×3耦合器的双微环结构，推导了解析模型，并给出了该结构四种类型的详细理论分析，其中前两种类型具有耦合谐振器诱导透明(CRIT)的特性，第三种类型在两个下载端实现了均等分束功能，最后一种类型在两个下载端分别实现了一阶和二阶滤波器。(4)系统研究了微环阵列的模型、传输特性和两个特例。建立了微环阵列的六单元与模拟退火优化算法模型，该模型能分析任意耦合系数、微环尺寸和直波导腔长，同时能根据目标谱线合理优化耦合系数矩阵。研究了奇数行微环阵列的谱线在横向和纵向耦合系数渐变以及行数和列数增大情况下特性的改善，首次系统地研究了偶数行微环阵列的传输特性，由于直波导腔的前馈作用，该结构的谱线中出现大量的零点。提出了2×2微环阵列，其谱线随着耦合系数呈现了丰富的演化特性，谱线涵括了单、双、三和四个谐振峰，采用FDTD数值模拟了谱线，验证了解析理论的正确性，并提出了半对称模式的概念用来解释单谐振峰特性。最后解析研究了3×2微环阵列的谱线，通过箱状滤波特性的优化设计，实现了旁瓣抑制比大于10dB、通带纹波抑制比小于0．1dB和通带带边陡峭系数小于1dB的箱状滤波器，且该滤波器的半高全宽在一定范围内是可调整的。(5)全面研究了基于失谐微环结构的慢光效应。首先分析了并联失谐双微环的微环失谐量、耦合系数和损耗对慢光的影响，当耦合系数过小时，延迟存在非简并态，并研究了非对称参量如直波导腔失谐量、非对称微环损耗和非对称微环耦合系数导致的非对称透明特性。接着分析了并联失谐多微环结构中直波导腔相位作用的重要性、多信道峰值不一致和多信道峰值频率漂移的现象。最后提出了一种新颖的并联失谐双微环耦合谐振光波导以实现多信道慢光，基于切比雪夫第二类多项式给出了解析模型，并对多信道延迟特性进行了分析，随着微环数的增大，最外侧信道的延迟逐渐退化为双谐振峰。(6)实验研究了微环激光器的电学和光学特性，首先对器件测试的关键部分和平台进行了简要介绍，然后给出了微环激光器的测试结果，为基于微环激光器的缓存器研究建立了工作基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
1 绪论  12-29
  1.1 微环的研究意义和简介  12-16
  1.2 微环的拓扑结构和研究进展  16-20
  1.3 微环的应用领域和研究进展  20-25
  1.4 本论文的工作及主要创新点  25-29
2 微环的理论基础  29-43
  2.1 引言  29
  2.2 光波导与耦合模理论  29-33
  2.3 本论文用到的光波导研究方法  33-37
  2.4 全通型微环  37-39
  2.5 上下载型微环  39-42
  2.6 本章小结  42-43
3 微环的数值模拟和设计  43-61
  3.1 引言  43
  3.2 全通型微环脉冲响应特性的比较研究  43-47
  3.3 微环谱线的快速算法  47-50
  3.4 硅基跑道型微环的设计  50-54
  3.5 聚合物矩形微环的设计  54-60
  3.6 本章小结  60-61
4 少量微环的解析理论研究  61-88
  4.1 引言  61
  4.2 串联双微环的谱线与延迟特性  61-70
  4.3 串联三微环的谱线与延迟特性  70-78
  4.4 基于3×3耦合器的双微环  78-86
  4.5 本章小结  86-88
5 微环阵列的理论研究  88-112
  5.1 引言  88
  5.2 微环阵列的通用模型  88-94
  5.3 微环阵列的传输特性研究  94-98
  5.4 2×2微环阵列的谱线演化和模式分布  98-105
  5.5 3×2微环阵列的谱线分析和箱状滤波特性的优化设计  105-110
  5.6 本章小结  110-112
6 基于失谐微环结构的慢光研究  112-132
  6.1 引言  112
  6.2 并联失谐双微环的慢光研究  112-121
  6.3 并联失谐多微环的慢光研究  121-126
  6.4 并联失谐双微环耦合谐振光波导的慢光研究  126-130
  6.5 本章小结  130-132
7 微环激光器的实验研究  132-141
  7.1 引言  132
  7.2 器件测试概述  132-135
  7.3 微环激光器的测试  135-140
  7.4 本章小结  140-141
8 总结与展望  141-144
致谢  144-146
参考文献  146-159
附录1 攻读博士学位期间发表论文目录  159-162
附录2 论文中缩略词含义  162

微环谐振器及应用的理论与实验研究

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