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光学微环谐振腔的研究与应用
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。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。
本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。
然后介绍了光学微环谐
振腔器件原理和他们的光学传输特性。
基于绝缘体上硅波导
< br>（
Silicon-On-Insulator
SOI
）的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高的集成度并且
其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体
(Complementary
metal
–
oxide
–
semiconductor
< br>COMS)
工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。我们
在这里提出一种耦合的集成光波导结构，
这样的结构可以使集成化的光波导陀
螺
的灵敏度得到加强。
关键词
:
微谐振腔
,
光波导，
SOI
，陀螺
RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL
MICRORING
RESONATORS
Abstract
With the
development of fiber-optic communication
technologies, high-performance
and
low-cost
are
both
desirable
for
optical
communication
core
technology
includes
small-size
optical
waveguide
devices
with
the
potentials
for
addition,
optical
waveguide
devices
with
various
functions
for
all
optical
signal
processing
are
becoming
more
important
for
the
realization
of
future
all-optical
microring resonator is a suitable candidate to
meet these two
er,
its
small
size
is
very
suitable
for
integration
with
large
dimension.
In this thesis, we first introduce the
light of total internal reflection (TIR) theory
and
the
basic
structure
of
waveguide.
Then
we
introduce
the
principle
of
mcroring
resonator,
analysis
their
transmission
property.
Micro-ring
resonators
based
on
silicon-
on-insulator (SOI) structure are promising
building-blocks for ultra-compact
and
highly
integrated
photonic
circuits.
The
fabrication
technology
is
mostly
propose
a
configuration
of
integrated
waveguide
structure
consisting
of
resonators
coupled
to
an
arc-shape
waveguide.
Such
proposed
configuration
can
be
used
to
realize
highly
compact
optical
gyroscope
for
rotation
sensing.
Key words:
microresonators ,waveguide ,SOI
,Gyroscope
1.
引言
光通信，
顾名思义，
即用光作为信息的载体来传递信号，
在通信不发达
的古
代，人们就已经懂得利用光来传递信息。早在公元前
11
世纪，人们就通过在烽
火台上点
燃烟火来传递信号，
以满足国家在政治和军事方面对通信的需要。
不过
这种简单的通信方式的应用范围还是非常局限的。
自从<
/p>
1960
年美国科学家梅曼
（
Maiman
）
发明
了第一台红宝石激光器
[1]
，
200
9
年的诺贝尔物理学获得者高琨
(Charles
)
和他的同事霍克曼
(G
.)
于
1966
年提出玻璃纤维可传
输光信号，
并指出通信光纤的要
求是每公里衰减小于
20
分贝
(dB)
之后
[2]
，
通信
领域进入了一个崭新的时代——光纤通信技术时代。<
/p>
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
)
< br>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，
因此微环己成为光纤通信
和集成光学领域的
研究热点之一。
最近发
展的绝缘体上的硅
(SOI)
结构，由于该结构的硅芯层与二氧
化硅的覆
层之间具有高的折射率差，
光被限制在很小的范围内，
器件的尺度可以很小，
所
以
SOI
已经成为良好的单片集成电路平台
[3]
。文献
[4]
中报道了由
100
个微环
谐振腔以耦合谐振腔或者全通滤波器级联的结构图
1-1
所示。
图
1-1
级联的微环谐振腔的全通滤波器（
APF
）结构（
b
）和谐振腔耦合光波导（
CROW
）结构（
c
）实
现延时线
2.
光波导的基本原理
2.1
基本光学理论
光在波导里传输的最基
本原理是光的全反射原理，由斯涅耳折射定律可知：
n
1
sin
?
1
?
n
2
sin
?
2
（
1
）
当光由光密介质
（折
n
1
,
n
2
分别为介质的折射率，
?
1
,
?
2
分别为入射角和折射角。
< br>射率
n
1
比较大的介质）射入光
疏介质
（折射率
n
2
< br>比较小的介质）时（比如由水入
射到空气中）
，如果入射
角
?
1
等于某一个角
< br>?
c
时，折射光线会沿折射界面的切线
< br>进行，
即折射角
?
2
=90
。
,
此时会有
sin
?
2
=1,
则可推得
sin
?
c
=
sin
?
1
= n
2
/n
1
。
但如果
入射角
?
< br>1
大于这一个值
?
c
时，入射角的正弦
sin
?
1
> n
2
/n
1
，会推得
sin
?
2
>1
。这在
数学上是没有
意义的，所以此时，不存在折射光，而只存在反射光，于是便发生
全内反射。
而使得全内反射发生的最小入射角
?
c
叫做临界角，
它的值取决于两种
介质的折射率的比
值，即
?
c
=sin
-1
( n
< br>2
/n
1
)
。例：水的折射率为
1.33
，空气的折射
率近似等于
1.00
，
临界角
?
c
等于
si
n
-1
(1/1.33)= 48.8
当光线经过两个不同折射率的
介质时，部份的光线会于介质的界面被折射，其余的则被反
射。但是，当入射角
比临界角大时（光线远离法线）
，光线会停
止进入另一接口，反之会全部向内面
反射。
这只会发生在当光线
从光密介质
（较高折射率的介质）
进入到光疏介质
（较
低折射率的介质）
，入射角大于临界角时。因为
没有折射（折射光线消失）而都
是反射，故称之为全内反射（如图
2-1
）
。例如当光线从玻璃进入空气时会发生，
但当光线从空气进入玻璃则不会。
最常见的是沸腾的水中气泡显得十分明亮
，
就
是因为发生了全内反射。
图
2-1
全
反射原理图
2.2
波导的结构分析
薄膜波导是最简单的
光波导类型，对薄膜波导的分析，在光波导领域具有典
型意义。
另一方面，
薄膜波导又是集成光学的技术基础。
薄膜波导也称平
面介质
波导，其结构如图
2-2
所示，
是由两层低折射率介质膜和中间夹有的一层高折射
率介质膜所组成的三层结构。
中间一层称为芯层，
折射率为
n
1
，
是光波传播的通
道，下面
一层称为衬底，折射率为
n
2
，上面一
层称覆盖层，折射率
n
3
。上下两
层都是限制光线的阻挡层。为了保证光线在芯层的传播，必须要求
n
1
大于
n
2<
/p>
和
n
3
，
一般设定
n
1
＞
n
2
＞
n
3
。
波导光线均匀介质波导的芯层光线沿直线传播，
经与
上下界面的反射和折射，形成锯齿形光线。
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