光子集成中的MMI型环形波导谐振腔的特性分析及结构研究

基于环形谐振腔的选频特性，环形波导谐振腔有很多应用，它可以用于实现滤波，稳频，波长可调的激光器，波分复用等功能，同时环的存在，也可以用于光时延，光存储，色散补偿，光开关，调制器以及生物传感等领域。

因而对于它的分析很有必要，它的研究将带来很大的应用前景，同时它的结构简单，利于集成，是用于大规模集成光路的很有潜力的候选者。

１．２．２环形波导谐振腔在光子集成中的应用
１．激光器
ＩｎＰ基的无源耦合环形波导腔的激光器（３６】，可以得到低于６０／ｃｍ的门限增益，同时线宽３－５００ｋＨｚ。

激光腔由有源波导、无源波导、反射端面及微型环组成，如图１．２所示，微型环用作模式选择滤波和外腔。

图１．２无源ＲＣＬ结构图
２光开关
全光开光是由ＧａＡｓ．ＡＩＧａＡｓ材料制成，由侧向耦合型的微环谐振腔组成
通过载流子注入微环谐振腔实现开关功能ｆ３７１。

图３是其电子显微镜扫描图。

图１－３微环谐振腔电子扫描图
此器件实现了２０ｐｓ的开关窗１３，这个时间受载流子复合时间的限制，用每个脉冲几十兆焦耳的开关能量，实现了在微环谐振腔上１．２ｎｍ的波长漂移。

３．波分复用
８通道的上下路滤波器，由呈交叉网格的垂直耦合的几个环形谐振腔组成［３８］。

其单个环与ｂｕｓ臂之间的位置关系如图１—４所示，两个ｂｕｓ臂交叉掩埋分布于衬底，微环谐振腔，放在两个ｂｕｓ臂上，实现垂直耦合结构。

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图Ｉ．７圆盘谐振腔的透射率在有无生物微粒下的对照图
６．光存储与光时延——光时延线
环型谐振腔可以将光限制在环中往复传播，因而可以实现光存储，光通过环形一周将产生一定的时间差，可以构成光时延线，这样不增加器件的物理长度就能产生足够的延迟，要产生不同的时延量可以级联不同数量的环【４”。

７．色散补偿
ＭａｄｅｓｅｎＣＫ等【４２１利用级联环形谐振腔设计出色散补偿滤波器，色散的正负可以通过调谐环的相对相位来获得，其结构如图１．８所示。

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图１．８色散补偿滤波结构图
光集成的研究热点之一在于新型光集成器件的结构设计、功能模拟与特性、参数的计算。

设计更为合理，性能更加完善的光集成器件，是光集成器件得以发展的必备环节。

同时对于器件特性参数的计算与分析，又有利于新型光集成器件的设计。

理论设计主要从结构和性能两个方面展开。

这些新型光集成器件包括模式转换器、涡合器、移相器、起偏器、通道选择器、无线接收机、光开关、调制器、传感器等等１３１。

本论文就是针对环形波导谐振腔进行结构设计，特性计算以及参数分析。

１．３论文结构安排
第二章，概括环形谐振腔的原理及性能指标等内容。

首先讲述环形波导谐振腔的原理及性能指标，对其进行分类并总结常用的分析方法，最后介绍ＭＭＩ的原理及应用。

第三章，主要对ＭＭＩ型环形波导谐振腔的传输特性进行理论分析。

通过引入ＭＭＩ的损耗因子对传输矩阵法进行修正，并基于此修正的传输矩阵法分析了两种结构的环形谐振腔的特性及其影响参数。

第四章，对ＭＭＩ型环形波导谐振腔进行设计，包括外延层选择与设计，端
学带宽大以及偏振不敏感等诸多优点１１６】，在集成光学中得到了越来越多的应用。

在更复杂的ＰＩＣ比如相位多变网络【１７１，马赫一曾德开光【１引，调制器【１９１，均衡与相关探测器【２０】以及环形激光器【２１】都很好地发挥了作用。

２．２．１ＭＭＩ的工作原理
多模干涉耦合器的工作原理是基于Ｕｌｒｉｃｈ发现的多模波导自映像效应［２２１。

它是多模波导中被激励起来的多个模式间的相长干涉的结果。

由于自映像效应，沿波导的传播方向将周期性地产生输入场的一个或多个像。

图２－３多模波导中干涉现象（自映像效应）示意图
如图２．３所示，当一束光经输入波导进入多模波导时，在多模波导中会激发多个导模，这些导模相互干涉，结果在多模波导中沿着光的传播方向会周期性地出现入射光场的一个或多个重复映像。

在多个映像点出现的地方设置输出波导，可作为光分束器使用，反之，根据光路可逆原理，也可作为合束器使用。

ＭＭＩ现象是多模波导的基本性质，是由于不同模式之间传播常数周期性的差值，在近轴近似条件下，
风一屁＊掣，忙ｏ，１，２，３…【２３】（２—１２），其中ｔ＊百４ｎＷ２（２一１３）ｗ是波导宽度，ｎ为导波层有效折射率，矗是自由空间波长，三，是最低阶导模ｖ＝０，１的拍长。

三．这个参数对ＭＭＩ的设计起着重要作用。

对于不同的多模干涉现象，其映像位置与三，之间的关系不同。

有三种不同的多模干涉现象［２２１。

１、普通干涉（ＮｘＮ）
不管激励方式如何，在自映像长度为６Ｌ，处，所有模式发生相长干涉，出现一个完全重复映像，在３￡。

处出现一个镜像，在３Ｌ。

／ｍ处出现ｍ个映像。

根据上面的位置关系可以设计不同个数的分束器，当ｍ＝２时，会出现两个映像，因而可以实现３ｄＢ耦合器功能。

２、配对干涉（２ｘＮ）
当输入波导位置位于Ｗ／３和２Ｗ／３处时，模数为２，５，８……的模式不被激发，只有０，１，３，４，６，７等模式被激发，在２三，，三，处产生镜像，在￡，／ｍ处产生１１１个映像。

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极可选用Ｇｅ．Ａｕ－Ｎｉ－Ａｕ材料，在３６０℃退火９０秒。

困４－１ＩｎＰ／ｌｎＧａＡｓＰ环形谐振腔波导结构横截面图
４．２环形谐振腔端口的设计
环形波导谐振腔采用脊形波导结构（如图４－２所示），ＭＭＩ多模干涉区（图４—２阴影所示区）以外的所有波导区域我们都将其定义为“端口”，它包括ＭＭＩ的输入、输出四个端口以及整个环形波导部分（图４．２黑色区域）。

端口部分应满足单模传输、低偏正敏感性以及便于与外接光纤高效耦合的特性，因而应对其进行适当的设计。

我们采用基于ＢＰＭ（光束传输法）的商用软件包ＢｅａｍＰＲＯＰ进行器件建模、参数分析与性能优化，根据模拟结果最终选取端口部分宽度３ｆａｎ，脊形波导高度２．９／ｎｎ，即外延片从上向下刻蚀至缓冲层（缓冲层不被刻蚀）止。

４５。