第3章 微环谐振器_95-122
基于微环谐振器光学逻辑器件的设计与研究
基于微环谐振器光学逻辑器件的设计与研究基于微环谐振器光学逻辑器件的设计与研究一、引言随着信息技术的迅速发展，需要处理大量数据的需求不断增加。
传统的电子器件在处理速度、功耗和集成度等方面已经面临一定的瓶颈。
为了满足高速处理和低功耗的要求，光学器件被广泛研究和应用。
其中，利用微环谐振器的光学逻辑器件因其小型化、低能耗和快速响应等优势备受关注。
二、微环谐振器的基本原理微环谐振器是一种基于光的波导器件，由一个环形波导构成。
当输入光信号经过微环谐振器时，会在环周产生共振现象。
其共振与输运能量被限制在环内，从而实现光的储存和传导功能。
三、微环谐振器光学逻辑的工作原理微环谐振器可利用光的干涉和耦合效应实现光学逻辑运算，如与门、非门等。
这些逻辑运算是基于光在微环谐振器中的传播路径和相位差的变化进行的。
1. 与门与门是常见的逻辑运算器，用于判断两个输入信号是否同时满足高电平状态。
在微环谐振器中，可以利用光的干涉效应实现与门的功能。
当两个输入光信号经过微环谐振器时，若两个信号的相位相同，则它们会在谐振器的输出口相干叠加，产生高光强输出；若两个信号的相位不同，则它们会在谐振器的输出口互相干扰，产生低光强输出。
这样就实现了与门的逻辑功能。
2. 非门非门是另一种常见的逻辑运算器，用于反转输入信号的状态。
在微环谐振器中，可以利用光的耦合效应实现非门的功能。
当输入信号经过微环谐振器时，其与环路内的储存光相干耦合，产生增强的输出信号；而当输入信号被反向后，其与环路内的储存光相干耦合的效应被抵消，产生减弱的输出信号。
这样就实现了非门的逻辑功能。
四、微环谐振器光学逻辑器件设计微环谐振器光学逻辑器件的设计涉及波导的制备、谐振腔的构建及参数的调节等。
以下是一般的器件设计流程：1. 波导材料的选择选择材料的光学特性，如折射率、损耗等，根据需要确定波导材料，常用的材料有硅、氮化硅等。
2. 波导制备通过光刻技术和刻蚀技术，在衬底上制备出所需的波导结构，包括微环谐振器的环形波导和输入/输出波导。
微环的基本理论和模式
微环的基本理论和模式微环谐振器是一种以硅为主要材料且集成度高，作用强大，体积微小，并能应用于光电子集成回路的一种光学器件，具有很大的研究价值。
本文应用到同心环这个结构，即在原本的单环模式下，以环为中心，再增加多个同心微环结构，借此可增加接触面积，从而提高传输质量。
近几年来对于生物传感已然成为一个很热的研究。
即由于外界环境变化使得将生化信号转换为电信号而进行检测的一种仪器。
若将同心微环谐振腔用于生物传感，便可大幅度增加品质因数Q，即灵敏度的增加。
因此，这是一种很有前景的研究。
关键字：微环谐振器，生物传感器，品质因数Q绪论1.1 研究背景和意义社会的进步使得人们在生活的各个方面要求越来越高，小到日常起居，医疗安全；大到保护环境，生物检测等。
因此也吸引了很大一批学者对这方面进行深入的探究，生物传感器的研究开始得到重视。
而一开始，生物传感器便有好几类探测机制，包括电学，光学，热学等，其中最简洁，研究前景最为开阔的是光学生物传感器。
我们以前了解过关于光学这方面的简介，知道了早在20世纪初便开始有人研究光通信，例如20世纪60年代美国物理学家Maiman使用人造红宝石为工作煤质【1】，制造出了第一台红宝石激光器并且成功产生脉冲相干光；而随后华裔物理学家兼诺贝尔物理学奖得主Charles Kuen Gao发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文【2】，指出光导纤维在通信方面的原理。
至此，光学的应用在世界开启了新的篇章，开始有人研究光学在其他方面的用途。
在光学生物传感器的研究领域，主要包括标记型和免标记型。
标记型，顾名思义就是要对被探测的物体进行标记，然后通过相应的设备去检测标记物，继而得到被探测物体的相关信息。
免标记型就是直接通过检测光信号的变化而得到相应的信息，不需要对被探测物体标记，省去了很大的麻烦，使用起来更加方便简洁。
我们所要讨论的微环结构的生物传感器就是免标记型的。
光学微环谐振腔基于微米尺度，集成度可以很高，在信号的传递过程中速度很快，因此其应用围极广，除了生物传感，还包括滤波，调制器等方面，本文主要分析在生物传感器上的应用，相信随着技术的发展，这方面的研究将会取得更大的成果。
微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究_李欣
弹光效应会改变谐振器的有效折射率 ，使 得 谐 振 波 长 发 生 漂
－１ 。在 光 传 移 ，数值 仿 真 得 到 其 灵 敏 度 约 为 ０ ． ０ ２ ７ ４ｐ ｍ·ｇ ０， １ １］ １ 感中 ，通过检测 谐 振 波 长 的 漂 移 ［ 或者监测波长的光强 ２， １ ３］ １ 变化 ［ 都可以实 现 对 被 测 物 理 量 的 测 量 。监 测 谐 振 波 长
（ ） ７
其中 Ｉ 为探测 器 上 可 以 探 测 到 光 强 的 最 小 变 化 。理 论 上 来 讲， Ｉ 由探 测 器 的 性 能 决 定 ，探 测 器 可 以 探 测 到 的 光 强 越 小 ，那么探测极限就越小 。对 于 信 噪 比 为 ３ ０ｄ Ｂ的测量系统
－３ 。 来讲 ， ０ Ｉ 约为 ３×１
２ Ｅ ｔ－τ ２ ｐ ＝ ２ Ｅ １－ｔ １ τ ｐ
其中 ， ｍ 为传感质量块的质量 ， ｌ 为悬臂梁的长度 ， Ｅ 为悬臂 （ ） １ 梁材料的杨氏模量 ， ｂ为 悬 臂 梁 的 宽 度， ｔ为 悬 臂 梁 的 厚 度，
Ｄ＝
ａ 为系统加速度 。微环周长变化量与应变的关系分别为 （ ） Ｌ ε ｌ－ν Δ （ ） ４ ＝ Ｌ ２ 其中ν 为悬臂梁材料的泊松比 。微 环 的 折 射 率 变 化 量 与 应 变
微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究
李 欣１，郭士亮２，杨 明１＊ ，李志全２
１．哈尔滨工业大学控制与仿真中心 ，黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ８ ０ ２．燕山大学电气工程学院 ，河北 秦皇岛 ０ ６ ６ ０ ０ ４
摘 要 为满足加速度传感器微型化 、低成本 的 需 求 ，提 出 了 一 种 带 有 单 微 环 谐 振 腔 的 悬 臂 梁 式 光 学 加 速 度传感器结构 ，采用耦合模和传输矩阵理论求 取 了 微 环 谐 振 器 的 传 递 函 数 ，利 用 检 测 同 一 波 长 处 光 强 度 变 化的新测量方法实现了对加速度的探测 ，从而 得 到 了 加 速 度 传 感 器 的 灵 敏 度 和 探 测 极 限 ，深 入 研 究 了 不 同 结构参数对系统灵敏度的影响 ，数值仿真并分析了输出端口的光谱特性 。结果表明 ：加速度传感器在外界加 速度作用时 ，悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲 ，使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变 ，即微环谐振 器的长度和折射率都发生了变化 ，从而光在微 环 谐 振 器 中 的 传 输 特 性 发 生 变 化 ，因 此 可 以 通 过 探 测 微 环 输 出端光场强度的变化来测定加速度值 ；悬臂梁 的 长 度 、厚 度 以 及 微 环 谐 振 腔 的 固 定 位 置 都 是 影 响 加 速 度 传 感器性能的直接因素 ，并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度 。经过数值仿真 ，对于信 噪比为 ３ ０ｄ Ｂ 系统 ，波长在 １ ． ５ １ ５μ ｍ 处 ，悬臂梁的长度 、厚度分别为 １ ８ ０ 和 ３μ ｍ 时 ，系统的灵敏度可达到 －１ －３ ， ， ， 因此在悬臂梁可承受的范围内 选取长度较长 探测极限为 的悬臂梁结构能够有 ２ ． １ １ ２ｇ ． ４ ２ １×１ ０ ｇ １ 效地改善系统的灵敏度和探测极限 。该结构为制备高灵敏度 、低成本 、易于加工的加速度传感器及可嵌入式 微型光学器件提供理论基础 。 关键词 微环谐振腔 ；加速度传感器 ；悬臂梁 ；强度测量 ： ／ （ ） 中图分类号 ： ２ ５ ６ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ５ ９ ３ ２ ０ １ ４ ９ ３ ２ ７ ４ ＴＮ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ０ ０ ２ ０ － －谱分析 第 ３ ４卷 振器发生形变前后的输出光谱图 。
串联双微环谐振器原理
串联双微环谐振器原理串联双微环谐振器原理谐振器是现代电路中不可或缺的部分，它广泛应用于通信、雷达、微波和射频等领域。
谐振器可以实现信号的选择性传输和增强，从而在电子工程中起到至关重要的作用。
其中，双微环谐振器是一种高效的微波谐振器，它通过其高品质因数和小体积受到广泛的关注。
本文将详细介绍串联双微环谐振器的原理及其应用。
一、单微环谐振器原理在介绍双微环谐振器之前，我们先来了解一下单微环谐振器的原理。
单微环谐振器是一种微波谐振器，由微环、线路传输线、馈线和负载组成。
当微环内部存在一定的能量时，由于微环的高Q值（即品质因数），能量可以在微环内部长时间储存而不损失。
当外界频率与微环的谐振频率相同时，能量会不断在微环内部循环，使得电路中的电流和电压不断增强，形成谐振。
该谐振器具有高品质因数、小尺寸、低损耗等优点，在通信、雷达和微波等领域有着广泛的应用。
二、双微环谐振器原理双微环谐振器是一种由两个微环相互作用而形成的谐振器，它通过串联两个微环实现微波传输。
双微环谐振器的原理与单微环谐振器相似，都依赖于微环的谐振来实现能量转移。
不同的是，双微环谐振器中的两个微环相互作用，能够精确控制能量的传输和着陆，从而使其具有更高的品质因数和更小的体积。
双微环谐振器的工作原理是：在传输线上加入一个微环，通过馈线将输入信号输入到其中一个微环，当微波信号从第一个微环传输到第二个微环时，由于两个微环的电容和电感产生了一定的交互作用，从而形成了新的谐振模式。
这种模式可以通过改变微环的半径、线宽、间距等参数来调节，从而实现对电路的优化。
三、双微环谐振器的应用双微环谐振器在各种无线通信器件中具有广泛应用，例如在低噪声放大器、混频器、带通滤波器和频率合成器等中均可见其身影。
这种谐振器也被广泛应用于基于射频MEMS技术的各种应用中，如集成电路、驻波变压器、功率放大器等。
相比传统的谐振器，双微环谐振器具有体积小、品质因数高和损耗低等优点，因此被广泛应用于各种高端通信和雷达系统。
串联双微环谐振器原理
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串联双微环谐振器原理
双微环谐振器是一种常用的光学谐振器，其具有非常优异的光学性能。
在光学通信和光学传感等领域得到了广泛应用。
然而，双微环谐振器的单个器件只能在有限的光谱范围内工作，且使用过程中需要进行反复调节。
为了克服这些问题，人们提出了一种新型的双微环谐振器——串联双微环谐振器。
串联双微环谐振器由两个微环谐振器串联而成，可以扩展其工作光谱范围，并且调节方便。
其原理是将两个微环谐振器的谐振峰重叠在一起，从而形成更宽的谐振峰，提高了谐振峰的品质因数。
在串联双微环谐振器中，光线首先进入第一个微环谐振器，在谐振峰处发生共振，然后再进入第二个微环谐振器。
在第二个谐振器中，光线再次发生共振，形成更宽的谐振峰。
通过调节两个微环谐振器的间距和半径等参数，可以实现谐振峰的调节和扩展。
串联双微环谐振器不仅可以扩大谐振峰的宽度，还可以提高其品质因数，并且具有调节方便、紧凑结构等优点。
因此，在光学通信和光学传感等领域有着广泛的应用前景。
- 1 -。
新型微环谐振器及其传感特性研究
新型微环谐振器及其传感特性研究新型微环谐振器及其传感特性研究近年来，微纳技术的快速发展带来了许多新型器件和材料的涌现，其中微环谐振器作为一种高灵敏度、高选择性的传感器，在光电子学、生物医学和环境监测等领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍一种新型微环谐振器的结构设计和传感特性研究。
首先，我们简要介绍一下微环谐振器的基本原理。
微环谐振器是一种由环形光波导构成的谐振腔结构，通过调节环形光波导的尺寸和折射率来实现不同波长的谐振模式。
当外界环境发生变化时，微环谐振器的谐振波长会发生改变，从而可以通过检测谐振波长的变化来实现对环境参数的敏感检测。
在传感方面，新型微环谐振器具有几个特点。
首先，采用高折射率材料制作的微环谐振器具有更高的光波导参量，可以实现更小的尺寸和更大的灵敏度。
其次，由于谐振模式是通过环形光波导的尺寸和折射率来调节的，因此可以实现多种不同波长的传感模式，并且可以通过控制传感模式的距离来实现多参数传感。
此外，由于微环谐振器的谐振波长与外界环境的折射率有关，可以通过改变环境折射率来实现对不同物质的检测。
为了研究新型微环谐振器的传感特性，我们设计并制备了一种基于硅光子学的微环谐振器。
该微环谐振器的尺寸为50μm × 50μm，采用硅基材料，工作波长为1550nm。
通过光刻和热氧化等工艺步骤，成功制备了微环谐振器的样品。
接下来，我们对微环谐振器的传感特性进行测试。
首先，通过将样品置于不同折射率溶液中，我们测量了谐振波长随溶液折射率的变化。
实验结果表明，谐振波长随溶液折射率呈现线性关系，且灵敏度约为100 nm/RIU (Refractive Index Unit)。
这表明新型微环谐振器具有较高的灵敏度和选择性。
接着，我们进行了多参数传感实验。
通过引入两个微环谐振器，分别浸泡在不同折射率溶液中，我们测量了两个谐振波长随溶液折射率的变化。
实验结果表明，两个微环谐振器的谐振波长变化具有较好的线性关系，可以实现多参数传感。
最新光学微环谐振腔的研究与应用张浩SY1119222
光学微环谐振腔的研究与应用张浩S Y1119222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（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 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 MICRORINGRESONATORSAbstractWith the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of futureall-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, 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 CMOS-compatible.We 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 ,Gyroscope1. 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。
微环谐振器工作原理
微环谐振器工作原理1. 引言1.1 微环谐振器的定义微环谐振器是一种利用微环结构实现光场增强与传播的微纳光子器件。
微环谐振器通过在微环内部固定光子，使其在环形波导中传输，从而实现光隔离和光耦合功能。
其工作原理是基于腔共振效应，当微环谐振器中的光子频率与谐振腔中的驻波频率匹配时，光子会被捕获在腔中，形成稳定的驻波场。
这种驻波场会增强光子与光子之间的相互作用，从而在微环中形成共振现象。
微环谐振器的定义涵盖了其结构特点和工作原理，使其成为光子学领域中的研究热点。
在微纳光子器件中，微环谐振器可以用于实现滤波、耦合、调制等功能，广泛应用于光通信、传感、激光器等领域。
微环谐振器的研究不仅推动了微纳光子器件的发展，也为光子学的实际应用提供了新的可能性。
1.2 微环谐振器的应用微环谐振器在微纳光子器件中具有广泛的应用前景。
微环谐振器可以作为滤波器，用于选择性地传输或抑制特定波长的光信号。
这在光通信和传感领域有着重要的应用，可以实现光信号的精确调控和处理。
微环谐振器还可用作传感器，通过监测微环谐振器中光的传输特性变化来实现对环境参数的检测，例如温度、压力、化学物质浓度等。
这种传感器具有高灵敏度、快速响应和小尺寸的特点，适用于微型化的生物传感和环境监测。
微环谐振器还可以用于光学存储、光学增益、光学调制等领域，为光子器件的发展提供了新的可能性和潜在应用场景。
微环谐振器在微纳光子器件中的应用潜力巨大，将在未来的研究和产业中起到重要作用。
2. 正文2.1 微环谐振器的结构微环谐振器是一种微纳光子器件，其结构包括环形波导和耦合波导。
环形波导是由高折射率材料制成的环形结构，具有一定的直径和厚度。
耦合波导是将光信号引入或引出环形波导的结构，通常采用直波导或波导耦合器。
微环谐振器的结构中还包括加工光栅和耦合极。
加工光栅用于调节微环谐振器的共振频率，耦合极用于将光信号引入或引出微环谐振器。
微环谐振器的结构设计十分精密，需要保证环形波导的直径、厚度和耦合波导的位置及距离等参数满足设计要求。
微环谐振器慢光特性与电光开关的研究
微环谐振器慢光特性与电光开关的研究微环谐振器慢光特性与电光开关的研究引言：微环谐振器是一种基于光学微纳米结构的光学器件，广泛应用于光子集成电路和光学通信系统中。
它具有很多优点，比如体积小、易于集成、低功耗、高灵敏度和快速响应等。
其中，微环谐振器的慢光特性与电光开关是研究的热点之一。
本文将对微环谐振器的慢光特性与电光开关进行探讨与研究。
一、微环谐振器的慢光特性慢光是指光在介质中传播速度较慢的现象。
微环谐振器作为一种光学微纳米结构，可以实现慢光的传输和控制。
其原理是通过调节微环的尺寸和材料的折射率，使光在环内获得相干叠加的条件，形成谐振。
具体来说，当入射光波长等于微环的谐振波长时，光会在环内来回传播，并在环的出口重新耦合到波导中，形成一个共振峰。
在共振峰附近，光在微环中的传输速度变慢，形成慢光现象。
慢光特性的研究对于光子集成电路和光学通信系统的发展具有重要意义。
一方面，慢光可以用于实现光学延时线、光学存储器和光学器件的缓冲器等；另一方面，慢光还可以用于提高微环谐振器的灵敏度和响应速度。
二、电光开关的原理电光开关是通过电场的作用，调节光在器件中的传输和耦合，从而实现光的开关和调制。
在微环谐振器中，电光效应可以通过改变微环材料的折射率或尺寸，从而改变微环的谐振波长和共振峰的位置。
通常，电光开关是基于Pockels效应或Kerr效应实现的。
其中，Pockels效应是指在外加电场的作用下，介质的折射率发生线性变化；Kerr效应是指在光强度发生变化时，介质的折射率也会相应变化。
电光开关的实现需要考虑器件的灵敏度、速度和功耗等因素。
一方面，微环谐振器的灵敏度与材料的电光系数、尺寸和谐振结构等有关；另一方面，电光开关的速度与材料的响应时间、电场的作用效果和器件的结构等相关。
三、微环谐振器慢光特性与电光开关的结合研究表明，微环谐振器的慢光特性与电光开关可以相互补充和结合，实现更多的功能和应用。
首先，微环谐振器的慢光特性可以增强电光开关的效果。
微环谐振器及相关器课件
共振条件
2Rnc m
思考：我们学过哪些共振现象
思考：以闪耀Biblioteka 栅为例，思考其共 振行为有何特有现象
能否由此推 理微环共振 器的共振行 为？
微环共振器的自由光谱范围
FSR nc
mng
品质因子Q
Q
FWHM
思考：对光栅使用时，如何提 高Q值？
思考：仿照光栅，思考可提高微共 振环Q因子的方法
• 要求：原理清晰，设计完善 • 评分标准：根据应用新颖性、设计考虑全面性综
合评分，要求每组提交设计源文件，以及一个 PPT（不超过6页，说明使用原理、应用及设计结 果） • 分组情况同大作业一，答辩时讲解ppt，并根据 ppt提问
思考光的 传输行为
微环共振器的应用
思考这个器 件在光通信 中的可能用 途
滤波器
思考：如何基于环形共振器设计可 调滤波器
滤波波长与共振环半径有关，因此思考如 何实现半径可调
思考：如何获得较宽谱段的滤波
类似问题：如何实现平顶滤波。思考要点在于微共振环串 并联结构的灵活运用
思考：如何用微共振环实现光加减 复用（OADM)
思考要点：灵活运用微环和直波导的光路由特性
思考：如何基于微环共振设计波分 复用器
思考：如何基于微共振环构建可调 光开关阵列（optical switcher）
思考：能否利用微共振环实现传感 应用
大作业二（5月7日答辩）
• 使用3个或以上微环（半径相同或不同均可）设计 一个具有某种应用功能的器件（应用场合不限）；
微环谐振器及其在全光信号处理中的应用研究
微环谐振器，作为一种典型的光学微结构，因其在全光信号处理中的重要应用而备受关注。
在本文中，我们将深入探讨微环谐振器的基本原理、结构特点以及在全光信号处理中的应用研究，并结合个人观点对其进行分析和解读。
1. 微环谐振器的基本原理微环谐振器是一种基于光波导的器件，通过光波在环形结构内部的多次反射和相互干涉实现谐振现象。
当光波进入微环谐振器后，会在环形波导内部进行多次来回传输，并与自身相互干涉，最终形成谐振效应。
这一原理使得微环谐振器具备了在光学信号处理中实现高效能量转换和频率选择的能力。
2. 微环谐振器的结构特点微环谐振器通常由光波导、耦合结构和环形波导等部分构成。
其中，光波导负责引导和传输光信号，耦合结构用于实现光的输入输出，而环形波导则是谐振现象发生的关键部分。
由于其结构紧凑、损耗低、响应速度快等特点，微环谐振器在光学信号处理中具备了独特的优势。
3. 微环谐振器在全光信号处理中的应用研究随着光通信和光信息处理技术的不断发展，微环谐振器在全光信号处理中的应用愈发广泛。
在光通信系统中，微环谐振器可用于实现光波长选择性开关和光频率转换。
在光传感领域，微环谐振器可以实现对微小光信号的高灵敏度探测和快速响应。
在光学计算和信息存储等方面，微环谐振器也发挥着重要作用。
总结及个人观点：微环谐振器作为一种典型的光学微结构，在全光信号处理中展现出了重要的应用前景。
通过对其基本原理和结构特点的深入理解，我们能更好地把握其在全光信号处理中的应用前景和发展趋势。
从个人角度来看，微环谐振器在全光信号处理中的应用研究将会带来一场光学技术的革命，为光通信、光传感和光学计算等领域的发展提供更多可能性。
微环谐振器在全光信号处理中的应用研究具有重要意义，我们有必要加大对其基础理论和实际应用的深入研究，进一步挖掘其潜在的应用价值。
相信在不久的将来，微环谐振器将会成为光学领域中不可或缺的重要器件，为全光信号处理技术的发展注入新的活力和动力。
微环谐振器传输特性分析
2
2. 1
传输特性分析
信道波导与微环波导间距对传输特性的影响 微环谐振器中光的传输是靠微环波导与信道
波导之间的耦合来实现的， 信道波导与微环波导距 离的改变， 将影响其耦合系数 K 。 环形波导与直波导之间的耦合系数 K ， 取决于 他们之间的耦合长度， 即理想耦合长度 L π 和有效耦 合长度 L eff ， 满足： K = sin（ kL eff ） = sin
∫
π /2
－ π /2
K / / （ θ） cos θdθ］
2
（ 8）
36 期
李
锋， 等： 微环谐振器传输特性分析
9973
2. 2. 2
微环半径对品质因子的影响 2 π2 n eff R 槡 λm 1 － K2 = = Δλ FWHM λm k2 ar1 r2 πλ m 槡 λm = F Δλ FSR 1 － ar1 r2 Δλ FSR （ 12 ）
环腔的品质因子 Q 可表示为 Q =
式中 λ m 为中心谐振波长； Δλ FWHM 为微环谐振器的 谐振峰半高全宽； R 为微环半径； K 为耦合系数； a r2 为两个耦合区的传输系数； 为环程透射系数； r1 、 F 为精细度：
图3 振幅耦合比率 k 对下信道输出光谱的影响
F =
FSR Δλ FWHM
品质因子随半径 R 和耦合系数 k 的变化曲线如 图 5 所示。
为有效群折射率。 可以得到 FSR 与微环半径 的一个关系曲线， 如图 4 。
图5 Q 随半径的变化曲线 不同波导厚度的情况下，
图4
FSR 随微环半径的变化 不同波导厚度下，
可以观察到， 微环半径的增加， 使的 FSR 减小； FSR 随着波导宽度的增加而 在半径一定的情况下， FSR 受微环半径 减小， 只是影响比较小。相对而言， 影响较大。
微环谐振器的热光效应
微环谐振器的热光效应微环谐振器是一种在微纳光子学领域广泛应用的器件，它具有非常高的品质因子和紧凑的结构。
热光效应是指当微环谐振器受到外部热源的影响时，其性能会发生改变。
这种效应在许多光子学器件中都是一个重要的问题，需要深入研究和解决。
当微环谐振器受到外部热源的影响时，会导致其结构发生变形，从而改变其光学特性。
这种变形会导致微环的谐振波长发生偏移，品质因子降低以及损耗增加。
因此，热光效应会对微环谐振器的性能产生负面影响，限制其在应用中的表现。
为了克服热光效应带来的问题，研究人员提出了一些解决方案。
一种常见的方法是通过优化微环谐振器的结构设计，使其更加稳定和抗热。
例如，可以通过优化材料的选择、结构的设计和加工工艺等手段，来降低微环谐振器受到热源影响的程度，减小热光效应的影响。
另一种方法是利用温度调节技术来对微环谐振器进行控制。
通过控制微环谐振器周围的温度，可以改变其结构的温度分布，从而减小热光效应的影响。
例如，可以利用热沉降技术来降低微环谐振器周围的温度梯度，减小热光效应对器件性能的影响。
此外，还可以利用光子泵浦和光声效应等技术来对微环谐振器进行控制，进一步减小热光效应的影响。
通过在微环谐振器周围引入适当的光子泵浦或者利用光声效应来改变微环谐振器的结构，可以有效地抑制热光效应的发生，提高器件的性能表现。
总的来说，热光效应是微环谐振器中一个需要重点关注和解决的问题。
通过优化结构设计、利用温度调节技术、光子泵浦和光声效应等手段，可以有效地减小热光效应对微环谐振器性能的影响，提高器件的性能和稳定性。
这将有助于微环谐振器在光子学领域的应用和发展，促进微纳光子学技术的不断进步和创新。
第3章 微环谐振器_95-122
试阐述其与相关参量的关系。 微环谐振时所具有的半径称为微环的谐振半径，上式说明，谐振级数m越大，或真
空中光波长λ越大，或模有效折射率nc越小，微环的谐振半径R就越大。
103. 给出波导的群折射率的表达式。 波导的群折射率可表示为
ng
=
nc
−λ
dnc dλ
104. 什么是相邻微环半径差？其表达式为
图中可见，当谐振级数 m 增大时，微环谐振半径 R 随之增大，而 FSR 随之减小。 谐振级数 m 不能取得过小，否则微环半径 R 会变得过小，这将使微环的弯曲损耗变大； 谐振级数 m 也不能取得过大，否则 FSR 会变得过小，这使器件难以实现滤波作用。综 合考虑所能允许的工艺条件和器件能够实现滤波功能。例如，当选择谐振级数 m = 77 时，相应的微环半径 R ≈ 12.5 μm，FSR ≈ 18 nm。
112. 单环MRR滤波器的下信道的输出光谱TD和FSR如图所示，试对其加以适当的讨论。
0 FSR
-10
T /dB D
-20 0.3
-30 0.2
-40 -50
1520
1530
1540
1550 λ /nm
对于 FSR = NΔλ 的器件，波长为λi和λi+N (λi+N = λi + FSR = λi + NΔλ )的信号光将
从同一端口输出，这种性质称为周期性。
101. 简述微环谐振条件并给出微环谐振方程。 光在微环中传输时，只有那些绕微环传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍的
光才能产生谐振而加强，即满足下述的微环谐振方程
输出信道中输出，从而实现了解复用功能。
105 什么是 MRR 的自由光谱区（FSR）？其表达式为 FSR = λnc mn g
微环谐振器
S
B 1 t j B 2 j A1 t A2
B1 B1
B2 A2 B1 A1
散射矩阵法
B 1 t B j 2 j A1 t A2
B2 A2 B1 A1
0 exp[ j( R ) 2R ] A2 q 0 exp[ j( R )2R ] B 2
单环双波导
A4 A1 p 2 q p1 B 4 B1
A1
B1 A2 B2 A3 B3 B1 A4
并联双环滤波器
A41 A11 p 2 q p1 B 41 B 11 A42 A12 p 2 q p1 B 42 B 12
A12 B11 exp[ j( R )L]
A41 B 42 exp[ j( R )L]
1
ni （ni i ） i （ni j ） j ni i sin i ni j cos i
E r E r 0e i[k ( •sin r x cos r y )t ]
1
Et Et 0e i[k ( •sin t x cos t y )t ]
B11 A11 A21 A12 B12 A22 B22 A32 B32 A31 A42 B42
L
B21
B31
B41
A41
并联双环滤波器
B 11 MA11 NA41 B 41 NA11 MA41
2
B 12 MA12 NA42 B 42 NA12 MA42
B11 A11
i ( H ) E
微环的基本理论和模式
微环的基本理论和模式微环谐振器是一种以硅为主要材料且集成度高，作用强大，体积微小，并能应用于光电子集成回路的一种光学器件，具有很大的研究价值。
本文应用到同心环这个结构，即在原本的单环模式下，以环为中心，再增加多个同心微环结构，借此可增加接触面积，从而提高传输质量。
近几年来对于生物传感已然成为一个很热的研究。
即由于外界环境变化使得将生化信号转换为电信号而进行检测的一种仪器。
若将同心微环谐振腔用于生物传感，便可大幅度增加品质因数Q，即灵敏度的增加。
因此，这是一种很有前景的研究。
关键字：微环谐振器，生物传感器，品质因数Q绪论1.1 研究背景和意义社会的进步使得人们在生活的各个方面要求越来越高，小到日常起居，医疗安全；大到保护环境，生物检测等。
因此也吸引了很大一批学者对这方面进行深入的探究，生物传感器的研究开始得到重视。
而一开始，生物传感器便有好几类探测机制，包括电学，光学，热学等，其中最简洁，研究前景最为开阔的是光学生物传感器。
我们以前了解过关于光学这方面的简介，知道了早在20世纪初便开始有人研究光通信，例如20世纪60年代美国物理学家Maiman使用人造红宝石为工作煤质【1】，制造出了第一台红宝石激光器并且成功产生脉冲相干光；而随后华裔物理学家兼诺贝尔物理学奖得主Charles Kuen Gao发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文【2】，指出光导纤维在通信方面的原理。
至此，光学的应用在世界开启了新的篇章，开始有人研究光学在其他方面的用途。
在光学生物传感器的研究领域，主要包括标记型和免标记型。
标记型，顾名思义就是要对被探测的物体进行标记，然后通过相应的设备去检测标记物，继而得到被探测物体的相关信息。
免标记型就是直接通过检测光信号的变化而得到相应的信息，不需要对被探测物体标记，省去了很大的麻烦，使用起来更加方便简洁。
我们所要讨论的微环结构的生物传感器就是免标记型的。
光学微环谐振腔基于微米尺度，集成度可以很高，在信号的传递过程中速度很快，因此其应用围极广，除了生物传感，还包括滤波，调制器等方面，本文主要分析在生物传感器上的应用，相信随着技术的发展，这方面的研究将会取得更大的成果。
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输出信道中输出，从而实现了解复用功能。
105 什么是 MRR 的自由光谱区（FSR）？其表达式为 FSR = λnc mn g
试阐述其与相关参量的关系。 MRR输出光谱中两个相邻的谐振峰之间的波长差称为自由光谱区（FSR），上式说
4
明，真空中光波长λ越大，或模有效折射率nc越大，或谐振级数m越小，或群折射率ng越 小，FSR就越大。
κ1 = κ2 ，下信道谐振波长的输出光功率可以达到 100％。当二者不等时，即 κ1 ≠ κ2 ，下
信道谐振波长的输出光功率小于 100％，这相当于产生一个附加损耗，二者相差越大， 这一附加损耗越大，同时谐振峰变得越宽，非谐振波长的输出光功率变得越大，器件的 滤波性能变得越差。因此为了消除这一附加损耗，使下信道谐振波长的输出光功率最大 并使非谐振波长的输出光功率变小，应选择微环与两条信道间具有相同的振幅耦合比 率。由图(b)可见，在有损耗情况下，下信道中心波长的输出光功率不可能达到 100％。 振幅耦合比率 κ 越大，谐振峰变得越宽，非谐振波长的输出光功率就变得越大，器件的 滤波性能就越差，因此谐振峰不能过宽。但是谐振峰也不能过窄，否则器件因材料、工 艺和温度变化等原因引起谐振峰产生漂移时，器件将不能很好地滤波。一般情况下振幅 耦合比率 κ 可在 0.1~0.2 的范围内选取。
ΔR
=
∂R ∂m
Δm
+
∂R ∂λ
Δλ
=
1 2πnc
⎜⎜⎝⎛ λΔm
+
mn g nc
Δλ ⎟⎟⎠⎞
式中 ΔR 为相邻微环半径差， Δm 为相邻微环谐振级数差，Δλ为波长间隔，试对其进行
适当的讨论。
在微环谐振波分复用器中，两个相邻微环之间的半径之差称为相邻微环半径差。上
式说明，ΔR 与Δm 或Δλ呈线性关系，即当微环谐振级数每改变Δm、同时信号光的谐振 波长每改变Δλ时，则要求微环的谐振半径改变ΔR，即等间隔波长的信号光从输入信道 输入后，将分别耦合进入具有等间隔半径的不同微环中发生谐振，然后耦合进入相应的
98. 简述微环谐振器的基本结构。 微环谐振器分为滤波器和波分复用器两种基本结构，最简单的结构为单环谐振器，
是由一个微环波导和两条信道波导构成，如图(a)、(b)所示，微环可以具有圆形、跑道形、
1
圆滑方形等形状，其他结构复杂的 MRR 阵列是由多个单环组合而成。依据两信道的位 置，可分为平行信道和交叉信道两种结构；依据信道和微环的位置，又可分为侧向耦合 和竖直耦合两种情况。侧向耦合时，信道和微环处于同一平面内，二者之间存在一宽度 为 d 的中心耦合间距；竖直耦合时，微环在信道之上，二者之间存在一厚度为 d 的耦合 层。图(a) 显示了侧向耦合时平行信道单环 MRR 滤波器的结构，而图(b)显示了竖直耦 合时交叉信道单环 MRR 滤波器的结构，而图(c)则显示了竖直耦合交叉信道单环 MRR 波分复用器的基本结构。
第 3 章 微环谐振器
95. 简述微环谐振器的优点及其应用。 近年来，微环谐振器(Micro-Ring Resonator，MRR)已引起国内外研究者的高度重视
和极大兴趣，成为热点研究课题。MRR 成本低、结构紧凑、集成度高、插入损耗小、 串扰低。由于 MRR 的谐振不需要腔面或光栅来提供光反馈，因此十分有利于与其他光 电子元器件的单片集成。不同半径的微环进行串联，可以有效地增大自由光谱区(FSR)， 从而可以有效地增大信道数量。多个微环进行串联和并联，可以形成近于方形的谐振光 谱，使得光谱响应变得十分平坦。由于具有这些优点，因而这种 MRR 阵列可以成为密 集型波分复用的理想器件，在光信号处理、滤波、波分复用、解复用、路由、波长变换、 调制、开关、激光等方面都具有广泛的应用。
变化曲线
图中可见，振幅耦合比率κCR、κRR随中心耦合间距d的增大而减小。信道与微环间、 微环与微环间的中心耦合间距d不能取得过大，否则振幅耦合比率κCR、κRR将会过小，但 中心耦合间距d也不能取得过小，否则将会给器件的工艺制作带来很大的困难。一般情
况下，信道与微环间的振幅耦合比率κCR 可在 0.1~0.2 范围内取值，微环与微环间的振 幅耦合比率κ RR 可在 0.03~0.04 范围内取值，此时中心耦合间距d的取值可处于工艺允许
对于 FSR = NΔλ 的器件，波长为λi和λi+N (λi+N = λi + FSR = λi + NΔλ )的信号光将
从同一端口输出，这种性质称为周期性。
101. 简述微环谐振条件并给出微环谐振方程。 光在微环中传输时，只有那些绕微环传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍的
光才能产生谐振而加强，即满足下述的微环谐振方程
的 MRR 阵列都是由多个微环组合而成。 单环 MRR 有两个基本缺点，一是其光谱响应不平坦，呈上凸形的洛伦兹分布，当
器件因工艺误差或因温度变化而引起光谱漂移时，器件不能正常地工作；二是其光谱中 的非谐振光较强，这使得单环 MRR 的串扰较大。
为了克服单环 MRR 上述两个缺点，可以把多个微环并联或串联起来形成 MRR 阵 列，适当选择结构参量，即可获得十分平坦的“箱形”(box-like)光谱响应，又可有效地 降低光谱中非谐振光的强度，进而有效地减小器件的串扰。
2
100. 简述微环谐振器的基本功能。 MRR 滤波器只具有滤波功能，而 MRR 波分复用器可具有解复用、复用和周期性三
种基本功能。 (1) MRR 滤波器 含有不同波长的复信号光从上信道输入端口输入并耦合进入微环后，其中只有某一
特定波长的光能满足谐振条件而在微环中引起谐振，耦合进入下信道或竖直信道的光以 这一谐振波长的输出光强为最大，从而完成了滤波功能。
S 1
a' 1
L
a b 10 11
L
b' 1
A
κ 1
B' 8
B
a 2
b 26
R
4
b 3
a 32
D
D'
κ 2
0
b' 4
L b a L 0
2
4
6
8 10
44
S 2
(108 题图) 平行信道单环 MRR 滤波器的结构图
平行信道单环MRR滤波器是由两条平行信道和一个微环构成，图中R为微环半径；
5
L为信道端口到耦合点的距离；2L为每条信道的长度；κ1 为微环与上信道间的振幅耦合 比率； κ 2 为微环与下信道间的振幅耦合比率；ai、bi分别为截面S1、S2处光的输入和输
96. 简述微环谐振器的种类及所用的材料。 当前国际上在MRR滤波器方面已做了大量的理论和实验工作，已有大量的报道，包
括单环、并联多环、串联多环、并联串联多环等多种MRR阵列结构，所用的材料有Si/SiO2、 Ta2O5/SiO2、GaAs/AlGaAs、GaInAsP/InP、聚合物等材料。
97. 简述单环谐振器的优缺点，并阐述克服单环 MRR 缺点的方法。 单环 MRR 的优点是结构最为简单，而且是 MRR 阵列的基本结构，其他结构复杂
112. 单环MRR滤波器的下信道的输出光谱TD和FSR如图所示，试对其加以适当的讨论。
0 FSR
-10
T /dB D
-20 0.3
-30 0.2
-40 -50
1520
1530
1540
1550 λ /nm
2πRnc = mλ
或者说，只有那些绕微环传输一周时所产生的相位差为 2π 的整数倍的光才能产生谐振 而加强，此时的微环谐振方程为
2πRβ = 2πm
式中，R为微环的谐振半径，nc为微环波导中模有效折射率，β为模传播常数，λ为真空
3
中光波长，m为谐振级数，取正整数。
102. 什么是微环谐振半径？其表达式为
微环时要发生相互耦合，其结果使上信道输入的部分光功率不断地耦合进入微环中，同 时微环中的部分光功率也要不断地耦合进入上信道中，并由上信道的右端口输出；耦合 进入微环中的光在微环中不停地旋转而发生谐振，并在邻近下信道时也要发生相互耦 合，其结果使微环中的部分光功率不断地耦合进入下信道中，并由下信道的左端口输出。
的范围之内。
111. 单环MRR滤波器中，振幅耦合比率 κ1 、κ2 对下信道谐振波长附近的输出光谱TD的
影响如图所示，试对其加以适当的讨论。
0
0
T /dB D
T /dB D
-8
-8
0.3
-16 -24 -32 1549.0
1549.5
κ =0.1 1
1550.0 λ /nm
0.3 0.2 κ =0.1
2
1550.5
1551.0
-16 -24 -32 1549.0
1549.5
1550.0 λ /nm
0.2
κ =κ =0.1 12
1550.5
1551.0
(a) 非损耗情况
(b) 有损耗情况
(111 题图) 振幅耦合比率 κ1 、 κ2 对下信道输出光谱TD的影响
7
由图(a)可见，在非损耗情况下，当微环与上、下信道间的振幅耦合比率相等时，即
出振幅。
109. 单环 MRR 滤波器中，微环谐振半径 R 和 FSR 随谐振级数 m 的变化曲线如图所示， 试说明谐振级数 m 的选择方法。
180
103
R
120
102
R /μm FSR/nm
60
101
FSR
0
100
0
200
400
600
800
1000
m
(109 题图) 微环谐振半径 R 和 FSR 随谐振级数 m 的变化曲线
(2) MRR 波分复用器 (a) 解复用 含有不同波长的复信号光从上信道输入端口输入并耦合进入不同半径的微环后，每 个微环中只有一个波长的光能满足谐振条件而引起谐振，不同半径的微环中谐振光的波 长也互不相同，因而耦合进入不同的竖直信道后具有最大输出光强的光的波长也互不相 同，从而完成了解复用功能。 (b) 复用 反之，从不同的竖直信道端口输入不同波长的信号光耦合进入不同半径的微环谐振 后，再耦合进入上信道后的输出光为这些波长的复合光，从而完成了复用功能。 (c) 周期性