光学微环谐振腔的研究与应用
光学谐振腔的三个作用
光学谐振腔的三个作用光学谐振腔是一种可以将光子反复反射的装置，通常由两个反射镜和介质组成。
它在激光技术、量子光学、量子信息等领域发挥着重要作用。
本文将分别介绍光学谐振腔的三个作用。
一、激发激光激光是一种高度聚焦的单色波，其能量密度高，具有较强的穿透力和照射力。
激光技术已广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
而激发激光的关键就是通过外界能量输入来使原子或分子处于受激辐射状态。
在实际应用中，通常使用氦氖激光器或二极管激光器等设备来产生初级的激发辐射。
但这些设备产生的辐射能量很小，在进一步放大之前需要经过多次增强才能达到足够强度。
而这就需要利用到了谐振腔。
当初级辐射进入谐振腔后，会在两个反射镜之间不断地反复反射，形成一个光学腔。
在经过多次反射之后，光子的能量逐渐增强，最终达到足够强度。
此时，谐振腔会将光子释放出来，形成一束激光。
二、制备量子态量子态是指微观粒子的状态，具有非常特殊的性质。
例如，两个粒子之间可以存在纠缠关系，在某些情况下它们的状态可以同时发生变化。
这种特殊性质被广泛应用于量子通信、量子计算等领域。
而制备量子态需要使用到激光冷却技术。
该技术通过将原子或分子中的动能转化为较低频率的辐射能来降低其温度。
当物质达到足够低的温度时，它们就可以处于凝聚态（如玻色-爱因斯坦凝聚）或者受限态（如单原子束）。
在制备量子态时，谐振腔可以起到非常重要的作用。
首先，在谐振腔内部可以产生非常高强度、高稳定性的激光场，并且这个场具有很好的空间和时间分辨率。
这使得我们可以通过激光场来控制物质的运动状态，从而实现精确的量子态制备。
另外，谐振腔还可以将激光场与物质之间的作用时间延长到数秒甚至更长时间。
这使得我们可以在更长的时间内控制物质的运动状态，从而进一步提高量子态制备的精度和效率。
三、量子光学研究量子光学是研究光与物质相互作用时涉及到量子效应的领域。
它主要关注于单个光子、单个原子或分子等微观粒子之间的相互作用。
量子光学已经成为了理论物理、实验物理和应用物理等领域中一个重要的分支。
光学微腔特性研究及其应用
光学微腔概述
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电 常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回 振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中， 它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。
(2 n2eff 2 / c2 ) 0
式中 2 c / ， 是谐振模式在真空中的波长 ， 是真空中的光传播速度 neff 是回音壁模式的有效折射率。在二维的情况下，我们不考虑垂直方向的 电磁波，在柱坐标下Helmholtz方程可以写为：
c
(2r , n2eff 2 / c2 ) (r, ) 0
腔量子电动力学
自1916 年爱因斯坦首次提出自发辐射概念后，很长一段时间内，人们都认为 自发辐射是原子的固有性质，不可改变。实际上，自发辐射是原子与真空电磁量 子涨落的相互作用过程。当原子处于尺度在波长量级的微腔中，由于腔内真空的 量子起伏受到腔体边界条件的制约，原子的自发辐射特性发生改变。腔量子电动 力学就是要研究微腔中原子与光场的量子相互作用过程，对量子光学的发展具有 十分重要的意义。当原子体系与腔内电磁场相互作用处于弱耦合状态下时，谐振 腔内的自发辐射会产生增强或抑制等效应。当两者处于强耦合状态下时，此时系 统处在非经典的状态下，在这种状态下出现了单原子激光、光子阻塞、真空Rabi 劈裂以及Rabi 振荡等一系列量子现象。基于这些现象，新型灵敏光电子器件、纠 缠操控以及可控单光子源都得到了快速发展。
谢谢！
2 M M 1 2 neff R
如果用 Reff 表示模式的有效半径，则有：
2 2 nReff
回音壁式微腔（WG型微腔）
新一代光子器件博士生研究光学谐振腔的设计方法
新一代光子器件博士生研究光学谐振腔的设计方法光学谐振腔，作为光子器件中重要的元件之一，在光学通信、传感器、激光器等领域起着不可或缺的作用。
对于光学谐振腔的设计方法的研究，对于优化器件性能、提高器件效率具有重要意义。
本文将介绍一种新一代光子器件博士生研究光学谐振腔的设计方法，并探讨其在光学器件领域的应用。
1. 引言光学谐振腔是一种能够在光学波长范围内产生共振现象的结构，它可以将光子与谐振腔中的光模式相互耦合，实现光子能量的存储与增强。
2. 光学谐振腔的基本原理光学谐振腔的基本原理是基于光在谐振腔中的来回反射，形成驻波共振的效应。
谐振腔的设计方法主要包括谐振腔结构设计、材料选择、模式耦合和谐振腔品质因子等方面。
3. 谐振腔结构设计方法谐振腔的结构设计是光学器件中最关键的一步，直接影响器件的性能。
研究人员可以通过理论分析、数值模拟以及实验验证等方式来设计谐振腔结构。
常见的谐振腔结构包括Fabry-Perot腔、微球腔、光纤腔等，不同结构适用于不同的应用场景。
4. 材料选择光学谐振腔的材料选择也是设计过程中需要考虑的重要因素之一。
材料的选择应基于谐振腔的工作波长范围、透过率、损耗等因素，以及器件的制备工艺、可靠性等方面综合考虑。
常用的材料有硅、氮化硅、氮化铟等。
5. 模式耦合方法光学谐振腔中的光模式与外界耦合是实现谐振效应的关键之一。
模式耦合方法可以通过调整光学距离、改变谐振腔的入射/出射耦合方式等来实现。
常用的方法有布拉格光栅、反射镜等。
6. 谐振腔品质因子的提高光学谐振腔的品质因子Q是衡量谐振腔性能的重要指标，指的是谐振腔中的能量衰减速率与能量储存速率的比值。
提高谐振腔的品质因子可以减小能量损耗，提高谐振腔的效率。
常见的提高品质因子的方法有表面精加工、降低材料损耗等方式。
7. 应用前景新一代光子器件博士生在光学谐振腔的设计方法研究中所取得的进展，将为光学通信、光传感器、激光器等领域的发展提供重要支持。
环形光学谐振腔
环形光学谐振腔环形光学谐振腔是一种可用于实现非线性光学效应的重要器件。
它允许光在环形光路中多次反射，并在中间介质和介质之间来回传播。
这种腔体可以增加光的光程长度，从而增强非线性效应。
本文将介绍环形光学谐振腔的基本原理、应用、制备和优化方法。
1.基本原理环形光学谐振腔是由一段光纤弯曲成圆环形状制成的，两个端面上包含高反射率和低反射率衬底的半反射镜。
当光从光纤传到环形腔中，它将多次自我匹配，形成一个纵向模式。
该谐振腔的光学腔长与波长比是整数倍。
因此，当光线在腔中传播时，它将被放大和稳定，从而导致许多有趣的非线性光学效应。
2.应用环形光学谐振腔广泛应用于光学传感器、光频梳、量子计算等领域。
例如，在光学传感器中，通过改变腔长来改变环形光学谐振腔周围介质的折射率可以确定环境中的折射率，从而实现对气体、液体或固体的检测。
此外，该谐振腔还可以用于测量非线性光学介质中的精细结构、制备光量子态、增强非线性光学效应和产生新颖的非线性光学现象。
3.制备在制备环形光学谐振腔时，首先要从一个通常为光纤的单模光纤制备出间断环的光纤构架。
为了使制备的环形光学谐振腔具有足够的机械强度和耐用性，通常先要在光纤弯曲区域施加一层保护套管。
接下来，使用微切割器和腐蚀剂在光纤的表面上制作微小凸台和凹槽。
最后，通过双面刻蚀技术在光纤末端制作半反射镜，将其形成环形光学谐振腔。
这种方法可以制备出Miniaturized和高度集成的环形光学谐振腔，具有较高的革新性和灵活性。
4.优化方法为了优化环形光学谐振腔的性能，一些非常有效的方法已经被提出。
其中的一个方法是通过使用二分频技术和最佳化二分频晶体的尺寸来增加谐振腔的带宽，从而使它更适用于广域非线性效应。
另一个优化方法包括使用波导耦合全反射和自动相位控制系统来优化谐振腔的耦合和微调。
此外，通过使用具有较高对称性的环形光学谐振腔，也可以优化非线性光学效应的表现，这是因为具有足够高的对称性可以减少过渡辐射流，从而增强非线性光学过程发生的可能性。
光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究
光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究光子晶体是一种具有周期性介质结构的材料，能够控制光线的传播。
在光子晶体中，电磁波受到特定的布拉格条件限制，只能在禁带内传播，形成光子带隙。
由于光子晶体的这种结构特性，可用于制造微型光学器件。
其中，光子晶体光振子谐振腔微腔是应用最广泛的一种微型光学器件，用于实现高品质因子(也称Q值)谐振，提高微型激光器、激光器阵列、光电探测器等器件的性能。
本文旨在探讨光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原理及其应用研究。
一、光子晶体光振子谐振腔微腔的结构光子晶体光振子谐振腔微腔由两个周期性介质结构构成：一个是光子晶体光振子谐振腔，另一个是微腔。
光子晶体光振子谐振腔是周期性分布的光介质结构，微腔是介质中一个局部区域，形状可以是球形、柱形、板形等。
光子晶体光振子谐振腔是一种周期性介质结构，由周期性排列的材料构成，通过这种结构来控制光线的传播。
由于光子晶体的布拉格衍射效应，只有能量与光子晶体中布拉格平面频率匹配的光子才能穿过晶体。
因此，利用光子晶体，可以制作出高品质因子的光学器件，如微型激光器、激光器阵列、光电探测器等。
光子晶体光振子谐振腔通常用于实现高品质因子的谐振，从而提高其在各种器件中的性能。
二、光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原理光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原则是选择合适的介质和结构参数，使得器件具有高品质因子、窄带宽和高透过率等特性。
为了实现这些特性，一般采用以下的设计原理：(1) 选择合适的晶体结构和周期：光子晶体中各晶体结构和周期的选择对光子晶体内的光子带隙宽度和位置具有重要影响。
在光子晶体中，只有能量在光子带隙范围内的光子可以被传播，因此，为了使谐振腔能够工作在谐振状态下，光子带隙的位置和宽度需要与器件中光的频率匹配。
(2) 调节微腔的几何形状和尺寸：微腔的几何形状和尺寸对其品质因子、谐振峰宽度和透射谱有重要影响。
例如，在球形微腔中，当等效半径小于光波长的一半时，微腔处于不连续模。
光学微腔特性研究及其应用_图文_图文
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电 常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回 振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中， 它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。
(r, )
0
上式中的变量 r, 是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：
r2
d2 dr 2
R(r)
r
d dr
R(r)(k2r2 源自N2 ) R(r)
0
d2 d 2
( )
M
2(
)
0
k neff / c
(r, ) AM ,N JM ,N (rneff / c) eiM
光学微腔分类
依据工作介质不同
1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激
励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射
2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本 征光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开 关、或者传感器等。
解回音壁模式。如图所示，光线从A点沿微腔边缘传播，入射角为 。由于旋转
对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会 回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模 式就称为回音壁模式。
回音壁式微腔（WG型微腔）
理论分析
无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折 射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘 的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两 者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：
光学谐振腔的三个作用
光学谐振腔的三个作用引言光学谐振腔是一种光学设备，广泛应用于光学通信、激光器、量子光学等领域。
它通过反射和干涉的原理，显著地改变光的传播性质。
光学谐振腔具有三个主要作用，本文将详细探讨这三个作用以及其在不同应用领域中的意义和应用。
一、增强光与物质相互作用光学谐振腔可将光与物质的相互作用增强到极高的程度，这是其最重要的作用之一。
通过将光反复来回反射在腔内，光场与物质之间的相互作用长度可以被增加数倍甚至数百倍，大大提高了光与物质的相互作用强度。
1. 提高光吸收率光在材料中的吸收与材料本身的吸收率相关，光学谐振腔可以将光场多次反射回材料中，从而增加光在物质中的传播距离，提高光的吸收率。
这对于敏感的光学测量或光催化反应等方面尤为重要。
2. 增强非线性光学效应光学谐振腔还可以增强物质中的非线性效应，如二次谐波和三次谐波产生。
非线性效应通常具有很小的效应，需要高强度的光场才能观察到。
光学谐振腔提供了一种有效的方式来增强非线性光学效应，使其易于观察和应用。
3. 增加光与物质的耦合效率光学谐振腔可以通过调整腔内的模式和腔内介质的折射率，提高光与物质之间的耦合效率。
这对于一些需要高效能量传输或高灵敏度测量的应用非常重要。
二、选择性光谱滤波光学谐振腔具有高品质因子（Q-factor），可以选择性地过滤出特定频率的光。
这个作用在光通信和光传感领域中具有重要意义。
1. 光通信中的应用光学谐振腔可以用作光通信中的滤波器，通过选择性地传输或反射特定频率的光，实现光信号的调制和解调。
这样可以增强光信号的传输效率和抗干扰能力。
2. 光传感中的应用光学谐振腔可以选择性地增强某些特定波长的光信号，从而提高传感器的响应灵敏度。
例如，在光纤传感中，通过将光传输到光学谐振腔中，可以增强传感器对目标物理量的响应信号。
3. 光谱分析中的应用光学谐振腔提供了一种高分辨率的光谱分析技术。
通过调整光学谐振腔的结构参数，可以实现对特定波长的高精度光谱分析。
光波导微环谐振器设计与应用研究
光波导微环谐振器设计与应用研究随着信息技术的不断发展，光纤通信日益成为现代社会中不可或缺的一部分。
光学微结构器件是光通信中的重要组成部分，因其占用空间小、传输功率高、过渡带宽宽等优点，成为光学通信中一个热门的研究领域。
光波导微环谐振器是一种非常重要的光学微结构器件，其具有很好的波导光学性能和微环谐振等特点，在分光、激光调制、微波调制和信噪比提高等方面得到了广泛应用。
本文将重点探讨光波导微环谐振器的设计和应用研究。
一、光波导微环谐振器的设计光波导微环谐振器的设计主要包括微环直径大小和波导距离两个方面。
微环直径大小的选择对谐振器的效果有很大的影响。
当微环直径小于谐振器需要的谐振波长时，将产生光泄漏现象，导致光强信号衰减。
反之，当微环直径大于谐振器需要的谐振波长时，光将被反射回来，使谐振器的性能不佳。
波导距离也是光波导微环谐振器的一个重要设计参数。
当谐振器长度太短时，光将无法停留在微环内进行谐振，而当谐振器长度太长时，光将形成多个谐振点，影响谐振器的性能。
通过对微环和波导距离的设计、优化和控制，可以使谐振器具有较高的品质因数和较窄的谐振波长范围，从而为光学微结构器件的应用提供了更好的性能。
二、光波导微环谐振器的应用1. 分光和复用器光波导微环谐振器可用于分光复用器中，实现光波长的分离和复用。
分光复用器是一种将多个频道的光信号分别传输到不同的光纤传输线上，并且在随后的传输过程中相互独立的光学通信器件。
通过在谐振器中选择不同的谐振波长，即可实现多路光信号的分离和复用。
谐振器对谐振波长的选择可以通过微环半径和波导距离大小来实现，从而实现分光复用的功能。
2. 光电探测器光波导微环谐振器还可以应用于光电探测器中。
在光电探测器中，微环谐振器将光定向到光电探测器接收器中，从而提高光电探测器的灵敏度和响应速度。
3. 光纤传感器光波导微环谐振器还可应用于光纤传感器中。
在光纤传感器中，谐振器将包括温度、气体、湿度等各种参数的光信号传输到光纤传感器中，从而实现传感器的功能。
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 future all-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 reflection 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。
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。
光学谐振腔中光与物质的相互作用研究
光学谐振腔中光与物质的相互作用研究光学谐振腔是基于光的共振现象构成的一种光学结构，它可以有效地将特定波长的光线在腔内进行多次反射，从而提高光与物质的相互作用效率。
这种光与物质的交互作用在原子光谱学、光量子计算、宽带能量转移和光学信号处理等方面有着广泛的应用。
一、光学谐振腔的基本原理光学谐振腔由两个平面反射镜或两个曲面反射镜构成，它们之间存在的空间就是腔体，腔体内的光线可以反复地在反射镜之间来回反射，形成特定频率的谐振模式。
通过控制反射镜之间的距离和反射镜的反射率，可以使光在腔内进行能量存储和传输，从而提高光与物质的相互作用效率。
二、光学谐振腔中的光与物质相互作用光学谐振腔中的光与物质相互作用有三种主要形式：吸收、放射和散射。
吸收是指光被物质吸收并转换成其他形式的能量；放射是指物质被激发后向外辐射光的过程；散射则是指光在物质中传播时受到微观结构的影响而发生的方向变化。
在光学谐振腔中，由于光的频率和谐振模式的特定频率一致，因此可以有效地增强光与物质之间的相互作用。
例如，在光谐振腔中，原子与光之间的相互作用可以通过谐振模式的场增强系数被显著增强。
这种相互作用被称为Purcell效应，它可用于增强原子的荧光信号和激发态的寿命。
三、光学谐振腔在量子计算中的应用光学谐振腔在量子计算中有着重要的作用。
由于光子是一种可以在空间中自由传播的量子状态，所以光学谐振腔可以用于存储和传输光子之间的量子信息。
在光学谐振腔中，通过精确控制光场的相位和振幅，可以实现光子态之间的干涉和耦合效应，从而实现光子态的量子操纵和量子计算。
四、光学谐振腔在传感与检测中的应用光学谐振腔还可以应用于传感与检测领域。
例如，光学谐振腔中可以通过导入具有特定吸光度的物质来实现光学吸收检测。
当发生光学吸收时，光强将随着时间的推移而减弱，这种变化可以用于检测物质浓度的变化。
光学谐振腔的多次反射可以使样品与光之间的相互作用距离增加，从而提高检测的灵敏度和准确度。
光学谐振腔的作用
光学谐振腔的作用
光学谐振腔是一种用于调制、控制、或增强光束的光学元件，是量子光学中重要的组成部分。
它可以利用谐振腔内的共振条件来控制光束中量子叠加效应，从而改善光学性能。
近年来，随着光学技术的发展，光学谐振腔的作用也越来越受到重视。
光学谐振腔是一种以特定波长的光场为腔室的拥有反射镜的控
制系统，它的内部形成一个封闭的空间，里面充满以特定波长的光场。
当光被注入到这个封闭空间时，此光场将共振起来，形成一个稳定的共振状态，允许光束的增强和衰减，以及它们在空间中的折射、反射，衍射，以及其他光学效应。
因此，通过改变光学谐振腔内的参数，可以改善系统光学性能。
光学谐振腔有很多用途。
它可以用于控制、增强、衰减光束。
它也可以用于激发量子态并且可以用来压缩激励激光脉冲，从而提高激励激光脉冲的能量密度，这非常有助于量子技术的发展。
此外，光学谐振腔也可以用来改善光纤通信系统的效率，可以用来改变光的波长，从而可以调制光信号，这对于光缆传输系统是非常有帮助的。
此外，光学谐振腔还可以用于检测和传感，其原理是将光与特定物质结合起来，从而检测到特定物质的含量，这样就可以测量出影响光学谐振腔的效果的物质的浓度。
在物理技术领域，光学谐振腔也可以用于检测静电场的强度，从而用于检测物体的位置或物体的状态。
光学谐振腔的作用极为重要，它已经成为量子光学中不可或缺的一部分，并在光纤通信、量子技术、传感等领域有着重要的应用。
它
也可以用于控制、增强或衰减光束，从而改善光学性能，这些都将为我们带来更多的科学和社会应用。
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 future all-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 mcroringresonator, 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。
光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究
光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究光子晶体光振子谐振腔微腔是在光子晶体中构建的微尺度的谐振腔结构，它能够将光子振荡在腔内进行反复增幅，具有高品质因子和小模式体积的特点。
因此，光子晶体光振子谐振腔微腔被广泛应用于光子学领域的多个研究方向。
首先，光子晶体光振子谐振腔微腔在光子学传感中具有重要作用。
由于光子晶体光振子谐振腔微腔的高品质因子和小模式体积，它可以增强光与物质相互作用的强度，提高传感器的灵敏度。
例如，可以在微腔中加入感应层以实现化学气体传感器的制造。
当感应层中的物质与待测气体相互作用时，光子晶体光振子谐振腔微波的传输特性将发生变化，通过测量输入和输出的光功率变化，可以在微腔中实现高灵敏度的气体检测。
其次，光子晶体光振子谐振腔微腔在光子器件中有广泛应用。
谐振腔是光子振荡器件的重要组成部分，可以用于实现光学逻辑门、光电二极管、光放大器等器件。
通过调整光子晶体光振子谐振腔微腔的结构参数，可以调控光的共振频率和频谱响应，从而实现对光的频率转换、选择性放大等功能。
此外，利用光子晶体光振子谐振腔微腔的非线性效应，还可以用于实现光学非线性器件，如光学倍频器、光学调制器等。
通过将光子晶体光振子谐振腔微腔与其他光学元件结合，可以实现高效率的光学器件，拓展光子学应用的新可能性。
最后，光子晶体光振子谐振腔微腔还在量子光学研究中发挥重要作用。
量子光学是利用光与物质相互作用的量子效应进行研究的领域，其中包括量子纠缠、量子隐形传态等。
光子晶体光振子谐振腔微腔通过增强光与物质的相互作用，可以有效地实现光与离子、原子等量子系统的相互耦合。
这种强耦合状态可以在光子晶体光振子谐振腔微腔中实现，被用于实现量子态的生成和操控。
因此，光子晶体光振子谐振腔微腔在量子光学领域的研究中具有很大潜力。
总之，光子晶体光振子谐振腔微腔是一种具有高品质因子和小模式体积的微尺度谐振腔结构，它在光子学领域的传感、器件和量子光学研究中具有重要作用。
光学微腔特性研究及其应用
对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会 回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模 式就称为回音壁模式。
回音壁式微腔（WG型微腔）
理论分析
无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折 射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘 的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两 者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：
光学微腔分类
3.回音壁式微腔（WG式微腔）
光波在腔内沿环形回路形成谐振，并通过腔内高折射率介质与外部低折射率介质 所构成的全反射界面来形成对光的强限制。按腔的形状，WG型腔可分为环形腔 和多边形腔，其中环形腔包括微球、微盘、微环、微柱等；多边形腔则包括三角 形、四边形、甚至六边形腔。通过圆形微腔，我们可以用全反射理论很容易地理
谢谢！
光学微腔分类
依据腔体对光场的不同限制机理
1.法布里波罗型微腔（FP型微腔）
其有源区多为量子阱材料，有源区上下两边分别由具有极高反射率的反射镜组成 ，光在两个反射镜中反射形成谐振。FP型微腔的反射镜多为分布布拉格反射 (Distributed Bragger Reflector, DBR)。对于FP微腔,由于其腔长短,单程增益 小，因此只有FP腔镜面具有很高的反射率时才能形成高品质因子腔。 对于半导体材料来说，由于各层材料之间的折射率相差较小，单层DBR的反射率 较低，一般需要精密生长二十对左右的DDB才能达到99%以上的镜面有效反射率。 而且，由于FP型微腔激光器的出光方向垂直于表面，非常适合于制作高密度的二 维激光器阵列。其中，具有代表性的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器 (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)。
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Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for Master DegreeRESEARCH & APPLICATIONS OF OPTICALMICRORING RESONATORSAuthor:Xiaohui LiSpecialty: Communication and Information SystemAdvisor: Prof. Su YikaiSchool of Electronics and Electric EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai, P.R.ChinaDecember, 2009光学微环谐振腔的研究与应用摘要目前信息与通信技术正以前所未有的速度发展，根据摩尔定律的预测，大约每18个月处理器的速度和内存的大小就会翻倍，而且这个速度还将持续十年。
如果光学能够在信息与通信领域发挥重大的作用，无疑它将以飞快的速度发展。
全光信号处理技术，由于不需要进行光－电－光转换，逐渐成为全光网络系统中前景广阔的领域之一。
对于全光网络设想的实现更需要一些体积更小, 结构简单, 性能较稳定的光学器件。
光学谐振腔是一个重要的光学器件, 它在光通讯器件、光纤传感等领域里得到了广泛的应用, 同时也是激光器的重要组成部分。
所以具有高集成度的微纳米光学谐振腔器件必将成为一个研究的热点。
本文首先介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。
然后我们分析了用光子器件的有限差分时域（FDTD）仿真法设计光学谐振腔的方法。
最后我们研究了两种不同材料的微纳米光学谐振腔的设计，制备和应用：1.基于绝缘体上硅波导的微纳米环形谐振腔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–semiconductorCOMS)工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。
光学谐振腔在微纳量子系统中的应用
光学谐振腔在微纳量子系统中的应用光学谐振腔是一种常用的光学器件，其主要作用是储存光子并增强光与物质相互作用的效率。
由于其极高的品质因子和灵活性，光学谐振腔被广泛应用于微纳量子系统领域，如光子学、量子计算、量子通信等。
一、光学谐振腔的基本原理和特点光学谐振腔采用反射式结构，即将一定长度的光路限制在一个封闭的空腔内，通过在空腔内产生反射与干涉，实现了光场的增强。
谐振腔的核心参数是品质因子（Q因子），它是谐振腔内自然能量衰减的速度与腔内能量总量的比值。
Q值越高，意味着能量在谐振腔内的滞留时间越长，能够在微观尺度下实现单光子相互作用。
二、光学谐振腔在光子学和量子计算中的应用在光子学中，光子在谐振腔中的弛豫时间常数与其发射频谱密切相关，用于光谱学分析、测量其它光学参数，如色散、非线性光学等。
在量子计算中，创造一个长精度干涉区域的微型谐振腔可以使单个光子在量子逻辑门之间传输，达成一定的量子计算目标。
三、光学谐振腔在量子通信和光学传感中的应用在量子通信中，光学谐振腔是量子隐形传态和量子密码通信实现的重要器件。
谐振腔可以使光子间直接相互作用，实现量子比特之间的交互，进而实现量子纠缠操作。
此外，谐振腔还可以通过调制耦合滞留在变换后的模式中的信号，构建旁路粒子干涉（PBSI）方案，用于在光学量子计算中进行量子纠错。
在光学传感方面，光学谐振腔可以测量光子的微小位移和振动，在微米级别内提供高灵敏度和高解析度的测量。
通过吸附在表面的分子的振动频率产生位移，根据谐振腔的输出信号反馈调整，实现进一步的微量探测。
四、结语光学谐振腔在微纳量子系统中具有很强的应用价值，其高品质因子和灵活性使其适用于多种场景下。
未来，我们可以进一步利用其特性作为开发新光学元件、量子传感、量子计算的基础，推动微观尺度下量子信息的完美融合。
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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（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 future all-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 mcroringresonator, 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。
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1960 年美国科学家梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器[1]，2009 年的诺贝尔物理学获得者高琨(Charles K.Kao)和他的同事霍克曼(G.A.Hckman) 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。
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：1122sin sin n n θθ= （1.1）12,n n 分别为介质的折射率，12,θθ分别为入射角和折射角。
当光由光密介质（折射率1n 比较大的介质）射入光疏介质（折射率2n 比较小的介质）时（比如由水入射到空气中），如果入射角1θ等于某一个角c θ时，折射光线会沿折射界面的切线进行，即折射角2θ=90。
,此时会有sin 2θ=1,则可推得sin c θ= sin 1θ= n 2/n 1。
但如果入射角1θ大于这一个值c θ时，入射角的正弦sin 1θ> n 2/n 1，会推得sin 2θ>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 θ叫做临界角，它的值取决于两种介质的折射率的比值，即c θ =sin -1( n 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 θ等于sin -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n1，是光波传播的通道，下面一层称为衬底，折射率为n2，上面一层称覆盖层，折射率n3。
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n1大于n2和n3，一般设定n1＞n2＞n3。
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。
光线可分为两种，满足全反射条件的光线，始终被束缚在芯层内，称为束缚光线或导波光线，未满足全反射条件的光线称为折射光线或辐射光线，这种光线可穿过界面进入衬底或覆盖层。
3. 微谐振腔的工作原理20世纪60年代，集成光学这一新学科的诞生引起全世界物理学、化学和材料科学等领域科学家的极大关注生从此掀起了研究集成光学的热潮。
目前，集成光学元件以其体积小、结构紧凑坚固、抗干扰能力强、稳定可靠、寿命长等优点， 在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。
光波导是集成 光学重要的基础性部件，具有下包层、芯层和上包层的基本结构，其芯层折射率 高于下包层和上包层的折射率，这样便可以将光波束缚在光波长量级尺寸的芯层 介质中传输。
3.1 微环谐振腔的基本原理由光波导组成的环形波导谐振腔最早由 MareatillE.A.J 于1969年提出[5]，其是通过波导定向耦合器将环形波导与输入输出波导连接而成，如图3-1所示。
设环形波导谐振腔的谐振频率为2f ，则一列频率为1f 、2f 、3f …的信号波由通道1进入，与环形谐振腔发生耦合后，只有频率为儿的信号波能在环形谐振腔内达到谐振状态，在通道2的下载口输出，实现对儿信号的下载。
这就是谐振腔的选频作用。
n 3 复盖层n 1 芯层n 2 衬底图2-2 薄膜波导结构及其中的光线路径 x图3-1环形波导谐振腔示意图3.2 基于SOI的环形谐振腔如图3-2 为绝缘体上的硅结构（SOI）的横截面示意图。
该结构为三层夹心结构，最底层和最顶层均为硅（折射率为 2.45），中间层为二氧化硅（折射率为1.45）。
用来制作硅基微环的绝缘体上的硅结构最上方为~250 纳米厚的单晶硅，中间是~3 微米厚的二氧化硅缓冲层，最下面是~525 微米厚的硅衬底。
由于器件层与中间层和空气（折射率为 1.0）的折射率差比较大，所以器件可以做到纳米尺度时实现单模条件下。
图3-2 SOI结构图硅基环形谐振腔是在以SOI 为基底材料，在其上刻蚀出半径在纳米尺寸的环（见图3-3）。