硅基槽型微环谐振器及其调谐特性研究
基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究的开题报告
基于新型聚合物材料的微环谐振器的基础研究的开题报告一、研究背景微振器作为微纳电子领域的一种重要器件，广泛应用于传感、通信、生物医学等领域。
其中微环谐振器作为一种具有高灵敏度、高Q值的微振器，被广泛关注。
传统的微环谐振器主要采用硅、氧化物等材料制备，但在高温、生物环境下存在限制。
随着新型聚合物材料的发展和应用，基于新型聚合物材料的微环谐振器在高温、生物环境等方面具有更广泛的应用前景。
因此，基于新型聚合物材料的微环谐振器的研究具有重要的意义。
二、研究内容本研究旨在利用新型聚合物材料，研究并设计出一种基于新型聚合物材料的微环谐振器。
具体研究内容包括：1.新型聚合物材料的选择及表征：筛选适合微环谐振器制备的新型聚合物材料，并对其进行组织结构、热性能等方面的表征。
2.微环谐振器的理论设计：根据新型聚合物材料的物理性质和谐振器的工作原理，进行微环谐振器的理论设计，包括尺寸、工作频率、Q值等参数的确定。
3.微环谐振器的制备和表征：利用微纳加工技术制备微环谐振器，进行物理性能测试，包括谐振频率、Q值、温度依赖性等。
4.微环谐振器的应用研究：将制备好的微环谐振器应用于传感、生物医学等领域进行实验研究，探索其应用前景。
三、研究方法1.聚合物材料的选择：通过文献调研和实验比较，筛选适合微环谐振器制备的新型聚合物材料，在表征方面利用扫描电子显微镜、荧光光谱、动态热重分析等技术进行表征。
2.微环谐振器的理论设计：通过有限元模拟等方法，确定微环谐振器的尺寸、工作频率、Q值等参数，进行优化设计。
3.微环谐振器的制备和表征：采用微纳加工技术（如电子束曝光、离子束刻蚀等）制备微环谐振器，并利用微操作台进行物理性能测试，包括谐振频率、Q值、温度依赖性等。
4.微环谐振器的应用研究：将制备好的微环谐振器应用于传感、生物医学等领域，利用实验室设备（如电子式天平、显微镜等）进行实验测试和分析。
四、研究意义基于新型聚合物材料的微环谐振器将具有更广泛的应用前景，比如在高温、生物环境下的应用、生物分子检测等领域。
基于硅基微环谐振器的单光子源和交换网络
微环谐振器的制备与表征方法
微环谐振器的制备方法
微环谐振器可以通过不同的制备方法进行制造，如光刻、干法刻蚀、化学气相沉积等。
微环谐振器的表征方法
微环谐振器的性能可以通过不同的表征方法进行测试，如光谱分析、网络分析仪、时域光谱仪等。
03
基于硅基微环谐振器的单 光子源
单光子源的基本原理与实现方法
单光子源的基本原理
单光子源的制备与测试结果
制备过程
首先，采用化学气相沉积方法生长硅基微环 谐振器；然后，通过电子束光刻和离子束刻 蚀等手段加工微环谐振器；最后，在微环谐 振器中注入激发源，如量子点或量子阱。
测试结果
通过测试基于硅基微环谐振器的单光子源的 亮度和光谱，验证了其可行性和性能。实验 结果表明，该单光子源具有高亮度、可调谐 性和稳定性，可以满足量子信息处理的需求 。
交换网络的制备与测试结果
要点一
制备
基于硅基微环谐振器的交换网络需要使用精密的制造 工艺和光学器件，如微环谐振器、波导和光探测器等 。制备过程中需要严格控制工艺参数，以确保网络的 质量和性能。
要点二
测试结果
通过对基于硅基微环谐振器的交换网络的测试，研究 人员可以验证其性能和可靠性，并评估其在不同条件 下的表现。测试结果表明，这种交换网络具有高速度 、抗干扰能力强和传输距离远等优点，具有广泛的应 用前景。
选方案。
研究基于硅基微环谐振器的单光 子源和交换网络对于推进量子信 息处理和通信技术的发展具有重
要意义。
相关工作概述
国内外研究团队在硅基微环谐振器制备、单光子源实现、以及单光子交换网络构 建等方面开展了大量研究工作。
目前存在的问题包括：如何提高硅基微环谐振器的品质因子，如何实现高质量的 单光子源，以及如何构建高效的单光子交换网络等。
太赫兹硅基微环谐振器的设计与分析
太赫兹硅基微环谐振器的设计与分析潘武;周亚婷;邓珊;程彩玲【摘要】The silicon-based ultra-compact microring resonator in the terahertz communication window was de-signed.According to the transfer matrix method and the coupled mode theory,the transfer function of the microring re-sonator was calculated,and the critical coupling conditions of microring resonator were obtained by analyzing the waveguide coupling coefficients.3D finite-difference time-domain method is used to analyze the performance parame-ters of microring resonator,and the obtained results were compared with that of the cascade dual microring resona-tor.The results show that a free spectral rang of the microring resonator is 27 GHz and an insertion loss is 0.3 dB.And the spectral shape factors of two kinds of microring resonators are 0.1 6 and 0.52 respectively.That means cascade du-al microring resonator result in flatter top resonance and higher roll-off vertical degree.%设计了一个工作频率在太赫兹大气传输第一窗口的硅基波导型微环谐振器。
微盘谐振腔及其光子器件的研究的开题报告
硅基微环/微盘谐振腔及其光子器件的研究的开题报告一、研究背景近年来，随着通信技术的发展和普及，高速、大容量、低功耗的光通信成为了人们关注的热点问题。
在光通信中，微环/微盘谐振腔是一种重要的器件结构，可以用于实现滤波、调制、调制解调等功能。
而硅基微环/微盘谐振腔由于具有尺寸小、制造工艺成熟、集成度高、性能稳定等优点，已经成为了目前研究的热点之一。
二、研究目的本文旨在通过对硅基微环/微盘谐振腔的研究和探究，了解其基本原理、设计方法和制备工艺，探究其在光通信领域中的应用，并且希望能够在制备技术、尺寸调控、品质因子等方面做出一些探索和改进，提高硅基微环/微盘谐振腔的性能。
三、研究内容1. 硅基微环/微盘谐振腔的基本原理和设计方法对硅基微环/微盘谐振腔的基本原理和设计方法进行研究，了解其工作原理、谐振条件、谐振频率等基本特性。
通过对硅基微环/微盘谐振腔的设计进行分析，探究其在光子器件中的应用。
2. 制备技术和性能调控研究硅基微环/微盘谐振腔的制备工艺，包括光刻、腐蚀、沉积等工艺流程，并且通过对工艺参数的调节和优化，提高硅基微环/微盘谐振腔的品质因子和性能。
3. 光学性质和应用研究对硅基微环/微盘谐振腔的光学性质进行研究，包括波导耦合、谐振峰宽、自由光谱范围等特性。
探究硅基微环/微盘谐振腔在光通信领域中的应用，包括滤波、调制、调制解调等方面的应用。
四、研究意义硅基微环/微盘谐振腔具有尺寸小、制造工艺成熟、集成度高、性能稳定等优点，在光通信中具有重要的应用价值。
本文研究的硅基微环/微盘谐振腔，将有助于完善其在光通信中的应用，为光通信技术的发展做出贡献。
同时，本文的研究内容还将对微纳光学器件的研究与制备提供一定的参考意义。
高性能硅基微环谐振器与光子晶体微腔
高Q值、高消光比的微环谐振器
高性能的微环谐振器 基于slot波导的微环谐振器
波导宽149nm 波导高250nm 狭缝：~28000
0.028nm Q=55329 ER=19dB R=40um FSR=2.44nm
• 微环最高Q值达到55329，消光比为19dB，基于脊形波导实现 • 实现了硅基狭缝波导微环，狭缝宽度130nm，Q值达到28000
高性能硅基微环谐振器与光子晶体微腔
用于垂直耦合的SOI 光栅耦合器
Monitor
19um 280nm
PC CCD
Microscope
14um
600nm
N eff n1 sin m
Fiber mode
垂直耦合测试系统 光栅耦合器SEM照片
3dB带宽 ~35 35 nm (1528nm~1563 (1528nm 1563 nm) 耦合效率 ~40%
高Q光子晶体微腔及其非线性光学效应
光子晶体L3微腔的传输谱 硅基光子晶体微腔的非线性光学特性
不对称传输谱 形开始出现
更高输入功率， 长波长一侧有 快速跳变
总Q值： 值 60000 本征Q值：330000 双光子吸收引起非 对称传输谱形： 随着输入功率增加， 高Q微腔中能量很 高，因硅的双光子 吸收引发的热光效 应显现，谐振波长 红移，谐振峰的左 侧变得平缓，而右 侧出现陡升。 我们制作的光子晶体微腔因其超高Q值、超小模式体积，腔中能量密 度非常大，非线性阈值极低（~4.65μW），优于文献已报道结果。
总Q值：44000
(a)
(b)
悬空光子晶体L3微腔SEM图
硅基微环谐振器特性研究及其应用
ｗｈｅｎ
ｔｈｅ ｇａｐ ｗｉｄｔｈ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ
ａｓ ａ
ｌａｒｇｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｒｅ
ｉｓ
ｔｏ ｅｎａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ
ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ｐｌａｔｆｏｒｍ ｈａｓ
ａ ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ
ｉｎｄｅｘ—
ｃｏｎｔｒａｓｔ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ ｆｒｏｍ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｏ
ｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄ．Ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙ，ｔｈｅ ＣＭＯＳ
ｌｏｓｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｂｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｏｒｄｅｒ
ＭＲＲ ｏｐｔｉｃａｌ
ｆｉｌｔｅｒｓ ｔｏ ｈａｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒａｔｉｏ
ａ
ｂｏｘ－ｌｉｋｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｂｅｎｔ ｃｏｕｐｌｅｒｓ
由ｏ．４０岬增宽到１．５０９ｍ时，ＯＵＯｗ有１．０７降到０．０２６３。另一方面，宽的微环波导不仅仅支
持基模还支持高阶模。相应地，其频谱输出中会存在一些不希望出现的高阶模式的谐振峰。
ＩＩＩ
浙江大学博士学位论文
通过选择合适的结构参数，弯曲耦合器何以有效地抑制高阶模的激发。仿真和实验结果表明 采用这种结构的微环阵列其谐振峰波长的随机漂移得到有效地减小。 硅材料的温度系数为正且比较大约为１．８×１０—４／ｏＣ，这意味着硅基集成器件极易受外界 温度变化的影响。为解决这个问题，可以通过用具有负温度系数的ＴｉＯ，作为上包层来补偿， 减少外界温度变化对硅基集成器件的影响。与常用作补偿材料的聚合物相比，ＴｉＯ，稳定性 更好。我们利用ＴｉＯ，作为上包层设计制作了硅基微环谐振器，实验结果显示微环谐振器的 温漂从约７０ｐｍ／ｏＣ降低至约３０ｐｍ／ｏＣ。
太赫兹硅基微环谐振器的设计与分析
太 赫 兹 硅 基 微 环 谐 振 器 的设 计 与 分 析
潘 武， 周亚婷， 邓 珊， 程 彩 玲
（ 重 庆 邮 电大 学 光 电工 程 学 院 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ６ ５ ）
摘
要： 设 计 了一个 工 作 频率在 太 赫兹 大 气传 输 第 一 窗 口的硅 基 波 导 型微 环 谐振 器 。 利用 传
输矩阵法和耦合模理论计算微环谐振器 的传输 函数， 并对波导耦合系数进行分析 ， 获得微环谐 振器 的临界耦合条件。采用时域有限差分法分析微环谐振器 的性能参数， 并与 串联双环谐振 器 性 能参数 相 比较 。结 果表 明： 单 环 谐 振 器 的 自由谱 宽 范 围为 ２ ７ Ｇ Ｈ ｚ ， 插入损耗 为 ０ ． ３ ｄ Ｂ 。 单环 与双环 谐振 器 的 响应谱 线 形 状 因子分 别 为 ０ ． １ ６和 ０ ． ５ ２ ， 即 串联 双 环 谐 振 器使 谐振 谱 线
第４ ５卷 第 ５期
２ ０ １ ５年 ５月
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ １ ． ４５． Ｎｏ． ５ Ｍａ ｙ， ２ ０１ ５
文章编号 ： １ ０ ０ １ — ５ ０ ７ ８ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ５ ７ １ － ０ ５ 源自・太 赫 兹技术 ・
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ・ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｒ ｉ ｎｇ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ
ｗ ａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｓ ． ３ Ｄ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ — ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｉ ｍｅ — ｄ ｏ ｍａ ｉ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｐ ￣ａ ｍｅ —
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。
硅基微环谐振器(MRR)的传输特性研究及应用
硅基微环谐振器（MRR）的传输特性研究及应用硅基微环谐振器（MRR）的传输特性研究及应用随着光通信技术的快速发展，光子集成电路成为当前研究的热点之一。
硅基微环谐振器（MRR）作为一种基于硅（Si）材料的微型光学器件，具有优异的传输特性和广泛的应用前景。
本文将详细介绍硅基微环谐振器的传输特性研究以及在通信领域的应用。
首先，我们将对硅基微环谐振器的基本结构和工作原理进行介绍。
硅基微环谐振器是一种基于光的干涉现象，利用闭合的光学波导形成一个环形结构，通过调节环的尺寸和材料的折射率来实现光的共振传输。
当输入光与谐振模式的频率匹配时，光将在环内发生多次的来回传输，从而产生增强的谐振现象。
硅基微环谐振器具有小尺寸、高Q值（品质因子）和调制能力强的特点，可以实现高效的光传输和光调制。
其次，对硅基微环谐振器的传输特性进行深入研究。
硅基微环谐振器的传输特性主要包括透射谱、谐振峰的功率传输特性以及Q值等。
透射谱是评估硅基微环谐振器性能的重要指标，它反映了谐振峰的传输效率和频率的分辨能力。
通过调整环的尺寸和材料的折射率，可以实现特定频率范围内的高透射谱，并提高传输效率。
谐振峰的功率传输特性表示在谐振频率附近传输光的损耗情况，对于实现低损耗的光传输至关重要。
Q值是评估硅基微环谐振器的品质因子，Q值越高表示光在环内循环的次数越多，传输效率越高。
因此，提高Q值是优化硅基微环谐振器传输特性的关键。
最后，我们将介绍硅基微环谐振器在光子集成领域的应用。
由于硅基微环谐振器具有小尺寸、易于集成和调制能力强的特点，它在光通信和传感器等领域有着广泛的应用。
在光通信领域，硅基微环谐振器可以用作滤波器、调制器、光开关等功能器件，实现高速、高效的光信号处理和传输。
在传感器领域，硅基微环谐振器可以通过监测谐振峰的频移和幅度变化来实现对环境参数（如温度、压力等）的敏感检测。
此外，在生物医学领域，硅基微环谐振器可以应用于生物分子的检测和分析，具有重要的实验研究和临床应用价值。
首次基于硅基微环谐振器实现波长带宽同时可调的光学带通滤波器
研究动态Research Trends研究或首次实现中红外激光调频据美国物理学家组织网报道，美国科学家首次在实验室实现了中红外线激光的频率调制，在波长为100GHz及以上的光谱范围内，移动式平台不需要使用光纤也能实现每秒传输1000亿字节数据。
新研究有望给通讯方式带来变革。
最新技术由斯蒂文斯理工学院超速激光光谱实验室主任、物理学和工程物理学副教授赖纳·马汀尼领导的研究团队完成，相关成果发表在最新一期《应用物理学快报》（Applied Physics Letters）杂志上，《自然-光子学》杂志也将重点推介该研究。
随着高速本地环路网络互联需求的不断增长，光纤网络布线难以及成本高的问题日益突出，无线激光通信（OWC）技术开始受到青睐。
OWC又称自由空间激光通信（FSO），该技术不用光纤作为传输媒介，而是一种在自由空间中用太赫兹(THz，1012Hz)光谱范围内的激光或光脉冲传送分组数据(数据包)的通信系统。
FSO能提供与光纤传输相近的速率，且比光纤线路成本低。
由于激光技术的进步、激光器件造价的降低，FSO成为当前热门的一种新通信技术。
但该技术也面临着一些挑战，比如光束的传输极易受大雾等天气环境的影响而改变光束的传输路径、降低数据通信的可靠性等。
而对激光束进行调制能让FSO技术更好地传输更多数据。
几年前，马汀尼团队实现了中红外线的幅度调制（AM），但调幅信号容易受灰尘和雾气的干扰。
现在，他们首次实现了中红外线的频率调制（FM）。
马汀尼说：“调幅（AM）传输的数据会受环境的影响，但是，影响调幅传输的环境并不会影响调频传输的数据，因此更加可靠。
新研究使通过调频传输数据成为可能。
”作为方兴未艾的FSO技术先驱，马汀尼团队希望其技术成果能更好地应用于日常生活中。
他们的一个关注重点是，将FSO系统同现有的光纤网络系统整合在一起，使地上和地下的高速激光通讯成为可能。
该研究团队也在着手研发一种相位控制检波器，以与他们最新制造的相位控制发射器结合在一起，相位控制发射器将制造出一个全新的相位控制系统，使研究人员能管理该系统的方方面面。
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。
硅基微环谐振器耦合诱导透明效应的研究
硅基微环谐振器耦合诱导透明效应的研究硅基微环谐振器是一种重要的光子集成器件，具有小尺寸、高品质因子和灵活可调的特点，被广泛应用于各种光子学应用中，例如光通信、光传感和量子信息处理等领域。
而耦合诱导透明效应（coupled-induced transparency，CIT）是一种基于光子之间的相互作用导致的光学现象，能够实现光的存储和操控，因此引起了学术界的广泛关注。
硅基微环谐振器的核心结构是一个闭合的光波导环路，通过调节环路的尺寸和曲率可以实现对光的谐振增强效应。
当两个或多个微环谐振器通过耦合波导相连时，它们之间的光学相互作用将导致CIT现象的出现。
CIT现象的物理原理是在耦合的微环谐振器中存在两个共振模式（resonant modes），它们的振荡频率非常接近但能量分布却不同，一个强一个弱。
当输入光与强模式共振时，强模式的能量将通过耦合波导传导到弱模式上，形成一个透明窗口，使得输入光通过这个系统时几乎不被吸收或散射。
这一现象可以看作是一个与介质中的原子或分子相类似的集体激发现象，被称为“光子原子”。
CIT现象的实现对于光学信息存储和量子信息处理具有重要意义。
通过调节输入光的频率和强度，可以控制透明窗口的位置和形状，实现光源的存储和操控。
此外，通过在环路中引入双光子非线性效应，可以实现光的双光子操控和单光子非线性干涉效应。
研究人员通过理论模拟和实验验证，证实了硅基微环谐振器耦合诱导透明效应的存在和特性。
一方面，通过精确设计微环谐振器的参数，如半径、宽度和耦合长度等，可以调控耦合效率和透明窗口的形状，实现对光的高效存储和操控。
另一方面，通过制备高质量的硅基微环谐振器并通过微纳加工技术精确控制耦合情况，可以实现光子之间的高效耦合和传输。
此外，研究人员还通过在硅基微环谐振器上引入光子晶体结构、金属纳米颗粒或几何谐振结构等手段，进一步拓展了CIT现象的应用和性能。
例如，在硅基微环谐振器中引入光子晶体结构，可以实现光子晶体波导和微环谐振器之间的耦合，从而实现更高的耦合效率和更低的能量损耗。
基于硅光微环的调制和复用器件研究
基于硅光微环的调制和复用器件研究
基于硅光微环的调制和复用器件研究是指利用硅基材料制作微环结构，并将其应用于光通信中的调制和复用功能的研究。
在光通信中，调制和复用是关键的功能，用于将电信号转换为光信号，并将多个光信号进行复用以提高传输效率。
由于硅基材料的优良特性，如高折射率、低衰减和可集成性，硅光微环成为研究的热点。
硅光微环调制器件通常采用电光调制技术，通过外加电场改变硅波导的折射率，从而实现光信号的调制。
这种调制技术具有高速度、低驱动电压和小尺寸等优势，在光通信和光计算中有广泛应用。
硅光微环复用器件则通过光波分离和复用技术，将多个光信号分别导入和导出硅光微环中，在微环中实现光信号的复用，从而达到多路复用的目的。
这种复用技术对于提高光通信系统的传输容量和效率至关重要。
目前，基于硅光微环的调制和复用器件的研究正处于快速发展阶段。
研究人员通过优化硅光微环的结构设计、制备工艺和封装技术，不断提高器件的性能和可靠性。
同时，他们也致力于开发新型的调制和复用方案，以满足日益增长的光通信需求。
总之，基于硅光微环的调制和复用器件的研究是光通信领域的热点研究方向，有望为高速、大容量和低功耗的光通信系统的实现提供重要的技术支持。
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硅基槽型微环谐振器及其调谐特性研究洪建勋１＊，刘 莹１，陈 伟２（１．武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉４３００７０；２．武汉理工大学自动化学院，湖北武汉４３００７０）摘要：仿真和实验研究了含槽型（ｓｌｏｔ）光波导的反馈波导型微环谐振器的特性，将槽型光波导集成到Ｓｉ基微环谐振器中，丰富Ｓｉ基光波导的功能，为新型光电子器件的实现提供途径。
通过锥形波导结构实现从传统波导到槽型波导的模式转换，减小传输损耗，采用时域有限差分法（ＦＤＴＤ）研究了光功率的分布和模式转换过程。
结果显示，光功率逐渐转移到锥形结构两侧的槽型波导中并最终形成槽型波导中的传输模式，通过优化锥形结构能实现较高的模式转换效率，可以达到９０％以上。
采用电子束刻写技术和等离子刻蚀技术制备了反馈波导型槽型微环谐振器。
实验显示，锥形波导能够实现模式的转换，光传输过程良好。
通过在槽型波导中填充电光聚合物来改变槽型光波导的折射率，测量结果显示，传输谱谐振峰发生了明显移动，移动幅度达到５．６ｎｍ，器件具备很好的可调谐性。
关键词：Ｓｉ基；槽型波导；传输谱；锥形；可调谐性中图分类号：ＴＮ２５６；ＴＮ２５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－００８６（２０１４）０９－１６６８－０５Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｌｏｔ ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｕｎａｂｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓＨＯＮＧ Ｊｉａｎ－ｘｕｎ１，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ１，ＣＨＥＮ Ｗｅｉ ２（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏ－ｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｌｏｔ ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｒｉｃｈ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ａｄｖａｎｃｅｄ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｔｏ ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓ－ｍｉｓｓｉｏｎ ｌｏｓｓ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）ｍｅｔｈｏｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｔｓ ａ－ｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｆｏｒｍｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｎａｌｌｙ．Ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｓ ｈｉｇｈ ａｓ ９０％ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎ．Ａ ｓｌｏｔ ｍｉ－ｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ＳＯＩ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｎｄ ｐｌａｓｍａ ｅｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｔ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ．Ｔｈｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｔ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｂｙ ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐ－ｔｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｔ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｈｉｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅａｋｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓ ａｓ ｌａｒｇｅ ａｓ５．６ｎｍ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ａ ｇｏｏｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎｔｏ ｔｕｎａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒ，ｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｉ；ｓｌｏｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｔａｐｅｒ；ｔｕｎａｂｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ１ 引 言 传统光波导通常由两种具有不同折射率的材料组成，且芯层材料的折射率大于包层材料的折射率。
槽型（ｓｌｏｔ）光波导是一种新型的波导，通常由３层组成，各层的厚在几×１０到几×１０２ ｎｍ量光电子·激光第２５卷第９期 ２０１４年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ·Ｌａｓｅｒ Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１４＊ Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｘｈｏｎｇ＠ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１４－０５－２９ 修订日期：２０１４－０７－２２基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金（２０１３－６９３）资助项目级，中间芯层的折射率低于两侧包层的折射率，这为在低折射率的材料中建立波导提供了途径，同时无需精确调整芯层和包层的折射率之差［１～３］。
Ｓｉ基槽型波导通常在ＳＯＩ基片上制备，并可与各种光耦合器、光干涉仪、光谐振器结构相结合，实现光调制器、光开关，光滤波器和光传感器等［４～６］。
与传统的Ｓｉ基波导［７］不同，通过在槽中填充电光聚合物材料，可以将电光聚合物集成到Ｓｉ基光电子芯片之中，丰富Ｓｉ基光电子芯片的功能。
将电光聚合物和Ｓｉ基波导工艺相结合，既可以发挥硅折射率大的特点，又可以发挥电光聚合物电光系数高的特点。
微环谐振器的结构灵活，容易集成，具有很好的波长调谐特性［８］，在光滤波器和调制器领域得到了很好的应用。
带反馈波导的微环谐振器的可调谐区长度较大、调谐性好［９］，作为调制器使用时还具有带宽大的特点。
本文将对Ｓｉ基槽型微环谐振器的可调谐特性进行研究。
２ Ｓｉ基槽型微环谐振器的结构 采用的Ｓｉ基槽型微环谐振器的结构如图１所示。
其由传统的单环谐振器和Ｕ型反馈波导组成。
反馈波导的直波导部分含有槽型波导，其它部分为常规Ｓｉ条形波导。
在ＳＯＩ基片上完成整个结构的制备之后，槽型波导中间的槽中为空气，两边为Ｓｉ条带，低折射的空气构成槽型波导的芯层，光在其中传导。
若在槽中填充某种低折射率的材料，则可以改变器件的传输特性。
本文将在槽中填充一种电光聚合物，测量微环谐振器的传输谱的变化，研究其可调谐特性。
Ｓｉ基槽型波导和常规Ｓｉ条形波导的连接处存在较大的连接损耗，为了减小连接损耗，在连接处采用锥形波导结构［１０，１１］，实现模场分布的缓慢转换。
图１ Ｓｉ基槽型微环谐振器的结构Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉ－ｂａｓｅｄ ｓｌｏｔ ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ３ 锥形波导对模式的转换效果分析 锥形波导结构可以实现场分布模式的转换，减小连接损耗。
采用时域有限差分法（ＦＤＴＤ）对转换前后的光功率分布进行计算，分析转换效果。
锥形波导结构如图２所示。
其中，锥形部分的长Ｌｔａｐｅｒ＝４μｍ，条形波导锥形两端的宽分别为２μｍ和１００ｎｍ，槽型波导的芯层宽为２５０ｎｍ，两侧Ｓｉ条带的宽均为２００ｎｍ。
在光从条形波导传播到槽型波导的过程中，光功率逐渐转移到锥形两侧的空隙槽中并被约束在其中，最终形成符合槽型波导传播的光功率分布模式。
图２ 锥形波导结构Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ 取波导厚为３００ｎｍ，Ｓｉ的折射率为３．５，空气折射率为１．０，电光聚合物折射率为１．４２。
计算得到波导中的光功率的横向分布如图３所示。
其中，图３（ａ）是锥形的末端所在位置处的横向光功率分布，图３（ｂ）是槽型波导中的横向光功率分布，分别对应图２中Ａ和Ｂ标示的位置，Ｘ轴沿Ａ和Ｂ处所标虚线的方向。
可以看出，在位置Ａ处，光功率主要分布在两侧的缝隙中，条形波导中的光功率已经很少了。
这是因为，随着条形波导宽度变小，其不再支持可以传输的模式，光功率向两侧转移，同时由于两侧ｎｍ级Ｓｉ条带的存在，光功率不会自由扩散，而是被约束在两侧的缝隙中。
由图３（ｂ）可以看出，离开锥形波导，光在槽型波导中传播一段距离之后形成稳定的传输模式。
这便是槽型波导中的光功率分布模式［２］。
为了优化锥形波导的设计，计算了不同Ｌｔａｐｅｒ时的模式分布。
通过比较发现，当Ｌｔａｐｅｒ＝４μｍ时，能获得最佳的耦合效果，模式转换效率达到９０％，高于传统锥形波导８３．７％的模式转换效率［１１］。
这是因为，锥形两侧的光功率一直约束在槽型波导空隙中，难以逃逸，相比传统波导具有更高的效率。
Ｌｔａｐｅｒ不应太小和太大，当Ｌｔａｐｅｒ较小时，模式转换过于急剧，损耗变大，转换效率下降；当Ｌｔａｐｅｒ较大时，模式转换距离过大，累积的损耗导致总的损耗变大，转换效率下降。
·９６６１·第９期 洪建勋等：硅基槽型微环谐振器及其调谐特性研究 图３ 波导中的光功率分布：（ａ）锥形的末端；（ｂ）槽型中Ｆｉｇ．３ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｔ（ａ）ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｐｅｒ ａｎｄ（ｂ）ｏｎｅｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｔ４ 器件制备与传输谱测量 在ＳＯＩ基片上制备图１所示的光波导，取微环半径为２０μｍ，微环与直波导间距为０．４μｍ，条形波导的宽为２μｍ，Ｕ型臂半圆部分的半径为２２．４μｍ，直波导长为１００μｍ，其中槽型波导的长为２０μｍ，其它波导参数与图２所标示相同。
采用的ＳＯＩ基片的ＳｉＯ２埋入层厚为１μｍ，顶层Ｓｉ厚为３５０ｎｍ。