光学微环谐振腔的研究与应用(张浩SY1119222)
二维光子晶体谐振腔的传输特性研究与应用
二维光子晶体谐振腔的传输特性研究与应用二维光子晶体谐振腔的传输特性研究与应用随着光子晶体技术的发展，二维光子晶体谐振腔作为一种新型的微纳光学结构在光子学领域引起了广泛的关注。
它以其独特的传输特性在通信和信息处理等领域展现出无限的应用前景。
二维光子晶体是一种由周期性的介电或半导体材料构成的结构，在其中，光以特定的频率通过正常入射角度与光子晶体相互作用。
相比于传统的光导波器件，光子晶体谐振腔能够实现有效地光限制和放大，使得光与材料之间的相互作用变得更为强烈和可控。
首先，研究人员对二维光子晶体谐振腔的制备和调控技术进行了深入研究。
通过改变晶体的周期、孔径和填充材料等参数，可以调控光子晶体的能带结构，进而实现对谐振腔模式的调控。
此外，利用纳米加工技术和光子晶体硅深紫外曝光等方法，也可以制备出高质量的二维光子晶体谐振腔。
二维光子晶体谐振腔的传输特性主要体现在其峰值传输率和中心频率的调控上。
通过调整晶体的结构参数，可以实现光子晶体谐振腔的模式耦合和模式拟合。
模式耦合是指在不同频率下的多个谐振腔之间的能量传输，可以实现对特定频率的高传输率。
模式拟合则是通过精确控制谐振腔的尺寸和位置来实现特定波长光的传输。
通过这些调控技术，可以实现对光子晶体谐振腔的传输特性的优化和提高。
二维光子晶体谐振腔的传输特性研究不仅仅局限于基础学术领域，还涉及到了广泛的应用。
首先，光子晶体谐振腔的调控性能使其成为高效、低损耗的光进行处理和信息传输的理想平台。
其在光学通信中的应用已经取得了较大的进展，例如作为窄带滤波器、光开关和光放大器等设备。
其次，光子晶体谐振腔还可以用于传感领域，通过监测谐振腔中的模式变化来实现对光强、温度、压力等物理量的测量。
此外，光子晶体谐振腔在量子光学中也具有重要应用，通过对光子与原子之间相互作用的调控，可以实现光场控制和光量子信息存储等功能。
尽管二维光子晶体谐振腔的传输特性研究取得了许多突破性进展，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
微谐振腔演示稿(张浩)
2）闭腔
3）气体波导腔
第三节 光学谐振腔的作用
1）选向作用 2）选频作用 所谓谐振腔的选频作用, 是指在激光上能级和 下能级之间辐射的谱线宽度内选择出满足谐振 条件和增益阈值条件的那些分立频率的光, 使 其形成激光纵模即只有某些特定频率的光波才 能在谐振腔内形成稳定振荡称为谐振频率或纵 模频率。
三.慢光上的应用
目前用于慢光的微环谐振腔的基本几何构 型有： CROW（coupled resonator optical waveguide）
APF(all pass filter)
四 集成光波导陀螺
集成光探测器
R0 EO2
R
EO1 EI
α
3 dB Coupler
Unit Cell
集成光源模块
光学微谐振腔简介
应用物理系：张浩
课件的主要内容 第一章 光学谐振腔的基本概念和原理
第二章 微环形谐振腔的原理及特性分析
第三章 微环形谐振腔的实际应用
第一章 光学微谐振腔的基本概念和原理
第一节 光学谐振腔的基本理论 最简单的光学谐振腔：激活物质+反射镜片
第二节 谐振腔的分类 1）开腔：由两个反射镜构成，通常认为其侧面没 有光学边界（根据光束几何逸出损耗的高低，分为稳定
如果我们在绝缘体上的 硅波导结构 上增加与直波导直接耦 合的同圆心 放置的环形谐振腔个数， 就可以使 得欠耦合的谐振腔内， 更多的环内能量得以转 化为 热能损耗，增加了本征 损耗 Qi，得 到具有深凹陷光传输谱 的芯片单元。
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）
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：
光学微环谐振腔的研究与应用
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。
光学微腔特性研究及其应用
普通谐振腔
光学微腔
光学微腔的研究背景
集成光路包括光波的发射、传输、调制-解调、上载、下载、接收、存储、 显示等一系列的过程。近年来，随着微电子学的薄膜工艺提高,研究者们将微波 理论和激光技术相结合，采用微纳加工技术在各种均匀的光学材料中制备各种波 长尺度的结构来控制光信号的传播或产生新的物理效应，从而创造出新型光子学 器件。微腔型光电子器件正式基于此背景提出的。这类器件具有尺寸小、易于集 成、功耗低以及品质因子高等优点，在信号的发射、处理和传感等方面表现出很 大的前景，例如高性能光源，光存储器、光开关、密集波分复用系统(DWDM)的上 下载滤波器以及生化传感器等。除此之外，由于光学微腔可以在极小的空间内产 生巨大的光强，同时降低了腔内模式数目，影响腔内物质原子的自发福射特性， 因此在揭示物质世界本质的自然科学领域。
r,
上式中的变量
是不相关的，因而上式可以分离变量成为以下两个方程：
回音壁式微腔（WG型微腔）
r2
d2 dr 2
R(r)
rd drຫໍສະໝຸດ R(r)(k2r2
N2 ) R(r)
0
d2
d 2
(
)
M
2(
)
0
其中 k neff / c ，可得
(r, ) AM,N JM,N (rneff / c) eiM
上式中 AM ,N 是归一化因子。再利用回音壁模式的物理特征简化上述方程，假设 微盘的外面的场处处为零，即 (R, ) 0 可得，
M ,N
X M ,N c neff R
回音壁式微腔（WG型微腔）
其中 X M ,N 是M 阶贝塞尔函数的N 阶零点值R， 是微盘的半径M， 对应模式
集成光学环形谐振腔的研究的开题报告
集成光学环形谐振腔的研究的开题报告题目：集成光学环形谐振腔的研究一、选题背景集成光学器件在光通信、光传感等领域具有广泛应用。
而环形谐振腔作为一种重要的集成光学器件，其稳定性和灵敏度优异，在光滤波、光调制、光干涉等方面有着独特的优势。
目前，环形谐振腔的研究已经非常成熟，但是集成光学环形谐振腔的研究还处于初级阶段，受到许多制备、测量等方面问题的制约，因此集成光学环形谐振腔的研究是当前非常热门的研究领域。
二、研究目的本论文的主要研究目的是探究一种新型的集成光学环形谐振腔的制备方法，并对其进行性能测试和应用探究，为集成光学器件的应用提供一种新的思路和实现途径。
三、研究内容1、环形谐振腔的理论介绍和研究现状。
介绍环形谐振腔的原理和特点，梳理现有的环形谐振腔制备方法，总结其局限性和不足之处。
2、新型集成光学环形谐振腔的制备方法的研究。
提出一种全新的集成光学环形谐振腔的制备方法，主要采用MEMS技术和光刻技术相结合，结合我们自己的实验经验，对该方法进行详细的探究。
3、性能测试和应用探究。
对制备出来的新型集成光学环形谐振腔进行相关性能测试，如波导损耗、谐振波长、Q值、色散等方面的测试，并探究其在传感领域、光滤波器件领域、微波时钟传输等领域的应用。
四、研究意义1、提出一种全新的集成光学环形谐振腔的制备方法，解决了现有制备方法局限性和不足之处。
2、优化环形谐振腔器件的性能，提高其应用范围和性能表现。
3、为集成光学器件的应用提供一种新的思路和实现途径，具有较高的实用价值和经济效益。
五、论文结构1、绪论：论文选题的背景、目的、意义，研究内容和方法等方面的概述。
2、环形谐振腔的原理和制备方法的介绍。
3、新型集成光学环形谐振腔的详细制备方法的介绍。
4、新型集成光学环形谐振腔的性能测试及应用探究。
5、论文总结和展望。
六、预期成果1、提出一种全新的集成光学环形谐振腔的制备方法，具有高效、低成本、高精度的优点。
2、成功制备出一种全新的集成光学环形谐振腔器件，并进行相关性能测试。
光学谐振腔ppt课件PPT课件
增益系数
用M1、M2表示两块反射镜，其间距为L，透射率 和折射率分别为T1、R2和T2、R2。假设所有损耗 都包含在折射率T1、T2中。 当z=0时，光强为 I0(v)，经过整个长度为的工作物 质到达第二块反射镜M2时，光强为 I(v,l) I0(v)e(v)l 其中 (v) 称为工作物质的增益系数
光线重合。这样，平行于轴
C
向的光线将始终不会逸出腔
外 第6页/共11页
M
B M
D
典型的开放式光学谐振腔
广义共焦腔
A M'
C F'
B M
C' F
D
E
A-B-D-B-A-E-A
此外，还有平凹腔、平凸腔、凹凸腔等
A
B
C
F
图一
G
F'
E
D
A-B-C-D-E-G-A
半共焦腔，半共焦腔的性质与共焦腔的类似，衍射损耗低，易于装置，而且由于 采用了一块平面镜，成本更低。大多数氦氖激光器都采用这种谐振腔
第7页/共11页
g1
R1
R2
L 2
共焦腔
R1R2L 2来自共心腔(R1 R2 ) 平行平面腔
g2
稳定谐振腔的条件
0
1
L R1
1
L R2
1
图中（0<g1g2<1）区域是 满足稳定性条件的区域
第8页/共11页
光腔损耗 • 有了稳定的光学谐振腔，有了能实现粒子束反转的工作物质，还不一定能
一起受激辐射的光振荡而产生激光。因为工作物质在光学谐振腔内虽然能 够引起光放大，但是在光学谐振腔内还存在许多损耗因素 • 反射镜的吸收、透射和衍射工作物质不均与造成的折射或散射 • 这些损耗中，只有通过部分反射镜而透射出的才是我们需要的，其他一切 损耗都应尽量避免 • 如果由于损耗，使得工作物质的放大作用抵偿不了损耗，就不可能在谐振 腔内形成雪崩式的光放大过程，就不能得到激光输出。因此要产生激光振 荡，对于光放大必须满足一定的条件---阈值条件
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。
光学谐振腔.ppt
时，应该与初始出发电磁波同相，相差为2∏的整
数倍。
（3）横模：输出光束在垂直于光束传播方向，即光束横截面内的能 量空间分布。激光的模式一般用符号TEM mnq来标记，其中TEM表示 横向电磁场。q为纵模的序数，即纵向驻波波节数。m，n为横模的序 数，用正整数表示，它们描述镜面上场的节线数。当m=0，n=0时， TEM00q称为基模（或横向单模），模的场集中在反射镜中心，而其他 的横模称为高阶横模。
的限制。
四、光学谐振腔的模式 （1）驻波条件：当光波在腔镜上反射时，入射波和反射波会发生 干涉，为了在腔内形成稳定的振荡，要求光波因干涉而得到加强。 由多光束干涉理论，相长干涉的条件是：光波在腔内沿轴线方向 往复传播一次所产生的相位差为2∏的整数倍。
（2）纵模：输出光束在沿光束传播方向的能量分
布。激光纵模应满足谐振条件即光波在腔内沿轴
光学开腔的损耗大致包含以下几个方面：几何损耗、衍 射损耗、腔镜反射不完全引起的损耗、非激活吸收散射等其
他损耗。
谢谢观赏！
激 光 器
组 成 之
讲解人：
光 学 谐 振 腔
崔晓抡
主要内容
一、相关简介 二、光学谐振腔类型与作用 三、光学谐振腔的模式
四、光学谐振腔的评价指标
相 光学谐振腔是激光器的三个主要组成部分之一，是 关 产生激光的外在条件。它的基本结构是由激活物质两 简 端适当地放置两个反射镜所组成。 介
研究光学谐振腔的目的，就是通过了解谐振腔的 特性来正确设计和使用激光器的谐振腔，使激光器的 输出光束特性达到应用的要求。
平面镜腔、双凹球面镜腔、平面—凹面镜腔、特殊腔
等。
三、光学谐振腔的作用
谐振腔是激光器的重要组成部分之一，对大多数激光工作物质，适当结构
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。
高二物理竞赛光学谐振腔的作用PPT(课件)
由2nL k ，c 可知 纵模： 引起的受激辐射的方向也是随机的。
2）造成激光谱线增宽的因素
c 2nL 维持稳定了。
定义：由发射波列的持续时间决定的谱线宽度
纵模间隔： 故多普勒展宽的线型与麦克斯韦分布
§6 激光的特性和应用
（4）阈值条件和阈值增益
2nL 为纵模序数，通常略去不写。
由时间相干反比公式可知： 1
因此，自然线宽： 1kHz（数量级） ，
甚至更小。
（2）碰撞展宽
定义：粒子间碰撞引起的辐射谱线加宽
粒子间的碰撞可加速跃迁， 从而缩短了能级的寿命 粒子碰撞的频率越大， 碰撞展宽也越大。
He Ne激光器的碰撞展宽：
100 ~ 200MHz
（3）多普勒展宽 定义：由多普勒频移效应引起的谱线展宽
粒子间的碰撞可加速跃迁， 的量值约 数量级，
谐振腔内光的 2）激光器谐振腔的选频作用
故多普勒展宽的线型与麦克斯韦分布 粒子间的碰撞可加速跃迁，
I1 I4
I2
增益与损耗
I5
I3
M1
M2
I2 I1eGL , I3 R2 I 2 R2 I1eGL
I4
I5
I 3eGL
R1I 4
RR12RI21eI12eGL2GL
的量值约 106数量级，
满足阈值条件。
好的可高达10 ~ 10 的数量级。 1）定义：谐振腔内与轴向垂直的
（2）实际增益随光强 的增大下降
10
13
而目前大功率激光器输出亮度可达
2）高定向性 测40万公里的地月距离误差不超过数米。
不断增强。
定向连锁放大作用
光束沿空间极小的立体角范围（一般为 （3）一部分激光穿透部分反射镜输出，
然后我们考虑将这种结构用于高通量...
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。
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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 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。
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）。