光学微腔特性研究及其应用

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回音壁式微腔（WG型微腔）
r2d d r2 2R (r) rd d rR (r) (k 2 r2N 2)R (r)0
d2
d2
()M2()0
其中 k neff/ c，可得
(r,) A M ,N J M ,N (rn e ff /c )e iM
上式中 A M , 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,可)得0，
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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。
回音壁式微腔（WG型微腔）
➢自由光谱范围
相邻纵模的波长或者频率间隔定义为自由光谱范围(Free Spectrum Range，FSR)， 它是实验中判别微腔光学模式是否符合回音壁模式的一个重要依据。根据下式可 得第M阶和M+1阶模式间隔为：
M
M1
2
2neff
R
如果用 R e f f 表示模式的有效半径，则有： 2 2 nReff
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光学微腔分类
3.回音壁式微腔 （WG式微腔）
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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：
普通谐振腔
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光学微腔
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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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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, Va CSEL)。
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回音壁式微腔（WG型微腔）
➢品质因子
品质因子(Quality factor，一般用Q表示)是光学模式的一个最基本的物理量，用于 表征谐振腔中能量衰减的快慢或其存储能量的能力。Q的定义很多，不同定义之 间可能相差一个常数，最普遍的定义方式：
QU U
P dU/dt
其中U为腔内储存的总能量， PdU/dt 为单位时间内损耗的能量，即耗散功
率， 为光场的圆频率，2，其中 为光场频率。Q可以和腔内光学模式
的光子寿命以及谐振宽度联系起来，具体关系为 Q2C，Q/，其中 C
和 分别为光子寿命和频率谐振宽度。
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回音壁式微腔制作方法
近年来不断发展的微细加工技术以及纳米技术，使得以各种天然和人工合成材 料为基础制造各种特异形状的光微谐振腔成为可能。集成化的微环以及微盘谐振 腔与光学晶体缺位微腔通常是使用已经比较丰富的集成电路微细加工工艺如镀膜、 光刻以及刻蚀技术在基片上制作而成。在制造过程中，基片经过的制作流程基本 上有三个：
(2n2eff2/c2)0
2c/
c
式n 中e f f
， 是谐振模式在真空中的波长 ， 是真空中的光传播速度
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Helmho(l tz方2 r,程 可n 2 以eff写2 为/c ：2)(r, ) 0
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：
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光学微腔分类
2.光子晶体微腔（PC型微腔）
光子晶体是一种具有周期性介电常数的材料，由于光子带隙的存在只有特定波长 的光才能通过。当周期结构中引入缺陷形成一个微腔，光子带隙中出现相应的缺 陷态能级,频率在缺陷能级的光在光子晶体中沿着缺陷传播或局域化振荡，因此 可以像F-P微腔一样控制光场的分布。由于这种腔是在期性结构中人工引入的缺 陷，它的模式体积非常小，并且通过微纳加工技术准确的控制缺陷腔的形状和谐 征波长，因此在激光器、滤波器、传感器和量子信息领域得到广泛应用。
光学微腔
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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。
M ,N
X M ,N c neff R
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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 对应模式的
角向分布，N 对应模式的径向分布。对于高阶贝塞尔函数而言相应的 X M ,N L
（ L 为正整数）因此上式简化为：
M
2 Rneff
L
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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。