非对称耦合微环谐振腔灵敏度的理论研究

为实现高灵敏度微环谐振腔传感器,开展了光波导模式的理论研究。根据微环谐振腔的输出光强随有效折射率变化的规律,分析了耦合因子和衰减因子对非对称耦合微环谐振腔灵敏度的影响,以及波导间距与交叉耦合因子的关系,确立了波导间距与器件灵敏度的对应关系。仿真优化结果表明,当衰减因子为0.99,自耦合系数为0.953 5,波导间距为0.13μm时,器件灵敏度的归一化最大灵敏度可达0.879。研究结果可为高灵敏度双直波导微环谐振腔的实现提供理论依据。

高Q值跑道型光学环腔的理论研究

光学环腔因其高Q值的优点,在光传感及光通信领域有着重要的作用。品质因数(Q)是描述光学环腔性能的最重要参数。文中以提高Q值为出发点,重点研究硅基跑道型光学环腔中波导的间距与耦合系数的关系,以及自耦合和损耗因子对Q值的影响,并分析了工作在1.55μm波长下的跑道型环腔的Q值。采用有效折射率法,计算出直波导中的单模传输条件,消除了波导中多余峰值对Q值的影响。此外,利用光耦合模理论,通过控制有效耦合长度对耦合因子进行控制,在波导损耗为0.2 db/cm下得到105的Q值,仿真结果和理论计算一致。文中提出的跑道型结构具有较高的Q值,能被有效应用到光传感及光探测领域中。

高灵敏马赫泽德环形谐振腔

提出并分析了带反馈的马赫泽德新颖环形谐振腔结构.基于耦合模理论及传输矩阵,采用光强随有效折射率变化的方法对该结构进行分析,并通过优化结构参数,得出其具有陡峭的反对称法诺输出谱线.与传统的微环传感相比,法诺谐振的输出谱线更加尖锐,因此具有更低的探测极限.在信噪比为30dB的测量系统中,其探测极限达到10-9,比已报道的10-8降低了1个数量级.

马赫曾德环腔相位调制器的研究

为提高相位调制器的调制效率,结合单直波导光学环腔与带反馈的马赫曾德,提出用环形谐振腔等效为马赫曾德的上、下臂的新结构.采用耦合模理论推导了该模型的输出相位及归一化光强输出公式,数值分析了传输损耗因子、耦合角度对归一化输出光强及输出相位的影响.分析表明,输出光相位谱线随敏感环相位改变呈周期性变化,当耦合角度逐渐增大时,输出光相位谱线变尖锐,此时若要使输出相位产生π的相位差,敏感环的相位调制角度需较大.当传输因子较小时,相位谱线变化比较平缓,其最大值与最小值之间的差值不满足π的相位差.根据分析结果对结构参量进行优化,发现通过调节敏感环结构的耦合系数可以提高调制效率,仿真结果表明,当敏感环相位变化0.1π时,可以输出π的相位变化,同时归一化光强保持在0.9,满足了差分相移键控所需要的相位变化和信号幅度一致的要求,为进一步研究相位调制器提供理论依据.

反馈式跑道型光学微环的传感灵敏度研究

提出了一种由U型反馈波导、跑道谐振腔和敏感环组成的反馈式跑道型光学微环传感器.采用耦合模理论推导了该传感器的归一化输出光强公式,数值分析了传输损耗因子、自耦合因子和敏感环尺寸对归一化输出光强的影响.分析表明:敏感环的损耗因子对归一化输出光强的调制作用明显,只要损耗因子发生微小变化,输出光强即发生较大变化;敏感环工作在弱耦合状态时传感灵敏度较高;敏感环的尺寸对传感灵敏度影响较大,适当地调整敏感环的大小可得到陡峭的输出光强谱线.对结构参数进行优化后不仅可以输出尖锐陡峭的非对称法诺谐振光强谱线,而且具有较高的法诺谐振光谱斜率,能更好地增强传感灵敏度.在信噪比为30dB的测量系统中,优化的反馈式跑道型光学微环传感器的探测极限达4.48×10-8单位折射率.