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-InsulatorSOI）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(Complementarymetal–oxide–semiconductorCOMS)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&APPLICATIONSOFOPTICALMICRORINGRESONATORSAbstractWiththedevelopmentoffiber-opticcommunicationtechnologies,high-performanceandlow-costarebothdesirableforopticalcommunicationnetworks.Thecoretechnologyincludessmall-sizeopticalwaveguidedeviceswiththepotentialsforintegrations.Inaddition,opticalwaveguidedeviceswithvariousfunctionsforallopticalsignalprocessingarebecomingmoreimportantfortherealizationoffutureall-opticalnetworks.Themicroringresonatorisasuitablecandidatetomeetthesetworequirements.Moreover,itssmallsizeisverysuitableforintegrationwithlargedimension.Inthisthesis,wefirstintroducethelightoftotalinternalreflection(TIR)theoryandthebasicstructureofwaveguide.Thenweintroducetheprincipleofmcroringresonator,analysistheirtransmissionproperty.Micro-ringresonatorsbasedonsilicon-on-insulator(SOI)structurearepromisingbuilding-blocksforultra-compactandhighlyintegratedphotoniccircuits.ThefabricationtechnologyismostlyCMOS-compatible.Weproposeaconfigurationofintegratedwaveguidestructureconsistingofresonatorscoupledtoanarc-shapewaveguide.Suchproposedconfigurationcanbeusedtorealizehighlycompactopticalgyroscopeforrotationsensing.Keywords: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(CharlesK.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：1122sinsinnn（1.1）12,nn分别为介质的折射率，12,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1等于某一个角c时，折射光线会沿折射界面的切线进行，即折射角2=90。,此时会有sin2=1,则可推得sinc=sin1=n2/n1。但如果入射角1大于这一个值c时，入射角的正弦sin1n2/n1，会推得sin2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叫做临界角，它的值取决于两种介质的折射率的比值，即c=sin-1(n2/n1)。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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。zn3复盖层n1芯层n2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3-2SOI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）。底部为直波导，如果左侧为光的输入端口，则光在与环接近的部位通过空气间隙直接耦合进入波导环，波长满足谐振条件的光波在环内产生谐振，并在环内循环往复的传播，而没有产生谐振的光则又通过空气间隙耦合进入直波导。图3-3硅基环形谐振腔这样通过观察直波导的输出与输入光之比的能量谱就可以得到环形谐振腔的光谱（如图3-4）。基于SOI的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高集成度，并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体COMS兼容，使其正在成为光器件诱人方案。传统上，一个硅的直波导和环组成基于绝缘体上的硅波导纳米环形谐振腔。它在光学滤波、光开关、和生物分子检测等方面都有比较诱人的应用前景。而这些应用中都需要该器件的光传输谱线有比较深的谐振凹陷。然而对于一个波导一个环的结构，传输光谱要得到此目的并不容易。临界耦合状态，即环形谐振腔的本征损耗和耦合损耗相等，可以得到最深的谐振凹陷，这时谐振频率处功率为零。在实际的器件制造过程中，为了达到这个目的，必须要细心的调节直波导、环及它们之间的空气间隙的宽度。图3-4环形谐振腔的传输谱4.微谐振腔在集成光学陀螺上的应用陀螺仪的种类很多，包括机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的等等。各种陀螺仪都具有自身的优点，有自己的使用领域。随着低损耗光纤的出现及不断完善，1976年美国utah大学的vall和R.w.shorthiu首次提出了光纤陀螺的概念[6]，它标志着基于sagnac效应的第二代光学陀螺的诞生。基于Sagnac效应的光学陀螺仪，根据Sagnac敏感环的结构及其工作方式可以分为:干涉式、谐振式和布里渊型。干涉仪式光学陀螺(InterferometicOpticGyro,IOG)按照光路的组成又可以分为:消偏型、全光纤型和集成光学型。谐振腔式光学陀螺(ResonatorOpticGyro,ROG)按照光路的组成又可以分为:全光纤型(ResonatorFiberOpticG