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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，分为稳定腔、非稳腔和临界腔）稳定腔：旁轴（傍轴）光线在腔内多次往返而不逸出腔外，具有较低的几何损耗非稳腔：傍轴光线在腔内经过少数几次往返就逸出腔外，具有较高的几何损耗临界腔：性质介于稳定腔和非稳腔之间，只有少数特定光线能在腔内往返传播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。第四节腔的模式在激光技术术语中，通常将光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态称为腔的模式模式的特点：腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。同一模式内的光子，具有完全相同的状态（如频率、偏振等）腔内电磁场的本征态由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。一旦给定了腔的具体结构，则其中振荡模的特征也就随之确定下来------腔与模的一般联系。纵模和谐振频率考察均匀平面波在腔中沿轴线方向往返传播的情形。当波在腔镜上反射时，入射波和反射波将会发生干涉，多次往复反射时就会发生多光束干涉。为了能在腔内形成稳定振荡，要求波能因干涉而得到加强。发生相长干涉的条件是：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相（即相差是2的整数倍）。结论：L‘(腔的谐振波长)一定的谐振腔只对一定频率的光波才能提供正反馈，使之谐振2qLqLcq2222qLq2qLq此式又称为驻波条件。表明：达到谐振时，腔的光学长度应为半波长的整数倍。满足此条件的平面驻波场称为腔的本征模式特点：腔内光强沿z轴的分布不是均匀的，而是强弱相间地分布着。光强最强的明亮区，称为波腹；最弱的黑暗区，称为波节。2qL第二章微环形谐振腔原理及特性分析2.1环形谐振腔特性分析决定集成光学环形谐振腔工作性能：定向耦合器的耦合系数k和附加损耗ac，以及环形波导长度L和波导单位长度传输损耗al。Ⅰk指输入光经过定向耦合器后祸合进谐振腔的能量系数，无单位;Ⅱac指定向耦合器输入端能量经过定向耦合器后在输出端总能量的损失比例，用dB表示;ⅢL指环形波导的总长用cm表示;Ⅳal指光波传输一个单位长度波导时损失的能量，用dB/cm表示。分析方法：是基于Fabry一Perot干涉仪的多光束干涉叠加法于是集成光学环形谐振腔的谐振曲线表达式为:自由频谱宽度(FreeSpeetralRange，FSR半高全宽（FullWidthatHalfMaximum）FWHM谐振深度（ExtinctionRadiop）谐振腔主要性能指标定义如下：①谐振频率f。：当光波在谐振腔中传输时，其相位条件满足式时即建立起稳定的谐振状态②谐振深度p:③自由频谱宽度FSR:是指两个谐振频率之间的差频；若用相位表示FSR=2π④半高全宽FWHM:定义为谐振谷的3dB带宽，与耦合系数、谐振腔相关损耗及谐振腔总长有关。用相位来表征，FWHM即2若用频率表示FWHM表示为△F⑤清晰度F：F是衡量集成光学环形谐振腔对光频率敏感程度的重要参数，决定了谐振腔的尖锐度和质量，与耦合器耦合系数、谐振腔相关损耗及谐振腔总长等谐振腔的基本结构参数都有关系。⑥谐振腔品质因数Q：Q=f·储存的能量/每秒钟损失的能量Q表征谐振腔的损失2.2谐振腔的谐振特性结构参数初始值设定如下：D=2.5cmk=0.05ac=0.2dBal=0.0ldB/cm改变其中的任意的参数可以得到不同的参数下的谐振腔的谐振特性曲线：第三章微环形谐振腔的实际应用一SOI环形谐振腔SOI(Silicon-On-Insulator)技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。二基于SOI的同心环微谐振腔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。有限差分时域分析（two-dimensionalfinite-difference-time-domain2D-FDTD）仿真。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（coupledresonatoropticalwaveguide）APF(allpassfilter)四集成光波导陀螺UnitCellα3dBCouplerEIR0REO1EO2集成光波导陀螺系统结构示意图集成光源模块集成光探测器谢谢！