林 康, 化小會(huì)

(1. 臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 臺(tái)州 318000;2. 河南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453007)

基于半導(dǎo)體技術(shù)的新型激光諧振腔研究

林 康1, 化小會(huì)2

(1. 臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 臺(tái)州 318000;2. 河南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453007)

引入微納光纖、采用絕緣硅(SOI)波導(dǎo)材料,設(shè)計(jì)了一種多耦合點(diǎn)的諧振腔濾波器。該濾波器工作方式：當(dāng)光從入射端輸入,經(jīng)過(guò)耦合區(qū)時(shí)一部分光會(huì)因?yàn)橘渴挪ǖ拇嬖诎l(fā)生耦合,耦合進(jìn)入環(huán)形腔的光在滿足諧振條件時(shí)在環(huán)形腔內(nèi)發(fā)生諧振,光在環(huán)形腔中傳播一周后,再次從耦合區(qū)從環(huán)形腔耦合到微納光纖直至輸出。性能分析表明：自耦合系數(shù)的變化不會(huì)對(duì)光強(qiáng)最大峰值產(chǎn)生影響,可以通過(guò)改變傳輸系數(shù)的大小從而實(shí)現(xiàn)耦合效率的調(diào)整,品質(zhì)因數(shù)能達(dá)到10 000以上,衰減能夠有效控制；通過(guò)SOI材料熱膨脹現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)濾波器的性能控制和光開關(guān)性能。

濾波器； 光開關(guān)； 多耦合點(diǎn)； 微環(huán)諧振腔； SOI波導(dǎo)

光的衍射極限導(dǎo)致單個(gè)單元尺寸無(wú)法得到進(jìn)一步突破,只能停留在幾倍甚至幾十倍的光波長(zhǎng)量級(jí)。因此,實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)尺度下光能量的約束和操縱成為當(dāng)前迫切需要解決的難題之一[1-2]。光學(xué)微環(huán)諧振腔作為光學(xué)微腔的一個(gè)重要研究部分,雖然有關(guān)微環(huán)諧振腔方面的研究一直持續(xù)了將近半個(gè)世紀(jì),但這絲毫沒有減少人們對(duì)它的關(guān)注度,有關(guān)光學(xué)微環(huán)諧振腔方面的研究仍舊是一個(gè)充滿活力的領(lǐng)域[3-4]。由于微環(huán)諧振腔本身所具有高的品質(zhì)因素、小的模式體積、易集成、制作工藝成熟、可方便調(diào)諧等優(yōu)勢(shì),已廣泛用于光濾波器、光調(diào)制器、光開關(guān)、激光器、生物探測(cè)和光學(xué)傳感等領(lǐng)域,集成化和微型化是現(xiàn)今光子器件的主要發(fā)展方向,尤其在解決衍射極限問(wèn)題方面[5-7]。

作為其研究重點(diǎn)的微納光纖是一種微觀尺度的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),通常是由空氣為包層及二氧化硅為芯層制作而成[8-9]。與普通光纖相比,微納光纖的相對(duì)折射率差值很大,對(duì)光的束縛能力很強(qiáng),且由微納光纖制作而成的環(huán)形諧振腔相比較于普通光纖尺寸更小、損耗更低、品質(zhì)因數(shù)更高,這些特點(diǎn)都有助于提高由微納光纖環(huán)制作而成的傳感器的靈敏度[10-12]。絕緣硅(silicon-on-insulator,SOI)在當(dāng)前集成光子學(xué)中應(yīng)用較為廣泛,這是由于其具備了兼容性好、成本低、制作成熟等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)采用絕緣硅實(shí)現(xiàn)諧振腔的波導(dǎo)設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn),但大都集中在Q值以及耦合器的應(yīng)用,關(guān)于濾波器的應(yīng)用與調(diào)制很少被報(bào)道[13-15]?；谏鲜霰尘?本文設(shè)計(jì)了一種新型多耦合點(diǎn)的濾波器。

1 理論模型分析

圖1為本文設(shè)計(jì)的多耦合濾波器的環(huán)路光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。理論上,微納光纖環(huán)形諧振腔由一個(gè)半徑為r的環(huán)形腔與一根直微納光纖組合而成。該結(jié)構(gòu)中光的傳輸過(guò)程可以簡(jiǎn)單地描述為：光從入射端輸入,經(jīng)過(guò)直微納光纖與環(huán)形腔的交疊處即耦合區(qū)時(shí),一部分光會(huì)因直微納光纖與環(huán)形腔兩者之間倏逝波的存在而發(fā)生耦合,耦合進(jìn)入環(huán)形腔的光在滿足諧振條件時(shí)在環(huán)形腔內(nèi)發(fā)生諧振,光在環(huán)形腔中傳播1周后,再次從耦合區(qū)從環(huán)形腔耦合到直微納光纖,繼而從Output端口輸出；另一部分沒有耦合進(jìn)入環(huán)形腔的光則直接從直波導(dǎo)的輸出端口Output端輸出。Input端口輸入光的光場(chǎng)為E1,Output端口的輸出光場(chǎng)為E2,在耦合區(qū)域,直微納光纖與環(huán)形腔之間的互耦合系數(shù)為κ,自耦合系數(shù)為t,在耦合區(qū)兩側(cè)環(huán)形腔中的光場(chǎng)分別為E3、E4,互耦合系數(shù)為κ與自耦合系數(shù)t之間滿足κ2+t2=1。微納光纖環(huán)形諧振腔各光場(chǎng)之間的關(guān)系可以通過(guò)式(1)的矩陣進(jìn)行描述：

圖1 多耦合濾波器環(huán)路光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

(1)

在微納光纖環(huán)形腔中耦合區(qū)兩側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)E3與E4之間有如下的關(guān)系：

(2)

并且有：τ=exp(-αL),p=exp(iφ),φ=βL,L=2πr,β=2πneff/λ。其中：L為環(huán)形腔的周長(zhǎng)；β為傳播常數(shù)；neff為介質(zhì)的有效折射率；λ為光在真空中的波長(zhǎng)；τ為光在環(huán)形腔中傳播1周的振幅衰減因子；α為損耗系數(shù)；φ為光在環(huán)形腔中傳播1周經(jīng)歷的相位變化；p為光在環(huán)形腔中傳播一周經(jīng)歷的相位因子。進(jìn)而可以推導(dǎo)出：

(3)

從而可以得出直波導(dǎo)Output端口的歸一化傳輸能量P為

(4)

當(dāng)在環(huán)形諧振腔中的光滿足諧振條件時(shí),即光在環(huán)形腔中的相位變化φ=2mπ時(shí),則有：

(5)

若t=τ,則有單直波導(dǎo)輸出端的出處光場(chǎng)為零,即輸入光光波一部分耦合進(jìn)入環(huán)形諧振腔中,另一部分被完全消耗掉,這個(gè)情況稱為臨界耦合。

進(jìn)而可以得到光場(chǎng)的耦合方程為

(6)

式中Ai和Bi(i=1,2)分別為光波第i次通過(guò)諧振腔的橫向電場(chǎng)和縱向電場(chǎng)。

進(jìn)而可以得到出射的光強(qiáng)傳遞過(guò)程為

(7)

式中，Ef為經(jīng)過(guò)諧振腔出射電場(chǎng)，Eo為橫向出射電場(chǎng)，δ為出射電場(chǎng)與諧振腔的夾角，IA為入射光強(qiáng)，ID為出射光強(qiáng)。

2 仿真特性分析

2.1 參數(shù)性能影響

由前期研究已知,微納光纖的半徑越小,芯層外的倏逝波強(qiáng)度越大,相應(yīng)的耦合區(qū)的耦合效率也會(huì)提高；耦合區(qū)交疊處微納光纖間的距離大小對(duì)耦合效率也會(huì)產(chǎn)生影響。所以,微納光纖直徑、耦合長(zhǎng)度、光纖之間的距離共同決定了耦合效率,即共同決定了自耦合系數(shù)t的大小,進(jìn)一步?jīng)Q定了品質(zhì)因數(shù)Q的大小。圖2是在微納光纖的折射率neff=1.51、振幅衰減因子τ=0.92、環(huán)形諧振腔的半徑r=1 200 nm,自耦合系數(shù)分別為t=0.72,0.82,0.92時(shí),微納光纖直波導(dǎo)Output端的輸出光譜圖。從圖2中可以看出,隨著自耦合系數(shù)的增大,FSR(光強(qiáng)最大峰值)并沒有隨之發(fā)生改變,輸出光譜的峰值隨著自耦合系數(shù)的增大而增大,從而可以得出結(jié)論：自耦合系數(shù)的變化不會(huì)對(duì)FSR產(chǎn)生影響,但會(huì)改變耦合效率大小,從而引起諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q的改變。所以,可以通過(guò)改變自耦合系數(shù)的大小從而實(shí)現(xiàn)耦合效率的調(diào)整。

2.2 濾波性能測(cè)試

依據(jù)上述結(jié)果,對(duì)SOI材料制作的微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行性能測(cè)試。采用折射率neff=1.51、振幅衰減因子τ=0.92、環(huán)形諧振腔的半徑r=1 200 nm。實(shí)際中,如果不能處理好信道和微環(huán)間的間距就對(duì)輸出造成影響。圖3為得到的濾波前后的對(duì)比波形圖。

圖2 微納光纖直波導(dǎo)的輸出光譜圖

圖3 濾波前后輸出光譜特性

從圖3中可以看出：不論自耦合系數(shù)t如何改變,新結(jié)構(gòu)through口和out口輸出光譜的周期性依然不變,但每個(gè)周期內(nèi)的光譜分布卻發(fā)生了劇烈變化,through口的輸出光譜的分布與臨界耦合時(shí)相比有了明顯不同。從圖中可以發(fā)現(xiàn),某些諧振波長(zhǎng)的濾波效果得到了加強(qiáng),某些則受到了抑制,但是它們的周期性始終保持不變,故在制作微環(huán)濾波器時(shí),需要綜合考慮所需輸出信號(hào)的帶寬與強(qiáng)度來(lái)選定適當(dāng)?shù)膮?shù)值。

3 熱膨脹對(duì)濾波性能影響分析

光波導(dǎo)的折射率和長(zhǎng)度的變化會(huì)導(dǎo)致濾波器的輸出光場(chǎng)發(fā)生變化,因此采用熱光效應(yīng)并通過(guò)溫度調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)波長(zhǎng)的輸出光強(qiáng)調(diào)制。由前人研究可知,SOI材料負(fù)熱光系數(shù)良好,當(dāng)溫度提高時(shí)會(huì)表現(xiàn)為熱膨脹現(xiàn)象,即當(dāng)溫度增加時(shí)波導(dǎo)會(huì)因?yàn)闊崤蛎浂l(fā)生長(zhǎng)度變化,這樣必然會(huì)導(dǎo)致輸出光強(qiáng)發(fā)生變化,圖4給出了熱膨脹對(duì)濾波性能影響分析。從圖4可知，在溫度在52 K左右時(shí)輸出光強(qiáng)迅速上升到0dB。上述結(jié)果體現(xiàn)了很好的濾波性能,且能夠利用這一結(jié)果實(shí)現(xiàn)光開關(guān)性能,在室溫范圍(290 K左右)時(shí)也能表現(xiàn)為上述現(xiàn)象,這說(shuō)明在室溫下就能很好地控制濾波與開關(guān)。

圖4 1.54 μm光波輸出光強(qiáng)與溫度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種新型的多耦合點(diǎn)的微環(huán)濾波器,采用了微納光纖建立對(duì)應(yīng)的數(shù)理模型,并對(duì)模型完成了特性分析,結(jié)果能夠?yàn)閷?shí)際器件提供參考。濾波性能對(duì)比可看出,光強(qiáng)最大峰值沒有因?yàn)镾OI材料波導(dǎo)的引入而發(fā)生變化,且其品質(zhì)因數(shù)能夠達(dá)到10 000以上,衰減能有效控制。可以利用SOI材料熱膨脹現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)濾波器的性能控制和光開關(guān)性能。

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Research on new laser resonator based on semiconductor technology

Lin Kang1, Hua Xiaohui2

(1. School ofMechanical and Electrical Engineering,Taizhou Vocational and Technical College,Taizhou 318000,China; 2. School of Mathematics and Information Science,Henan Normal University,Xinxiang 453007,China)

By introducing the micro nano-fiber and adopting the SOI(silicon on insulator) waveguide material,a multi-coupling resonant cavity filter is designed. The designed filter works as follows: when the light comes in from the incoming end input,part of the light is coupled by the presence of evanescent waves in the coupling region,the resonance of the light coupled into the ring cavity occurs when the resonance conditions are met,and after a week of propagation in the ring cavity,the light is coupled from the ring cavity through the coupling cavity to the micro nano-fiber again until the output. The performance analysis shows that the change of self coupling coefficient has no effect on the maximum intensity peak,the transmission coefficient can be changed so as to realize the coupling efficiency of the adjustment,and the quality factor can reach more than 10 000,the attenuation performance can be effectively controlled. The performance control and the optical switch performance of the designed filter are achieved by thermal expansion of SOI material.

filter; optical switch; multi-coupling points; micro ring resonator. SOI waveguide

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.017

2017-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51406176)；臺(tái)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(1401KY16)

林康(1983—),男,浙江臺(tái)州,碩士,講師,主要從事機(jī)電一體化技術(shù)研究.

E-mail：zhourongrong147@126.com

TN248.4

A

1002-4956(2017)07-0063-03