鹿利單 祝連慶 曾周末? 崔一平 張東亮 袁配

1) (天津大學(xué),精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

2) (北京信息科技大學(xué),光電測試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192)

3) (東南大學(xué),先進(jìn)光子學(xué)中心,南京 210096)

硅基光子技術(shù)的發(fā)展為新型微納光學(xué)功能器件和片上系統(tǒng)提供了高可靠、高精度的實(shí)現(xiàn)手段.采用硅基光子技術(shù)構(gòu)建的具有連續(xù)(準(zhǔn)連續(xù))模式微腔與離散模式的微腔耦合產(chǎn)生的Fano 共振現(xiàn)象得到了廣泛關(guān)注.Fano 共振光譜在共振波長附近具有不對稱且尖銳的諧振峰,傳輸光的強(qiáng)度在共振波長附近從0 突變?yōu)?,該機(jī)制可顯著提高硅基光開關(guān)、探測器、傳感器,以及光非互易性全光信號處理的性能.本綜述分析了Fano 共振的一般數(shù)學(xué)表述,總結(jié)了當(dāng)前硅基光子微腔耦合產(chǎn)生Fano 共振的理論模型研究現(xiàn)狀,討論了不同類型硅光器件實(shí)現(xiàn)Fano 共振的方法,比較各種方案優(yōu)劣及適用場合,梳理了Fano 共振在全光信號處理方面的應(yīng)用研究情況.最后探討存在的一些問題及未來可能的相關(guān)研究方向.

1 引 言

Fano 共振現(xiàn)象可追溯到1935 年,柏林大學(xué)的Beutler 觀察到的稀有氣體的吸收光譜具有不對稱性,羅馬物理學(xué)家Fermi 建議其學(xué)生Fano 研究這一現(xiàn)象的光譜特性[1].Fano 首次通過理論解釋這種現(xiàn)象,指出Beutler 觀察到的光譜是由自電離過程中的量子干涉產(chǎn)生的.簡單地來說就是在稀有氣體原子中,外界能量使多個(gè)電子躍遷到激發(fā)態(tài),且激發(fā)態(tài)處于第一電離能以上,處于離散態(tài)與連續(xù)態(tài)能量的電子間發(fā)生量子干涉,相應(yīng)光譜被稱為Fano 共振光譜.Fano 雖然給出具有反對稱線形的Fano 公式,但是并未進(jìn)行定量分析[2].需要指出的是,Fano 公式能夠描述目前存在各種系統(tǒng)中的Fano 共振現(xiàn)象.直到1961 年,得益于高分辨率電子光譜學(xué)和同步輻射加速器的發(fā)展,Fano 在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了量子干涉理論能夠解釋不對稱光譜的產(chǎn)生[3].

通常光學(xué)諧振腔的傳輸譜具有對稱Lorentzian線形,是許多光子學(xué)應(yīng)用的核心.若將窄帶Lorentzian 響應(yīng)疊加在寬帶背景場上,出現(xiàn)一種反對稱共振線形光譜,形成的光譜稱為Fano 共振光譜.近年來,納米光子學(xué)[4,5]及其他研究分支如超晶格[6]、超材料[7,8]、等離子[9]及光子晶體(空間光及片上)都報(bào)道了Fano 共振現(xiàn)象[10].在納米光子學(xué)中,最初引入Fano 共振的是等離子體結(jié)構(gòu),但其熱損耗限制了光學(xué)器件的性能,而在全介質(zhì)波導(dǎo)引入Fano器件中,就沒有此類問題.基于絕緣襯底上硅(silicon-on-insulator,SOI)的平面波導(dǎo)回路具有[11]體積小、與III-V 族有源光器件和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路易實(shí)現(xiàn)單片/混合集成、驅(qū)動功耗低等優(yōu)勢.硅及其擴(kuò)展材料體系提供了非常強(qiáng)大的光子平臺,可實(shí)現(xiàn)片上光耦合、光傳輸、光調(diào)制及光探測.硅光Fano 共振的實(shí)現(xiàn)是通過諧振腔間的相互耦合,諧振腔的強(qiáng)光子限制能力使其成為關(guān)鍵的通用器件,它的優(yōu)勢來源于成熟微電子技術(shù)和光電子技術(shù)在微納范疇內(nèi)的有機(jī)結(jié)合.目前部分硅光子諧振器件已發(fā)展較為成熟,具體包括: 用于光通信的法布里-珀羅濾波器[12]及基于陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器[13],用于微波光子鏈路的微環(huán)諧振腔調(diào)制器[14],以及實(shí)現(xiàn)多功能生化傳感的陣列微環(huán)諧振腔[15,16].

目前基于硅光器件的Fano 共振現(xiàn)象受到廣泛關(guān)注,就理論研究而言,Fano 公式最初來源于電子能量躍遷后產(chǎn)生的量子干涉,對于通信波長,單光子能量不足以引起硅原子的外層電子發(fā)生能級躍遷,不能用量子干涉理論理解硅光子產(chǎn)生Fano 共振機(jī)理.Bekelee 等[17]在2019 年對二維光子晶體產(chǎn)生Fano 共振現(xiàn)象進(jìn)行了綜述,而利用硅光子器件包括微環(huán)諧振腔、光子晶體納米梁腔及馬赫-曾德爾干涉儀等其他片上結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的Fano 共振的進(jìn)展并未有綜合性的總結(jié)及探討,僅Miroshnichenko等[4]于2010 年總結(jié)了部分關(guān)于硅光實(shí)現(xiàn)Fano 共振的方法.就應(yīng)用層面而言,目前基于Fano 共振的光開關(guān)、光調(diào)制、光傳感及光隔離等全光信號處理器件逐漸成熟,針對不同的應(yīng)用,Fano 共振器件從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化及其他物理現(xiàn)象的結(jié)合的層面都不同.

本文主要從4 個(gè)方面綜述了硅光子平臺產(chǎn)生Fano 共振相關(guān)研究進(jìn)展.首先,本文對硅光器件產(chǎn)生此現(xiàn)象的機(jī)理及分析方法進(jìn)行梳理,現(xiàn)有研究對于器件的關(guān)鍵參數(shù)提取略有不同,我們列舉了不同表達(dá)方式并進(jìn)行了歸納; 其次,歸類硅光子器件中產(chǎn)生Fano 現(xiàn)象的方法; 再次,介紹Fano 器件的全光信號處理及應(yīng)用; 最后,對硅光子器件Fano 共振存在的難點(diǎn)和問題、國際學(xué)術(shù)界研究趨勢及后續(xù)的發(fā)展方向展開探討.

2 硅光子平臺中的Fano 共振機(jī)理及描述方法

2.1 Fano 共振的一般特征

當(dāng)離散的量子態(tài)于連續(xù)態(tài)發(fā)生耦合時(shí)會產(chǎn)生Fano 共振現(xiàn)象,其吸收光譜由著名的Fano 公式描述[3],考慮到整個(gè)系統(tǒng)除了吸收外,還有非共振散射能量的分量[18,19],Fano 共振吸收光譜σ(ε)的標(biāo)準(zhǔn)化形式為

其中,ε= 2(ω–ω0)/Γ代表能量減少的無量綱標(biāo)度,Γ與ω0分別代表共振峰的半高寬與共振峰中心角頻率; |D|2= 4 sin2δ是系統(tǒng)的非共振振幅傳輸系數(shù)(δ表示連續(xù)狀態(tài)能量相對于分立狀態(tài)的相移); 不對稱參數(shù)q= cotδ表示兩個(gè)狀態(tài)之間相互作用,也可描述為“混合”狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)的比例.

我們來簡單討論一下Fano 共振吸收光譜隨各參數(shù)的變化情況.如圖1(a)所示,參量q隨δ以π 為周期變化,當(dāng)δ=nπ (n為整數(shù))時(shí),|q|→∞,吸收譜中離散信號強(qiáng)度占主導(dǎo)地位,光譜表現(xiàn)為Lorentzian 線形,因此Lorentzian 是Fano 共振的特例;δ= (n+1/2)π,q= 0,在共振頻率處對稱下陷,表明離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)之間發(fā)生相消干涉,而在文獻(xiàn)[4,20]中它被稱為逆Lorentzian 或反Lorentzian 共振,Fano 線形演變成電磁誘導(dǎo)透明(electromagnetically induced transparency,EIT),它表示傳輸光譜的共振受到抑制,EIT 也是Fano共振的特例;q=–1 和q= 1 的傳輸譜分別是由圖1(c)和圖1(e)表示,從傳輸譜形狀可以看出離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)之間同時(shí)存在相長和相消干涉,q= –1 (+1)時(shí),Fano 共振的光強(qiáng)最大值與最小值連線的斜率(這里用S表示)為正(負(fù)).如圖1(g)中所示,Γ描述Fano 光譜的線寬,線寬越窄,Fano線形越陡峭.吸收譜隨共振頻率的變化如圖1(h)所示,光譜形狀保持不變,對于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧Fano共振光譜具有重要意義.

2.2 硅光子平臺中的Fano 共振機(jī)理及理論描述方法

2002 年Fan[21]利用全介質(zhì)硅基耦合腔首次在理論上實(shí)現(xiàn)了Fano 共振光譜,采用經(jīng)典傳輸矩陣法進(jìn)行傳輸譜分析,由于傳輸矩陣法易于理解,且每種硅光器件都有各自的傳輸矩陣,因此此種分析方式至今沿用[22],但是不適合直觀地表示腔間耦合效應(yīng)對Fano 共振的影響; 有學(xué)者采用直接類比法解釋硅光諧振腔產(chǎn)生的Fano 共振現(xiàn)象,將量子干涉中的離散態(tài)與連續(xù)態(tài)各自的衰減因子類比為兩個(gè)腔的光子壽命,離散態(tài)與連續(xù)態(tài)的相互作用因子類比為兩諧振腔的耦合系數(shù),得到諧振腔耦合的傳輸光譜的公式[23].到目前為止,已報(bào)道的用于Fano 共振的物理性質(zhì)和主要特征的Fano-Anderson模型[4,24,25],均采用類比法來描述Fano 共振現(xiàn)象.由于物理機(jī)制的不同,采用類比法,不利于理解硅光子產(chǎn)生Fano 共振的機(jī)理; Limonov 等[5]采用耦合模式微擾理論分析了硅光子Fano 共振,雖然Fano 公式中q并未具體化且忽略了高Q腔的損耗,但是通過建立理論模型,能夠使得器件的物理參數(shù)與Fano 公式的參數(shù)建立解析關(guān)系.

圖1 (a) q 與相移δ 之間的關(guān)系曲線; (b)—(f) q → ? ∞ ,q = –1,q = 0,q = +1,q → + ∞ 時(shí)對應(yīng)的傳輸光譜; (g)不同半高寬Γ 對Fano 線形的影響; (h)不同共振波長ω0 對應(yīng)的光譜Fig.1.(a) Relationship between q and the phase shift δ; (b)–(f) transmitted spectra corresponding to q → ? ∞ ,q =–1,q = 0,q = + 1,q → + ∞ ,respectively; (g) effect of different half-widths Γ on Fano lineshapes; (h) different spectra corresponding to different resonance wavelengths ω0.

耦合模式微擾理論[26]法能夠通過嚴(yán)格的電磁理論計(jì)算波導(dǎo)器件傳輸譜,從而可以反映器件的耦合參數(shù)對傳輸譜的影響.2003 年Fan 等[27]采用耦合模式理論結(jié)合時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱性和耦合能量守恒推導(dǎo)出Fano 共振光譜; 2010 年Li 等[28]研究表明由腔模式耦合引起的模式分裂可以形成不同的類型透射譜,包括模式分裂、EIT 和Fano 共振等光譜; Du 等[29,30]證明波導(dǎo)耦合模式理論能夠用來判斷Fano 共振與模式分裂產(chǎn)生的條件,并建立了側(cè)向耦合腔形成Fano 共振傳輸光譜.諧振腔間的耦合方式可歸納為如圖2 中所示的5 種類型,或者是這幾種耦合形式的組合.本文中所涉及的硅光器件耦合產(chǎn)生Fano 共振的簡化模型都可以采用上述模型來描述.圖2(a)—(c)對應(yīng)兩個(gè)諧振腔耦合后,經(jīng)低Q腔耦合回總線波導(dǎo),其中,圖2(a)為輸入波導(dǎo)端面耦合低Q腔,圖2(b)為側(cè)邊耦合輸入波導(dǎo),圖2(c)為嵌入式波導(dǎo)結(jié)合側(cè)邊耦合輸入波導(dǎo).圖2(d)為經(jīng)高Q腔端面耦合回總線波導(dǎo),圖2(e)為兩個(gè)諧振模式耦合后共同側(cè)邊耦合回總線波導(dǎo).

圖2(a)是側(cè)邊耦合的簡化模型結(jié)構(gòu),低Q腔與輸入和輸出波導(dǎo)相連,μ是高Q腔和低Q腔的耦合系數(shù),低Q腔波導(dǎo)因耦合引起的衰減為1/τc,τc為光子壽命.低Q腔和高Q腔模式的振幅分別為α1和α2,諧振頻率為ω1和ω2,總損耗為1/τt1和1/τt2.因此,α1,2=A1,2exp[(iω1,2?1/τt1,t2)t] .僅考慮兩個(gè)腔之間的耦合,根據(jù)耦合模式理論[29,30]:

將(2)式轉(zhuǎn)化為

其中α1,α2不為零,該方程的系數(shù)為零,得到方程的本征解:

圖2 硅基光子諧振腔不同耦合方式的簡化模型 (a)—(c) 側(cè)邊直接耦合腔; (d) 端面耦合腔; (e)側(cè)邊間接耦合腔Fig.2.A simplified model of different coupling modes of the silicon-based photonic resonator: (a)–(c) Directly side coupled cavities;(d) end-coupled cavities; (e) indirectly side coupled cavities.

Δ與μ2之間的關(guān)系可以用來判斷傳輸譜是模式分裂還是Fano 共振,d被定義為判定系數(shù).當(dāng)μ2>Δ,發(fā)生模式分裂,因?yàn)榇藭r(shí)開根號里面的是實(shí)數(shù),使得本征頻率的實(shí)部由兩部分組成,即存在兩個(gè)模式,形成模式分裂; 而μ2≤Δ,即耦合腔處于弱耦合,這種情況下才有可能產(chǎn)生Fano 共振.

在Fano 共振條件下,si和st表示輸入和輸出的波導(dǎo)模式振幅,si=Sieiωt,耦合模方程可以表示為[26,29,30]

諧振腔的光子壽命與品質(zhì)因子Q的關(guān)系為Q=2ωτ.輸出模式振幅與低Q腔的模式振幅關(guān)系為,輸出光功率T=|t|2,因此由(6)式可以得到輸出光譜的解析表達(dá)式為

文獻(xiàn)[19,30?34]中的結(jié)構(gòu)可等效為圖2(a)中側(cè)邊耦合模型,綜合考慮文獻(xiàn)中諧振腔參數(shù),設(shè)定Qc= 150,Q2= 50000,Q1= 50,ω= 4.4 ×1014—6.6×1015Hz (λ= 1.3—2 μm),判定系數(shù)d= 1,20.Fano 共振形成條件及由(7)式獲得的傳輸光譜如圖3 所示.

從圖3 及公式分析可以得出以下結(jié)論:

1) 兩個(gè)諧振腔工作在弱耦合狀態(tài)是形成Fano 共振的前提.如圖3(a)所示,耦合判定系數(shù)d< 4 時(shí),μ2>Δ,兩個(gè)諧振腔處于強(qiáng)耦合狀態(tài),輸出光譜發(fā)生模式分裂.d遠(yuǎn)大于4 時(shí),Fano 共振非常顯著.因?yàn)轳詈舷禂?shù)減小,其物理實(shí)現(xiàn)方法是增大諧振腔耦合間隙,因此μ2不會無限制的減小.

2) 當(dāng)ω1>ω2,即低Q值的諧振波長大于高Q值的諧振波長時(shí),斜率S為正,反之為負(fù).因此,在其他條件固定的情況下,Fano 共振峰斜率的方向主要由兩個(gè)腔的諧振頻率差值決定.因此Fano 共振公式(1)中Fano 譜形參數(shù)q共振線形部分取決于諧振腔諧振頻率ω2–ω1的失諧量,與文獻(xiàn)[5]中描述一致.兩個(gè)諧振腔的諧振頻率相同時(shí),如圖3(b)所示,會形成EIT 現(xiàn)象,因此EIT是Fano共振特定條件下的一種現(xiàn)象.EIT 可應(yīng)用于光存儲[35],也可利用其慢光效應(yīng),增強(qiáng)光的能量密度,即增強(qiáng)光與被測物質(zhì)的相互作用,可提高微量物質(zhì)能檢測極限[36].

圖 3 (a) Fano共振形成條件; (b) ω2 – ω1的失諧量對Fano 共振線形的影響Fig.3.(a) Formation conditions for Fano resonance; (b) the effect of ω2 – ω1 on Fano resonance.

為了方便后續(xù)討論及比較Fano 共振現(xiàn)象的基本參數(shù),下面對Fano 共振描述參數(shù)進(jìn)行說明并糾正部分參數(shù)定義.

1)斜率: 也稱光譜分辨率,共振波長處的斜率定義為在Fano 共振透射波谷和峰值之間光強(qiáng)相對于波長的變化率,可表示為S = ΔI/Δλ.

2)消光比: 這部分與Lorentzian 定義一樣,透射波谷和峰值之間的功率差值,單位為dB.

3)共振波長: 對于共振波長很多文獻(xiàn)定義不一樣,如文獻(xiàn)[37]將Fano 共振的谷底位置作為共振波長,文獻(xiàn)[20]將波谷對應(yīng)波長與波峰對應(yīng)波長的平均值作為共振波長.如圖1(c)和圖1(e)所示,共振波長位置可以描述為: 將波峰峰值功率降低一半的基準(zhǔn)線定義為L1,波峰與波谷構(gòu)成的直線定義為L2,L1與L2的交叉點(diǎn)對應(yīng)的波長即共振波長,并非Fano 線形的峰值或者谷值.

4)品質(zhì)因子: Fano 線形的峰值與谷值之間的波長間隔作為半高寬ωFWHM,品質(zhì)因子為共振波長除以半高寬,即Q = ω0/ωFWHM.

3 Fano 共振在硅光器件中的產(chǎn)生方法

3.1 光子晶體納米梁

文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[17]全面地介紹了光子晶體Fano 共振及面內(nèi)光子晶體Fano 共振.與二維平板光子晶體和三維光子晶體不同,線性周期性光波導(dǎo)中點(diǎn)缺陷稱為光子晶體納米梁腔(photonic crystal nanobeam cavity,PCNC),其除了具備光子晶體的特性外,且具有更小的加工尺寸,因此本部分主要總結(jié)平面內(nèi)一維PCNC 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Fano共振方法.如圖4 所示,利用PCNC 結(jié)構(gòu)對光子的限制作用,使得光的離散模式與連續(xù)模式、準(zhǔn)連續(xù)模式或者光子晶體帶隙邊緣模式發(fā)生側(cè)向耦合,可以獲得不同性能參數(shù)的Fano 共振光譜.

圖4(a)是首次利用PCNC 實(shí)現(xiàn)Fano 共振的結(jié)構(gòu)[38],波導(dǎo)的基模能夠被限制在中間部分空氣孔內(nèi),具有奇對稱性的二階準(zhǔn)TE 模式的40%的功率以泄漏模存在.其中,光引入/引出是通過衍射光柵進(jìn)行實(shí)現(xiàn),當(dāng)單模光纖位于光柵耦合器的中心時(shí),奇對稱二階模與光纖基模無重疊,只有一階波導(dǎo)模式被激發(fā),透射光譜為Lorentzian 線形.但是當(dāng)輸入和輸出光纖都偏離中心時(shí)(微米量級),光纖基模與二階模式部分重疊,此時(shí)二階泄漏模與光子晶體腔基模進(jìn)行耦合,產(chǎn)生Fano 共振.

上述方式通過調(diào)節(jié)光纖位置來獲得Fano 共振,并不適合片上集成,而圖4(b)中的PCNC 側(cè)耦合F-P 諧振腔的結(jié)構(gòu)[39]有效地解決此問題,在具有周期性空氣孔的直波導(dǎo)引入缺陷構(gòu)成了PCNC,直波導(dǎo)中的兩個(gè)孔用作部分反射單元,形成F-P 諧振腔.由于納米梁的兩邊各8 個(gè)微孔反射 鏡,使 得PCNC 的 光 子 壽 命 較 低,Q 值 僅 為1720,實(shí)驗(yàn)最終獲得的Fano 光譜的斜率僅為5.3 dB/nm,消光比為7.5 dB.

圖4 各種PCNC 產(chǎn)生Fano 共振的方法 (a)單PCNC[38]; (b) PCNC 側(cè)耦合F-P 諧振器[39]; (c)納米微機(jī)電結(jié)構(gòu)動態(tài)控制Fano 共振光譜[37]; (d) PCN 的帶隙邊緣模式耦合PCNC[40]; (e)具有簡并帶隙邊緣模式的雙PCNC[43]; (f)雙排PCN 構(gòu)建的布拉格反射結(jié)構(gòu)的(i)整體結(jié)構(gòu)圖和(ii)俯視圖[44]Fig.4.Various PCNC structures for Fano resonance: (a) Single PCNC[38]; (b) PCNC side coupled F-P resonator[39]; (c) dynamic control of Fano resonance with a nanoelectromechanical structure[37]; (d) band edge mode of PCN couple with PCNC[40]; (e) double PCNCs with degenerate band edges mode[43]; (f) the overall structure (i) and top view (ii) Bragg reflection structure constructed with double-row PCN[44].

由2.2 節(jié)理論分析可知,調(diào)節(jié)兩個(gè)諧振腔的耦合系數(shù)可調(diào)控Fano 共振光譜,圖4(c)所示結(jié)構(gòu)為圖4(b)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了動態(tài)控制納米微機(jī)電系統(tǒng)[37],PCNC 兩邊各39 個(gè)反射空氣孔,因此具有較高的Q 值.懸空波導(dǎo)F-P 腔被固定,PCNC連接到雙向梳齒驅(qū)動器,當(dāng)用電壓驅(qū)動執(zhí)行器時(shí),PCNC 以高位移分辨率雙向平移,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)腔之間的間隙調(diào)節(jié)(耦合系數(shù)),從而控制Fano 共振的形狀,此種方法需要波導(dǎo)結(jié)構(gòu)懸空,工藝復(fù)雜度高.

為了增大Fano 器件的消光比及光譜斜率,Meng 等[40]采用光子晶體納米梁(photonic crystal nanobeam,PCN)的帶隙邊緣模式作為連續(xù)狀態(tài),將PCNC 模式作為離散狀態(tài),結(jié)構(gòu)如圖4(d)所示,通過改變光子晶體的光子帶隙的位置,利用高或低頻帶邊緣模式,進(jìn)一步控制Fano 傳輸曲線,改變納米梁腔的間距,能夠調(diào)整帶隙邊緣模式,同時(shí)調(diào)整雙腔的耦合系數(shù),可實(shí)現(xiàn)較高的性能Fano 光譜.此結(jié)構(gòu)衍生出很多應(yīng)用,如高靈敏度的Fano 共振折射率傳感[41]及高對比度且低功耗Fano 共振光開關(guān)[33,42].

圖4(e)[43]結(jié)構(gòu)同樣利用光子晶體帶隙邊緣模式進(jìn)行Fano 共振光譜優(yōu)化.在硅波導(dǎo)上引入兩排平行周期性的納米孔,兩排孔沿橫向(x 軸)偏移距離為x0,孔縱向(z 軸)偏移z0= 90 nm,能夠?qū)崿F(xiàn)簡并帶隙邊緣色散的設(shè)計(jì).常規(guī)能帶邊緣(z0= 0)在相同頻率下,邊緣共振腔模式與倏逝場模式電場的矢量不同,偏移值z0= 90 nm,兩種模式的能帶邊緣簡并,邊緣共振腔模式與倏逝場模式的兩個(gè)簡并態(tài)耦合發(fā)生Fano 共振.

上述PCN 是基于SOI 平臺設(shè)計(jì)加工的,而圖4(f)中結(jié)構(gòu)上是利用硅材料加工懸空結(jié)構(gòu)形成雙排周期性光子晶體結(jié)構(gòu)[44],實(shí)現(xiàn)布拉格反射,而硅-空氣界面的～55%的端面反射寬帶光,兩反射光進(jìn)行耦合,通過改變兩個(gè)反射的相對相位實(shí)現(xiàn)單結(jié)構(gòu)反射式Fano 共振,光譜的消光比僅為3 dB,器件的溫度靈敏度為77 pm/℃.

PNCN 產(chǎn)生Fano 共振方案及其對應(yīng)的性能指標(biāo)如表1 所列.

3.2 微環(huán)諧振腔

微環(huán)諧振腔(micro ring resonator,MRR)作為硅光器件中最基本的結(jié)構(gòu),具有較高的光子壽命且結(jié)構(gòu)緊湊.這種結(jié)構(gòu)共振模式通常作為離散模式,通過與其他連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)模式的硅光結(jié)構(gòu)耦合,可以實(shí)現(xiàn)種多種類的Fano 共振.從Fano 共振實(shí)現(xiàn)方式來看,主要可以分為兩類,一類是MRR 的模式作為離散態(tài),總線波導(dǎo)直接引入連續(xù)態(tài)/準(zhǔn)連續(xù)態(tài)模式.此類結(jié)構(gòu)不犧牲MRR 的尺寸,基本簡化模型都可以用圖2(a)表示; 另外一類是由多個(gè)微環(huán)相互耦合構(gòu)成的,此類結(jié)構(gòu)易于其他材料體系結(jié)合,形成性能較高的器件.

表1 不同PCNC 產(chǎn)生Fano 共振的參數(shù)表Table 1.Parameters for Fano resonance based on different PCNCs.

3.2.1 緊湊型微環(huán)諧振腔產(chǎn)生Fano 共振的方法

為了不犧牲MRR 的緊湊性,通常在總線波導(dǎo)中直接引入部分反射單元(如F-P 腔).首次實(shí)現(xiàn)的緊湊型微環(huán)Fano 共振的結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,總線波導(dǎo)中間部分與總線波導(dǎo)錯(cuò)位[46]連接(形成F-P 腔),形成的部分反射單元引入后向傳播的光場,這些光場干擾前向傳輸波的相位,形成Fano共振.

圖5(b)為雙模式Fano 共振的結(jié)構(gòu)圖,其由兩個(gè)波導(dǎo)輸入端、模式發(fā)生器、多?？偩€波導(dǎo)、單模環(huán)、模式濾波器及雙輸出端組成.總線波導(dǎo)[47]同時(shí)激發(fā)基模TE0,0與二階模式TE1,0,單模MRR 耦合雙模總線波導(dǎo),輸出的Fano 光譜線形取決于兩個(gè)輸入模式的耦合系數(shù)、相對功率分布和相對相位差.“輸入1”端口激發(fā)TE0,0模式,“輸入2”端口激發(fā)TE1,0模式,波導(dǎo)中雙模模式的功率和相對相位由“輸入1”和“輸入2”獨(dú)立控制.模式濾波器在結(jié)構(gòu)上類似模式發(fā)生器,用于將兩種不同模式進(jìn)行分離,最終兩端口輸出的Fano 共振光譜斜率相反.

如圖5(c)所示,總線波導(dǎo)的端面反射形成F-P諧振腔[48],跑道型MRR 諧振器的離散模式與F-P諧振模式耦合產(chǎn)生Fano 共振.當(dāng)F-P 和MRR 的共振具有π 相位差時(shí),光譜斜率變得陡峭,消光比達(dá)到30 dB,折射率檢測極限為～10–8RIU (refractive index unit).圖5(d)給出了復(fù)合MRR 產(chǎn)生Fano 共振[49],add-drop 環(huán)形諧振腔中drop 端口和輸入端口環(huán)路連接.光的傳播路徑有兩條: 一條是雙耦合的環(huán)形諧振器,另一條包含反饋回路,Fano 共振線形可以通過調(diào)整反饋回路的長度來調(diào)整.Zhao 等[50]對這種Fano 共振的調(diào)諧特性及其反饋耦合波導(dǎo)的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究,在反饋波導(dǎo)加上電光調(diào)制及在MRR 加上熱調(diào)制,獲得了消光比為30.8 dB、光譜分辨率為226.5 dB/nm 的Fano共振光譜.由于MRR 的drop 與through 端口的共振峰的位置一致,因此每個(gè)共振峰處具有一致性較好的Fano 線形.

圖5(e)的結(jié)構(gòu)是通過在MRR 外圈引入布拉格光柵的方式實(shí)現(xiàn)Fano 共振[51].布拉格光柵引入部分缺陷,光柵缺陷的長度稍微偏離布拉格周期形成π 相移,得到具有相移光柵的MRR,具有準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)的相移光柵與具有離散狀態(tài)的MRR 相互耦合形成Fano 共振.

下面介紹在總線波導(dǎo)中引入部分反射結(jié)構(gòu)(PCNC、相移光柵及F-P 諧振腔)形成Fano 共振的方法.如圖5(f)中(i)結(jié)構(gòu)所示,MRR 與由兩個(gè)布拉格光柵形成的F-P 諧振器耦合[52],獲得了消光比為22.54 dB、斜率為250.4 dB/nm 的Fano共振光譜.利用其在共振波長處強(qiáng)雙光子吸收引起的非線性熱光效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)Fano 共振波長的調(diào)諧[31].由于這種 Fano 共振的頻譜響應(yīng)具有陡峭的邊緣,可用于將微波信號的頻率信息轉(zhuǎn)換為光功率變化信息,使得器件在15 GHz 的頻率測量范圍內(nèi),分辨率優(yōu)于 ±0.5 GHz.調(diào)節(jié)MRR 與由兩個(gè)布拉格光柵形成的F-P 諧振器之間的耦合強(qiáng)度[53],結(jié)構(gòu)如圖5(f)中(ii),MRR 諧振器中的模式突變π相移,兩個(gè)諧振器之間從相長干涉轉(zhuǎn)換為相消干涉形成EIT.在MRR 諧振器從過耦合到欠耦合狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中,EIT 傳輸譜到Fano 共振傳輸譜演變具有連續(xù)性,光譜的消光比可達(dá)43 dB.

圖5 緊湊型MRR 產(chǎn)生Fano 共振的方法 (a)錯(cuò)位總線波導(dǎo)耦合MRR[46]; (b)雙模式總線波導(dǎo)耦合MRR[47]; (c)直波導(dǎo)端面反射耦合MRR[48]; (d) 反饋直波導(dǎo)耦合MRR[50]; (e)直波導(dǎo)耦合帶有相移布拉格光柵的MRR[51]; (f)總線波導(dǎo)結(jié)合光柵/空氣孔/狹縫耦合MRR[20,34,54?56]Fig.5.Various MRRs with compact footprint for Fano resonance: (a) Straight waveguide with misalignment[46]; (b) dual-mode bus waveguide[47]; (c) straight waveguide with end face reflection[48]; (d) straight waveguide with feedback[50]; (e) MRR with phase-shifted Bragg grating[51]; (f) bus waveguide combined Bragg grating/air holes/slits[20,34,54?56].

總線波導(dǎo)引入空氣孔/狹縫(三類結(jié)構(gòu))可提高Fano 共振折射率靈敏度,因此多用于生化檢測.亞波長周期的梯形硅MRR 與矩形亞波長光柵總線波導(dǎo)進(jìn)行耦合[54],MRR 的光柵具有部分反射效果與MRR 自身的離散模式相互作用,在共振波長處形成尖銳的不對稱Fano 共振; 狹縫MRR 與狹縫相移布拉格光柵總線波導(dǎo)進(jìn)行耦合[55]; PCNC與MRR 進(jìn)行耦合(圖5(f)中(iii))[56],或者總線波導(dǎo)中兩個(gè)氣孔形成的F-P 與MRR 進(jìn)行耦合(圖5(f)中(iv))[34].帶寬較窄的離散狀態(tài)和帶寬較寬的非離散狀態(tài),兩個(gè)腔室的共振波長不是每個(gè)都重合,所以產(chǎn)生Fano 共振的同時(shí),在相近的共振波長可能出現(xiàn)EIT 或者Lorentzian 光譜.除了上述方案,最簡單的方法是在總線波導(dǎo)引入1 個(gè)空氣孔[20],結(jié)構(gòu)如圖5(f)中(v),單個(gè)空氣孔的引入使連續(xù)傳播模式的直波導(dǎo)與離散傳播模式的MRR之間產(chǎn)生相移,形成Fano 共振,且所有共振波長處都為Fano 線形.

緊湊型MRR 產(chǎn)生Fano 共振方案及其對應(yīng)的性能指標(biāo)如表2 所列.

3.2.2 多微環(huán)諧振腔產(chǎn)生Fano 共振的方法

多微環(huán)諧振腔產(chǎn)生Fano 共振的理論分析方法主要有三種.第一種采用耦合模式理論分析間接耦合腔(圖6(a))[57],MRR 之間通過總線波導(dǎo)間接耦合,調(diào)整耦合強(qiáng)度和傳播相位差,能夠獲得Fano共振光譜; 第二種是將圖2(a)總線波導(dǎo)上的F-P側(cè)邊耦合諧振腔等效為兩個(gè)F-P 腔[36](圖6(b)),形成單個(gè)Fano 共振單元,這種分析方式適合研究多單元級聯(lián)結(jié)構(gòu),如用于分析兩個(gè)Fano 單元級聯(lián)形成頻率可調(diào)的EIT; 第三種采用耦合模傳輸矩陣法分析以MRR 為單元的級聯(lián)諧振腔,能夠得出系統(tǒng)的色散及模式之間的相互作用對Fano 共振的影響,此方法可單獨(dú)分析每個(gè)通道的Fano 共振,對多通道Fano 濾波、傳感及波分復(fù)用具有重要的指導(dǎo)意義[58].

按照MRR 的耦合方式來區(qū)分,多MRR 耦合產(chǎn)生Fano 共振的結(jié)構(gòu)主要分為兩類: 一類是MRR 嵌套結(jié)構(gòu),另外一類是MRR 串并聯(lián)結(jié)構(gòu).

首先介紹MRR 嵌套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Fano 共振的方案.浙江大學(xué)Qiu 等[59]設(shè)計(jì)跑道型MRR 內(nèi)部嵌入MRR,結(jié)構(gòu)見圖6(c)(邊緣濾波器1),當(dāng)兩個(gè)MRR 的相位比例接近整數(shù)時(shí),消光比比單跑道型MRR 高3 倍,對應(yīng)的增量為20 dB.將中間MRR移到離輸入總線波導(dǎo)較近的位置,同時(shí)對MRR 及跑道進(jìn)行熱光調(diào)制,可獲得斜率可調(diào)且消光比為40 dB 的Fano 共振光譜[60].兩個(gè)嵌入式MRR 形成的雙邊緣濾波器[61]在特定波長范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)“X 型”光譜響應(yīng),其在0.47 nm 寬波長范圍內(nèi)具有0.8 pm 的超高分辨率.采用同樣的結(jié)構(gòu),天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用氮化硅材料實(shí)現(xiàn)Fano 共振,通過調(diào)節(jié)兩個(gè)MRR 的相位差,獲得了EIT 光譜,并將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用到液體及氣體傳感中[62?64].目前也有一些特殊嵌套結(jié)構(gòu)在理論上可以實(shí)現(xiàn)Fano 共振,如雙跑道結(jié)構(gòu)嵌套、三維結(jié)構(gòu)中上下微環(huán)耦合中間總線波導(dǎo)[65]或MRR 嵌套U 型結(jié)構(gòu)[66].

表2 不同緊湊型MRR 產(chǎn)生Fano 共振的參數(shù)表Table 2.Parameters for Fano resonance based on different compact MRRs.

圖6 各種復(fù)合MRR 產(chǎn)生Fano 共振的方法 (a)耦合模式理論分析雙MRR 結(jié)構(gòu)[57]; (b)等效F-P 單元分析多環(huán)耦合結(jié)構(gòu)[36];(c)雙環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)[59?64]; (d)雙環(huán)反饋耦合結(jié)構(gòu)[67,68]; (e) Sagnac 形成F-P 腔耦合MRR[75]; (f)等效雙馬赫-曾德爾干涉儀[35,76?78]Fig.6.Various complex MRRs for Fano resonance: (a) Analysis of double MRR using coupling mode theory[57]; (b) analysis of multi-ring coupling with equivalent F-P unit[36]; (c) double-MRRs nested structure[59?64]; (d) double-MRRs with feedback configuration[67,68]; (e) Sagnac formed F-P cavity couples MRR[75]; (f) equivalent double Mach-Zehnder interferometer[35,76?78].

下面介紹MRR 串并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Fano 共振方案.蘭州大學(xué)Xiao 等[67]設(shè)計(jì)圖6(d)所示結(jié)構(gòu),兩個(gè)微環(huán)通過反饋的方式進(jìn)行耦合,得到Fano 共振光譜.為了提高折射率靈敏度,東南大學(xué)Wen等[68]將該結(jié)構(gòu)用亞波長光柵代替,獲得了500 nm/RIU的折射率靈敏度.蘭州大學(xué)Zhao 等[69]在圖5(d)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加上1 個(gè)環(huán),使得器件的Fano 共振光譜具有周期性且獨(dú)立可調(diào),獲得的光譜最高消光比為29.20 dB.土耳其科奇大學(xué)Chaudhry 等[70]采用5 個(gè)相同的定向耦合器組成5 個(gè)MRR,通過改變定向耦合器的耦合長度,獲得的Fano 線形消光比大于26 dB,光譜分辨率為368 dB/nm.此種結(jié)構(gòu)在每個(gè)共振點(diǎn)都形成了Fano 共振.

MRR 串并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的1 個(gè)MRR 可由相變材料或者增益介質(zhì)組成.如圖6(a)所示,兩個(gè)MRR側(cè)耦合到總線波導(dǎo),其中1 個(gè)MRR 由相變材料VO2組成[71],當(dāng)VO2自感應(yīng)加熱到一定閾值時(shí),會發(fā)生從絕緣相到金屬相的相變,此時(shí)對光的吸收較強(qiáng),使得MRR 的Q因子降低.對于低入射光能量來說,結(jié)構(gòu)可雙向產(chǎn)生Fano 共振,較高的光功率輸入時(shí),Fano 共振是單向的,Fano 共振傳輸譜的消光比高達(dá)45 dB.宇稱-時(shí)間對稱(parity-time,PT)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是繼光子晶體和電磁特異性材料之后又一種新型的人工合成結(jié)構(gòu)[72],改變增益損耗比時(shí),PT 結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生相位突變.將圖6(a)的結(jié)構(gòu)中諧振腔1 側(cè)邊加入1 個(gè)增益腔,組成了PT對稱的三腔陣列,其折射率靈敏度比兩個(gè)間接耦合腔高105倍以上[73].在PT 輔助三腔陣列的基礎(chǔ)上,圖6(a)無諧振腔2 的結(jié)構(gòu)[74]在理論上可實(shí)現(xiàn)非對稱雙 Fano 共振光譜.

MRR 和兩個(gè)級聯(lián)的Sagnac 環(huán)形成的F-P 組成的耦合系統(tǒng)如圖6(e)所示[75],兩諧振腔過耦合時(shí)會形成EIT 的傳輸譜,欠耦合是會形成Fano 共振傳輸譜.利用熱光效應(yīng)動態(tài)地調(diào)整MRR 的諧振波長,能夠獲得最大消光比為23.22 dB,最大斜率為252 dB/nm 的可調(diào)諧Fano 共振光譜.將MRR用兩個(gè)Sagnac 環(huán)代替,實(shí)驗(yàn)獲得了Fano 共振光譜最大斜率為770 dB/nm[30].

高消光比的MRR 環(huán)諧振器在其順時(shí)針和逆時(shí)針模式之間存在寄生耦合,并且從輸入到兩種循環(huán)模式之間也存在寄生耦合,可能造成響應(yīng)失真.Ghent 大學(xué)Li 等[76?78]設(shè)計(jì)如圖6(f)所示的結(jié)構(gòu),1 個(gè)單環(huán)諧振器內(nèi)部集成兩個(gè)可調(diào)反射器,每個(gè)可調(diào)反射器本身是1 個(gè)子光路(馬赫-曾德爾干涉儀),實(shí)現(xiàn)了最大斜率超過700 dB/nm 的可調(diào)Fano 共振、可調(diào)EIT 在共振波長處延時(shí)超過1100 ps、光譜的自由光譜范圍超過150 nm、調(diào)諧效率是傳統(tǒng)MRR 諧振器的11 倍以上,從根本上抑制了反向散射.此結(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)在非線性共振情況下的光路的非互易性,相對的傳播方向具有超過30 dB 的消光比,插入損耗僅為1.5 dB[35].

多MRR 產(chǎn)生Fano 共振方法方案及其對應(yīng)的性能指標(biāo)如表3 所列.

3.3 馬赫-曾德爾干涉儀

本部分解析MRR 與各種等效馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)耦合產(chǎn)生Fano 共振的方法,結(jié)構(gòu)可以簡化成圖7(a)所示模型.模型中兩個(gè)臂通過多模耦合器/方向耦合器進(jìn)行耦合,MZI 是由兩個(gè)耦合器加上中間兩個(gè)臂構(gòu)成,高Q值MRR 耦合的上臂作為離散模式,低Q值MRR 耦合的下臂(單直波導(dǎo)臂)作為準(zhǔn)連續(xù)(連續(xù))模式,兩種模式通過合束器相互作用.

首先介紹MRR 耦合MZI 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Fano 共振的方法.理論上圖7(a)所示結(jié)構(gòu)可以明顯提高調(diào)制器的線性度[79],Chen 等[80]在實(shí)驗(yàn)上證明此結(jié)構(gòu)可以有效地應(yīng)用在硅基MZI 調(diào)制器中,另外,該結(jié)構(gòu)也可以在中紅外波段3.8 μm 范圍實(shí)現(xiàn)Fano共振[81],斜率比單個(gè)MRR 共振的斜率高35.5%.Zheng 等[82]采用多模波導(dǎo)組成MZI,同時(shí)在輸入端激發(fā)出多模,可在輸出端口同時(shí)獲得基模及高階模式Fano 共振.此狀態(tài)的MRR 與波導(dǎo)臂過耦合,能夠弱化MRR 的作用,僅用來實(shí)現(xiàn)可調(diào)波長的離散狀態(tài).如圖7(b)所示,Zhou 和Poon[83]將分光器與合束器替換成2×2 端口的分光器件,調(diào)整下臂的有效折射率,同時(shí)改變共振離散模式和背景連續(xù)模式之間的相對相位,能夠在實(shí)驗(yàn)上獲得一對互補(bǔ)的Fano 共振光譜,但工藝誤差引入的損耗較大,最終獲得的光譜消光較低.Lu 等[84]在上臂側(cè)耦合高Q 值MRR (欠耦合),同時(shí)在下臂中間嵌入1 個(gè)低Q 值MRR (過耦合),當(dāng)兩個(gè)MRR 的共振波長相同時(shí),理論上會在輸出譜中同時(shí)發(fā)生EIT 和電磁誘導(dǎo)透明吸收.若MRR 是具有Kerr 效應(yīng)的非線性材料,在EIT 共振波長處,輸出光譜會出現(xiàn)光雙穩(wěn)現(xiàn)象.如圖7(c)所示,Le 和Cahill[85]采用兩個(gè)4×4 多模耦合器組成的雙MZI,兩條通道分別耦合MRR,另外兩條通道控制相位差,該結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的Fano 線形,若將輸出端口反饋閉合,可形成兩路獨(dú)立的EIT 光譜.

表3 多MRR 產(chǎn)生Fano 共振的參數(shù)表Table 3.Parameters for Fano resonance based on multiple MRRs.

圖7 MRR 與各種變異結(jié)構(gòu)MZI 耦合產(chǎn)生Fano 共振的方法 (a) MZI 耦合MRR 模型[79]; (b) MZI 側(cè)邊耦合MRR[83]; (c) 雙4 ×4 多模耦合器組成雙MZI[85]; (d) MZI 雙臂耦合交叉環(huán)[86]; (e) MZI 雙臂耦合MRR 及交叉波導(dǎo)[87]; (f)雙MZI 耦合雙MRR[22]Fig.7.MRR coupled with variant MZI for Fano resonance: (a) Model for MZI coupled MRR[79]; (b) MZI side coupled MRR[83];(c) dual 4×4 multimode couplers form dual MZI[85]; (d) dual-arm of MZI coupled cross-loop waveguide[86]; (e) dual-arm of MZI coupled MRR and cross waveguide[87]; (f) dual MZI coupled dual MRR[22].

接下來解析MRR 耦合等效MZI 結(jié)構(gòu)的方法.如圖7(d)所示,雙總線耦合交叉MRR 形成的等效MZI 能夠在光譜中產(chǎn)生Fano 線形[86].器件作為光開關(guān)能夠減少光開關(guān)切換所需的相變,若設(shè)置合適相位偏置,能夠在兩種開關(guān)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)完全消光.如圖7(e)所示,用單個(gè)MRR 結(jié)合“十”交叉波導(dǎo)作為MZI 的上下臂耦合點(diǎn),設(shè)置合適的相位條件,能夠獲得較大的Fano 共振斜率,解決了不同F(xiàn)ano 共振波長色散帶來的消光比小的問題[87].雙MRR 作為MZI 的上下臂耦合點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)“X”型Fano 共振光譜,兩個(gè)互補(bǔ)的輸出和在–3 dB 的傳輸點(diǎn)有兩個(gè)固定的波長(自對準(zhǔn)效應(yīng)),獲得光譜斜率為127.4 dB/nm,波長分辨率為1 pm[88].上述結(jié)構(gòu)是將MZI 的合束器進(jìn)行等效,也有研究者將MZI 的分光器用復(fù)合結(jié)構(gòu)代替.如圖7(e)所示,將MRR 的兩個(gè)總線波導(dǎo)直通端口和drop 端口組合起來形成MZI,實(shí)現(xiàn)了消光比為30.2 dB,斜率為41 dB/nm 的Fano 共振光譜.采用熱光調(diào)制,能夠?qū)ano 參數(shù)q 從–0.98 調(diào)整為0.95,且最大波長偏移為15.97 nm[89].

目前基于硅光平臺實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)光譜參數(shù)的結(jié)構(gòu)如圖7(f)所示[22],兩個(gè)具有不同耦合間隙的MRR 插入到MZI 的上下臂,小耦合間隙的MRR提供1 個(gè)低Q值準(zhǔn)連續(xù)背景模式,大耦合間隙的MRR 提供1 個(gè)高Q值的離散模式,兩個(gè)可調(diào)諧的MZI 用來調(diào)節(jié)兩個(gè)模式的傳輸光的振幅和相位差.Fano 共振光譜的消光比、斜率及共振波長能夠獨(dú)立調(diào)整,實(shí)驗(yàn)上獲得了消光比為 56.8 dB 且最高斜率為 3388.1 dB/nm 的光譜參數(shù).

表4 不同基于MZI 單元產(chǎn)生Fano 共振的參數(shù)表Table 4.Parameters for Fano resonance based on MZI unit.

基于MZI 單元產(chǎn)生Fano 共振方案及其對應(yīng)的性能指標(biāo)如表4 所列.

3.4 其他特殊硅光器件

除了常見的硅光子基本器件用來實(shí)現(xiàn)Fano 共振外,一些特殊的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)Fano 共振,主要包括自耦合波導(dǎo)和狹縫波導(dǎo).

自耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示,輸入和輸出端口有兩個(gè)定向耦合器,理論上光在兩個(gè)耦合器之間同時(shí)能夠反向和正向諧振,這兩種諧振模式通過中央“橋”波導(dǎo)自耦合形成Fano 共振光譜[90].若并聯(lián)兩個(gè)圖8(a)中的結(jié)構(gòu),在兩個(gè)外部定向耦合器處于弱耦合狀態(tài)而兩個(gè)內(nèi)部定向耦合器處于強(qiáng)耦合狀態(tài)的特殊條件下,結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成了駐波共振模式,獲得的傳輸譜類似EIT 共振模式[91].

圖8 (a)自耦合波導(dǎo)[90]; (b)狹縫波導(dǎo)耦合光柵式F-P[92]Fig.8.(a) Self-coupling waveguide[90]; (b) slot waveguide coupling F-P composed by Bragg grating[92].

狹縫波導(dǎo)形成Fano 共振結(jié)構(gòu)如圖8(b)所示[92],其由3 個(gè)平行的縫隙波導(dǎo)組成.狹縫波導(dǎo)對低折射率介質(zhì)(空氣)具有光場限制能力,光柵的相移量可以對Fano 共振形狀進(jìn)行微調(diào),這種結(jié)構(gòu)的器件靈敏度相對較低(92 nm/RIU),總尺寸較小(61 μm×1.3 μm).

3.5 比較各種產(chǎn)生Fano 共振方法

通過前面對各種硅光子器件產(chǎn)生Fano 共振方法的介紹,我們了解了每種方法的具體實(shí)現(xiàn)過程,在實(shí)際應(yīng)用選擇時(shí),每種方案存在優(yōu)劣之分.

PCNC 是由線性周期性介電波導(dǎo)中產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷組成,能夠提供高品質(zhì)因數(shù)(Q> 105)和更小的模式體積(～(λ/n)3),光與物質(zhì)能夠更有效地相互作用,光能量密度也被提高,從而實(shí)現(xiàn)能耗低的器件,如低功耗光開關(guān)及調(diào)制器.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)本身引入空氣孔,因此適合輔助其他類型的器件.具有更加緊湊的尺寸(～μm3)適用于波導(dǎo)集成,其中利用光子晶體帶隙邊緣作為準(zhǔn)連續(xù)光的方式可以實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍較寬的Fano 共振,可以提高復(fù)用能力.光子晶體結(jié)構(gòu)是由空氣孔陣列組成,若將模式限制在空氣孔內(nèi),則傳輸模式易受外界液體的影響,液體與光模式的重合面積較大,能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度生化傳感.但是由于其特征尺寸納米孔陣列小于百納米,一般都采用電子束曝光工藝,與其他類型的硅光器件相比,PCNC 對加工工藝要求較高.

MRR 作為硅光器件中最基本的結(jié)構(gòu),具有較高的光子壽命及緊湊的尺寸,共振模式通常作為離散模式,與其他連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)模式的光子結(jié)構(gòu)耦合,實(shí)現(xiàn)了硅光子中種類最多的Fano 共振.MRR 由總線波導(dǎo)與微環(huán)兩部分組成,因此特別適合在結(jié)構(gòu)上引入相位差或者引入具有準(zhǔn)連續(xù)模式的單元,且易在總線波導(dǎo)中引入其他空氣孔或者光柵結(jié)構(gòu),尤其適合做生化傳感,但是不適合應(yīng)用于對插入損耗要求較高的場合.MRR 結(jié)構(gòu)本身適合作為波分復(fù)用或者濾波器件,以MRR 為基礎(chǔ)平臺的Fano 器件也具有相應(yīng)的性質(zhì).MRR 非常適合與其他物理效應(yīng)/材料體系結(jié)合,如非線性材料或增益介質(zhì),可實(shí)現(xiàn)光雙穩(wěn)或者光非互易性傳輸.

由于MZI 可調(diào)性較高,通常在波導(dǎo)臂上耦合MRR 結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)性能較高的可調(diào)Fano 光譜,目前光譜參數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)是MRR 與MZI 結(jié)合實(shí)現(xiàn)的[22].圖6(f)由MRR 組成的Fano 光譜綜合性能較優(yōu),其結(jié)構(gòu)本質(zhì)上可以等效成兩個(gè)MZI 的級聯(lián)耦合MRR.MZI 能夠作為基本單元,可應(yīng)用在消光比、共振波長、斜率及相位偏置可調(diào)的應(yīng)用需求中,又或者提高調(diào)制線性度的情況下.

我們歸納了各種硅光器件產(chǎn)生Fano 共振方法的參數(shù)及使用場合,如表5 所列.

表5 各種硅光器件產(chǎn)生Fano 共振的方法對比Table 5.Comparation of diffrent silicon waveguide unit for Fano resonance.

4 Fano 共振全光信號處理應(yīng)用器件

片上全光信息處理可以滿足大數(shù)據(jù)對大量信息傳輸和處理的嚴(yán)格要求.Fano 共振光譜非對稱性決定其在短波長范圍內(nèi)光功率可以由最大變?yōu)樽钚?其所需的能量較小或者調(diào)制需要的相位改變量較小,使得其適合應(yīng)用于光開關(guān)及傳感.在最大最小功率范圍內(nèi)線性度較好,使得其適合應(yīng)用于提高光調(diào)制器件的性能.

4.1 Fano 光開關(guān)器件

作為片上全光信號處理必不可少的組成部分,全光開關(guān)一直備受關(guān)注,近年來,在實(shí)現(xiàn)高性能全光開關(guān)方面已經(jīng)取得了廣泛而顯著的進(jìn)步.下面介紹Fano 共振光譜應(yīng)用于光開關(guān)的優(yōu)勢,圖9 為Lorentzian 線形(黑線)和Fano 共振(紅色)線形,光強(qiáng)為“1”代表開關(guān)的開狀態(tài),光強(qiáng)為“0.01”代表開關(guān)的關(guān)狀態(tài).兩者共振波長相同,3 dB 帶寬相等,因此Q因子相同.此處的主要區(qū)別是Lorentzian 共振需要具有比Fano 共振更大的頻譜偏移,以實(shí)現(xiàn)同等的信號抑制水平,即ΔλL> ΔλF.這意味著Fano 共振通過減少相同波長變化量所需的能量而具有顯著優(yōu)勢,適用于節(jié)能集成光開關(guān).

圖9 Fano 共振與Lorentzian 線形的開關(guān)性能Fig.9.Switching performance of Fano resonance and Lorentzian lineshapes.

2009 年的一項(xiàng)研究表明[86],交叉微環(huán)作為MZI 合束器的器件可顯著減少開關(guān)切換所需的相變,通過調(diào)節(jié)MZI 的波導(dǎo)臂之間的相位差,開關(guān)一端口處于“開”狀態(tài)下,另外一個(gè)端口能夠在大范圍波長內(nèi)保持完全消光.適當(dāng)?shù)卣{(diào)整環(huán)形波導(dǎo)中的相位變化,可以控制諧振頻率的偏移和透射光譜的不對稱性,從而最終在“開”狀態(tài)下以高消光比甚至完全消光的方式實(shí)現(xiàn)光開關(guān).盡管Fano 共振已成功應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)全光切換,但切換時(shí)間仍在數(shù)百皮秒的范圍內(nèi)[93],2018 年的一項(xiàng)研究表明與典型的Lorentzian 共振相比[33],利用結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示的PCNC 側(cè)耦合F-P 得到的Fano 共振光譜可以實(shí)現(xiàn)更大的消光比、更短的開關(guān)恢復(fù)時(shí)間和更低的功耗,僅需亞皮焦耳的能量就能夠獲得亞皮秒量級的開關(guān)關(guān)斷特性.

最新一項(xiàng)研究表明,Fano 共振能夠在亞皮秒級的切換時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)超快的全光切換,結(jié)構(gòu)見圖10(a),多項(xiàng)研究證明該結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生性能優(yōu)越的Fano 共振光譜[40,41].SOI 基的PCNC 側(cè)耦合PCN可實(shí)現(xiàn)雙Fano 共振[42](圖10(b)),通過將具有Kerr 非線性的有機(jī)共軛聚合物材料(聚苯乙烯)填充進(jìn)光子晶體空氣孔中,構(gòu)建硅聚合物復(fù)合非線性光子晶體.Fano 共振光譜的陡峭斜率可以在中等抽運(yùn)功率下實(shí)現(xiàn)高對比度切換,并可抑制Lorentzian 光譜拖尾效應(yīng).與垂直抽運(yùn)方案相比,面內(nèi)抽運(yùn)方案(光開關(guān)的信號光與抽運(yùn)光同時(shí)注入)具有更低的峰值功率.主要是由于抽運(yùn)光與PCNC 模式之間的耦合效率被提高,使得抽運(yùn)峰值功率或能量大幅降低.若引入高能量抽運(yùn)光,硅的雙光子吸收效應(yīng)顯著增強(qiáng),同時(shí)由于硅的Kerr系數(shù)比聚苯乙烯低兩個(gè)數(shù)量級,將增加開關(guān)的能量消耗,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將能量主要限制在納米孔內(nèi)部,即光主要與聚苯乙烯相互作用,可以進(jìn)一步降低開關(guān)能量,避免了硅的非線性響應(yīng),最終獲得功耗為亞皮焦耳(0.76 pJ),開關(guān)切換時(shí)間為亞皮秒(0.707 ps)的開關(guān)開斷特性,且封裝尺寸僅為16 μm2.

圖 10 Fano共振硅光開關(guān)[42] (a) PCNC耦合PCN;(b) PCNC 耦合PCN 的光譜Fig.10.Silicon optical switch based on Fano resonant[42]:(a) PCNC couple PCN; (b) corresponding spectra.

上述納米腔光開關(guān)基本上是雙端口,而不是通用的四端口縱橫開關(guān),主要是由于多個(gè)端口與腔耦合時(shí),腔中具有無方向性駐波的功率會平均泄漏到每個(gè)端口,從而降低傳輸效率[94].Cheng 等[45]提出單個(gè)交叉耦合PCNC 結(jié)構(gòu)的四端口光開關(guān),交叉狀態(tài)下端口的插入損耗僅1.5 dB,核心結(jié)構(gòu)中尺寸為14 μm2.

4.2 Fano 調(diào)制器

利用硅光Fano 共振優(yōu)化電光調(diào)制器目前有兩種方式: 一種主要通過MRR 輔助(miro ring resonator assistant,MRA) MZI 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),基本結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示; 另外一種是基于PCNC 的新方案,用于優(yōu)化調(diào)制器帶寬及功耗的平衡點(diǎn).

MZI 調(diào)制器的非線性主要是由正弦調(diào)制曲線引起的,可通過對MZI 的臂施加超線性相位調(diào)制來提高線性度.2003 年Xie 等[95]提出了基于MRR的全通濾波器可用于改善MZI 調(diào)制器的線性度,雖然沒有分析光譜特性,但從光譜上可知該器件工作在Fano 共振波長處.波導(dǎo)損耗在MRA-MZI 強(qiáng)度調(diào)制器中的作用非常重要,2004 年Yang 等[79]表明在低損耗情況下,MRA-MZI 調(diào)制器能夠保持較高的線性度,但應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的相位偏置,否則較大的損耗會使得MZI 兩臂之間的功率不平衡,導(dǎo)致調(diào)制深度受限.2005 年Tazawa 和Steier[96]研究超線性相位調(diào)制,分析了線性化MRA-MZI電光調(diào)制器具有較好的動態(tài)范圍和調(diào)制頻率特性.2013 年Cardenas 等[97]實(shí)驗(yàn)證明MRA-MZI 的調(diào)制線性度被提高,但是MRR 具有固定的耦合系數(shù),因此缺乏靈活性,難以達(dá)到最佳工作點(diǎn).

最新研究表明[80],在MZI 的臂上加上光衰減器用于調(diào)節(jié)雙臂的功率比值(圖11(a)),可靈活調(diào)節(jié)最佳工作點(diǎn),驗(yàn)證了Cardenas 等[97]提高線性度的方法.同時(shí),該團(tuán)隊(duì)專門研究了限制微波光子學(xué)系統(tǒng)的三階互調(diào)失真(third-order intermodulation distortion,IMD3)的因素,并通過載波失真比(carrier-to-distortion ratio,CDR)和無雜散動態(tài)范圍(spurious-free dynamic range,SFDR)來評估線性度,最終通過MRA-MZI 調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了在插入損耗5 dB 的情況下,SFDRIMD3為111.3@1 GHz.該器件可在兩種情況下工作并獲得高調(diào)制線性度,第一種是在反Fano 共振波長附近,它具有較寬的線性調(diào)制間隔和較高的CDRIMD3,第二種在Fano 共振波長附近,盡管線性范圍較窄且CDRIMD3較低,但調(diào)制效率較高,使得SFDRIMD3較高.與傳統(tǒng)的硅MZI 和MRR 調(diào)制器相比,MRA-MZI 調(diào)制線性度及SFDRIMD3得到了顯著改善.

單波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的Fano 共振的電光調(diào)制器[98]結(jié)構(gòu)如圖11(b)所示,單模輸入波導(dǎo)連接到多模干涉結(jié)構(gòu)(MMI),同時(shí)激發(fā)零階與一階模,PCNC 和亞波長光柵組成模式混頻器.MMI 的寬度使其激發(fā)的兩種TE 波導(dǎo)模式的有效折射率之間的差異較大,從而使得零階TE 模式與PCNC 發(fā)生強(qiáng)烈相互作用,產(chǎn)生窄帶離散模式,而一階TE 模式對納米梁的周期性波紋不敏感,從而產(chǎn)生平坦的連續(xù)模式.亞波長模式混頻器使得離散和連續(xù)模式發(fā)生耦合,形成了兩個(gè)Fano 共振(零階及一階TE 模式).最后定向耦合器將一階TE 模式耦合到單模輸出波導(dǎo).此種方法產(chǎn)生雙模式Fano 共振與文獻(xiàn)[82]有異曲同工之妙,這對拓展于多模式Fano 共振并增強(qiáng)通信復(fù)用能力具有重要意義.該結(jié)構(gòu)利用等離子體色散效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制,能量消耗小于幾個(gè)fJ/bit,為高數(shù)據(jù)比特率( ? 1 Gbits)下工作的低功耗硅光調(diào)制器提供了競爭潛力.

圖11 Fano 共振硅基電光調(diào)制器 (a) MZI 耦合MRR[80];(b)單波導(dǎo)PCNC[98]Fig.11.Silicon electro-optic modulator based on Fano resonant: (a) MZI couple MRR[80]; (b) single waveguide PCNC[98].

4.3 Fano 傳感器

雖然Fano 共振適合應(yīng)用于光開關(guān)、調(diào)制器,以及傳感應(yīng)用,但由于光開關(guān)、調(diào)制器和傳感器的設(shè)計(jì)要求不同,因此針對光開關(guān)及調(diào)制器進(jìn)行的優(yōu)化方案不適用于傳感器件.如MRA-MZI 結(jié)構(gòu)可應(yīng)用實(shí)現(xiàn)光開關(guān)、調(diào)制器及傳感器,在應(yīng)用到光開關(guān)時(shí),主要通過優(yōu)化MZI 兩臂的相位差來實(shí)現(xiàn)輸出端口的高消光比,旨在降低開關(guān)恢復(fù)時(shí)間和功耗[86]; 調(diào)制器中MRR 的損耗對線性調(diào)制深度影響較大,同時(shí)需要優(yōu)化MZI 兩個(gè)臂功率比值,旨在減小一階及高階失真度[82]; 應(yīng)用到基于強(qiáng)度檢測的光傳感時(shí),目標(biāo)是透射光譜的具有高的斜率.因此,Fano 共振在傳感應(yīng)用中參數(shù)優(yōu)化具有特殊性.

Terrel 等[99]及Zhou 等[63,64]研 究 了Fano 共振用于檢測物理量γ 的靈敏度,靈敏度可以表示為Sp= S1S2S3,其 中,S1= dPdiff/dλ 表 示 光 強(qiáng) 度Pdiff相對于波長λ 變化的光譜分辨率(Fano 共振光譜的斜率); S2= dλ/dφ 是波長λ 相對于相位φ 變化率,通常為常數(shù); S3= dφ/dγ 是波長相位φ 相對于被測量γ 變化率,φ = Leffneff/λ (Leff代表諧振腔的長度,neff代表波導(dǎo)有效折射率).被測對象通過影響諧振器相位實(shí)現(xiàn)傳感,對于生化傳感器,波導(dǎo)模式倏逝場與分析物的相互作用會改變波導(dǎo)模式的有效折射率neff,從而改變φ.如果被測量是溫度T,波導(dǎo)的熱膨脹系數(shù)(改變Leff)和熱光系數(shù)(改變neff)隨溫度發(fā)生變化量決定靈敏度.接下來介紹幾種實(shí)現(xiàn)Fano 共振的結(jié)構(gòu)并優(yōu)化增強(qiáng)靈敏度S1和S3的方法,優(yōu)化S1是為了獲得高斜率光譜,提高S3可以通過優(yōu)化波導(dǎo)截面或者將波導(dǎo)模式限制在空氣孔內(nèi),增加物質(zhì)與模式的有效重疊面積.

Chao 和Guo 等[46]在實(shí)現(xiàn)Fano 共振時(shí)將截面設(shè)計(jì)如圖12(a)所示,實(shí)現(xiàn)了0.024%濃度的葡萄糖探測; Terrel 等[99]將MRR 與MRA-MZI 折射率靈敏度進(jìn)行了對比,S3是一個(gè)固定值,因此靈敏度由S1決定,調(diào)節(jié)MRA-MZI 實(shí)現(xiàn)了高斜率Fano 光譜,能夠使MRA-MZI 靈敏度與傳統(tǒng)MRR靈敏度相比提高30.5%; Zhou 等[63,64]在理論上分析了圖6(c)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在液體及氣體傳感,采用氮化硅作為波導(dǎo)芯區(qū),測量裝置如圖12(c)所示,其液體探測極限達(dá)到3.24×10–8RIU[63],氣體傳感探測極限為6×10–8RIU[64].

在優(yōu)化Fano 共振的S1基礎(chǔ)上,優(yōu)化S3的方法主要包括引入狹縫、光柵或空氣孔.Meng 和Li[41]在圖4(d)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化S3,通過在中間幾個(gè)孔引入狹縫,但是靈敏度的提高是有限的,最大值為217 nm/RIU.為了進(jìn)一步提高靈敏度,在PCNC 加入單拋物線形縫隙,同時(shí)在該腔的側(cè)面添加了間距為0.1 μm 的光子晶體.由于大部分電場分布于細(xì)長的狹縫區(qū)域,折射率靈敏度可以提高到778 nm/RIU; Tu 等[54]采用亞波長光柵波導(dǎo)制作MRR 以增強(qiáng)光-分析物的重疊量,總線波導(dǎo)上的F-P 與MRR 共振態(tài)相互作用,在1550 nm波長處形成了尖銳的不對稱Fano 共振,實(shí)現(xiàn)了366 nm/RIU (實(shí)部折射率)和9700/RIU (虛部折射率)靈敏度; Zhao 等[55]設(shè)計(jì)的狹縫MRR 和狹縫相移布拉格光柵總線波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的靈敏度為297.13 nm/RIU; Peng 等[56]采 用PCNC 耦 合MRR,折射率靈敏度約為1.76×104dB/RIU,光譜隨折射率變化示意曲線如圖12(d)所示,而單MRR 的折射率靈敏度僅約為3.1×103dB/RIU,可以說明Fano共振能夠有效提高傳感靈敏度;W en 等[68]用亞波長光柵替代圖6(e)中的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)如圖12(b)所示結(jié)構(gòu),最終獲得500 nm/RIU的折射率靈敏度.

圖12 Fano 共振傳感 (a)波導(dǎo)截面[46]; (b)光柵式MRR[68]; (c)傳感測試裝置[63,64]; (d) Fano 共振光譜隨折射率傳感變化曲線,圖中RI (refractive index)代表折射率[56]Fig.12.Fano resonance for sensing applications: (a) Cross section of waveguide[46]; (b) MRR composed of grating[68]; (c) setup for sensor[63,64]; (d) spectrum of Fano resonance versus refractive index (RI)[56].

圖13 基于EIT 的光非互易性傳輸 (a) 微環(huán)形成雙MZI 結(jié)構(gòu)[35]; (b)非互易性光譜特征[35]; (c)端口1 波長隨輸入功率變化曲線[35]; (d) 端口2 波長隨輸入功率變化曲線[101]Fig.13.EIT-based optical nonreciprocal transmission: (a) Microrings forming a dual MZIs[35]; (b) characteristics of optical nonreciprocity spectral[35]; (c) wavelength of port 1 versus input power[35]; (d) wavelength of port 2 versus input power[101].

4.4 基于光非互易性的Fano光器件

集成的納米結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)具有不可逆光傳輸特性的理想基本單元,非互易性傳輸可以實(shí)現(xiàn)隔離器的功能.Li和Bogaerts[35]在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了此種方法,結(jié)構(gòu)如圖6(f)所示,由MRR 組成的雙MZI結(jié)構(gòu)在圓環(huán)處相互耦合,測試方法如圖13(a)所示.該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵之處在于,利用腔增強(qiáng)材料的非線性特性,結(jié)合空間對稱性破壞和Fano 共振,實(shí)現(xiàn)超低功率和良好的波長可調(diào)效果,達(dá)到了光不可逆?zhèn)鬏攤鞑バЧ?器件的非線性取決于超快的載流子動力學(xué)特征,而不是通?？紤]的熱效應(yīng)[100],最終獲得以10 Gbit/s的比特率和4.5 fJ/bit低能耗的光非互易傳輸.在Fano 共振或EIT模式下,由于腔內(nèi)各模式之間的強(qiáng)度分布不對稱所致,該器件表現(xiàn)出非線性的不可逆行為.具體來說,在一個(gè)傳輸方向上,非線性引起的共振失真可以消除EIT的傳輸谷,形成高傳輸率的Lorentzian 共振(圖13(c)),而在相反的方向上,EIT的傳輸譜形狀不變(圖13(d)).從圖13(b)可以看出,該器件利用Fano 共振效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了具有超過30 dB的超高消光比和1.5 dB的低插入損耗的光非互易性傳輸.

Yang 等[101]采用反向設(shè)計(jì)方法構(gòu)造了MRR與空氣孔缺陷形成部分反射單元相耦合的結(jié)構(gòu),使得Fano共振光譜具有非互易性.該器件利用諧振器的χ(3)非線性實(shí)現(xiàn)了全無源、低損耗(1.1 dB)、無偏置的非互易傳輸,非常適合應(yīng)用于集成光子雷達(dá).

5 結(jié) 論

基于Fano 共振的器件與基于Lorentzian共振的常規(guī)器件相比,器件的性能得到了顯著的改善,為未來光子芯片實(shí)現(xiàn)重構(gòu)性和單片集成化提供一類新的器件.本文綜述并討論了一類與未來集成光子芯片相關(guān)的基于硅基材料的器件產(chǎn)生Fano共振的方法及光信號處理的應(yīng)用.

未來發(fā)展可以從Fano效應(yīng)理論、器件性能參數(shù)及應(yīng)用等方面進(jìn)行研究.在理論上建立硅光器件的物理描述參數(shù)(品質(zhì)因子、耦合系數(shù)等)與Fano 線形參數(shù)q之間的解析關(guān)系,簡化器件設(shè)計(jì)流程并加深對器件物理本質(zhì)的理解;在器件性能參數(shù)上,需要進(jìn)一步提高光譜分辨率(光譜的斜率).可以結(jié)合其他物理分支,如連續(xù)體束縛態(tài)概念[102],如在光子晶體實(shí)際結(jié)構(gòu)中引入各向異性[103],使得Fano 的品質(zhì)因子Q達(dá)108以上,從而有效地提高Fano 器件光譜分辨率;結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[104],提高Fano 共振結(jié)構(gòu)的魯棒性;除了在通信波段實(shí)現(xiàn)Fano 共振光譜,還可以通過擴(kuò)展材料體系來拓展Fano 共振光譜的波段范圍;目前Fano共振最多實(shí)現(xiàn)雙模式傳輸,可以通過擴(kuò)展多模式Fano共振來提高復(fù)用能力;目前傳輸譜的所有共振模式里僅有部分共振波長是Fano線形,考慮到應(yīng)用,可以研究全波長Fano共振光譜實(shí)現(xiàn)方法;在應(yīng)用方面,目前實(shí)際應(yīng)用都還處于開始研究階段,包括應(yīng)用于微波光子鏈路的光開關(guān)及光調(diào)制器、用于光非互易性的集成光子雷達(dá)和芯片化的生化傳感分析等,尚未有商業(yè)產(chǎn)品.同時(shí),也需要在硅光子Fano器件工藝實(shí)現(xiàn)上開展大量的研究工作,為實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ).