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微环谐振器的精确数值模拟

蔡鑫伦  
【摘要】: 微环谐振器(micro-ring resonator)凭借其强大的光信号处理能力,广泛地应用于各种有源和无源光学系统中,并且由于具有工艺简单、易于集成等优点,微环被认为是未来大规模集成光子回路的基础性元器件。为了能够微环谐振器的器件性能进行优化设计,必须采用精确、严格的光波导分析方法。 目前微环谐振器的分析方法主要是基于参数(如耦合器的耦合系数,弯曲波导的辐射损耗等)的模型,本文论文从微环谐振器的结构尺寸出发,利用全矢量模式匹配理论计算弯曲波导和直波导的传播常数,利用耦合模理论计算弯直波导耦合器的散射矩阵,最后得到微环谐振器的频谱响应曲线。开展的主要工作和取得的主要成果有: (1)分析微环谐振器的基本工作原理,与FP滤波器进行了比较。定性分析了微环谐振器的标准模型。微环谐振器由为两段弯曲波导和两个弯直波导耦合器组成,由弯曲波导的传播常数和弯直波导耦合器的散射矩阵可以确定整个微环谐振器的传输特性。 (2)论述了全矢量模式匹配法的基本理论,包括适用于弯曲波导的模式匹配法和适用于直波导的模式匹配法。求解了脊型弯曲波导、条型弯曲波导、条型直波导和台阶型直波导中的本征模式。半径为50μm和12μm的条形波导的计算结果表明:当波导的弯曲半径减小时,发生在分界面处的TE-TM模耦合会显著增强,这将导致弯曲波导中的模式不再是传统意义上的TE模和TM模,而是混合模。 (3)论述了模式耦合理论的基本原理,建立了弯直波导耦合器的模型,从洛仑兹互易定理出发导出了弯直波导耦合器内的光波场所满足的耦合模方程,求解耦合模方程得到描述弯直波导耦合器的传输特性的散射矩阵。讨论了散射矩阵元与微环结构尺寸之间的关系以及散射矩阵元的波长相关性。 (4)论述了微环谐振器的标准模型,利用快速频谱计算技术得到了微环谐振器的频谱响应曲线。 (5)微环谐振器的谐振波长表现出明显的偏振相关性,这使得微环可以用作对波长敏感的偏振分束器。分析了基于微环谐振器的偏振分束器的器件性能,讨论了偏振分束比与微环结构尺寸的关系和偏振分束比的波长相关性。


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