论文总字数：29533字

摘 要

数据应用领域日益增长的带宽需求促进了光学链接替代传统的电子链接的进程。诸如数据中心，超级计算机，全光网络等应用都需要光学元件集成以提高容量，降低成本。光波导环形谐振腔是集成光学领域重要的功能器件之一，在光信号处理及光传感等方面具有广泛的应用，如：滤波器、激光器、传感器、全光开关等，具有重要的应用与研究价值。本文重点研究了谐振腔器件的结构设计，波导传输损耗、耦合器耦合比及谐振腔尺寸对其传输特性的影响和谐振腔的制备工艺。通过对环形谐振腔传输特性的研究得到了耦合系数、波导损耗和环的半径与环形谐振腔性能之间的内在关系；利用OpticBPM仿真计算得到了半径、直波导与环间距与耦合比的关系。另外，通过理论计算得到了波导的单模传输条件及环形波导的弯曲损耗。最后，在理论研究基础上制备了光波导谐振腔样品。通过该工作，已经基本掌握了有关光波导环形谐振腔器件的基本理论知识，并初步掌握了相关器件的设计和制备工艺，为未来从事的研究工作打下了坚实的基础。

关键词： 光波导；环形谐振腔；传输特性；耦合比；耦合模型。

A STUDY ON THE TRANSFER BEHAVIOR OF MICRORING RESONATOR DEVICES

Abstract

The growing bandwidth needs within data applications have motivated the replacement of traditionally electronic links with optical links for information networks. Applications - such as data centers, supercomputers, and fiber-optic access networks - require integration of optical components to increase capacity and reduce costs. Ring resonator device is one of the most important devices in Integrated Optics, wildly used in optical signal processing and optical sensors, such as filters, lasers, sensors, all-optical switches, etc. Therefore, it is valuable to study the ring resonator devices. In this thesis, we have studied the transmission characteristics of the ring resonator devices, focusing on the structure design, and the influence of transmission loss, coupling ratio of coupler, and the size of resonator to transmission characteristic, and the manufacturing process. We obtained many parameters of the ring resonator by coupled mode theory. We calculated the waveguide width to make it single mode waveguide. We also calculated the radius of the ring and the coupling spacing, under the condition of the best coupling ratio. Eventually, we make a ring resonator device basic the theory that maintained above. After nearly three months of study, we have basically mastered the basic knowledge of ring resonator device, and learned how to design and manufacture a sample of ring resonator device.

KEY WORDS: optical waveguide; microring resonator; transmission characteristic; coupling coefficient; coupling model.

目 录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 光波导环形谐振腔概述 1

1.2.1 环形谐振腔类型 2

1.2.2 环形谐振腔器件的应用 3

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 4

第二章 环形谐振腔的基本原理 6

2.1 环形谐振腔结构 6

2.2 环形谐振腔的传输特性 7

2.3 环形谐振腔的主要参数介绍 11

2.4 小结 14

第三章 环形谐振器件的优化设计 15

3.1 波导材料 15

3.2 波导宽度设计 16

3.3 谐振腔弯曲半径设计 17

3.4 耦合比设计 19

3.4.1 耦合理论 19

3.4.2 耦合比的模拟 21

3.5 小结 32

第四章 环形器件的制备 34

4.1 环形器件的制备方案及制作流程 34

4.2 环形谐振腔制备工艺流程 35

4.3 环形谐振腔样品 37

4.4 小结 38

第五章 总 结 40

参考文献 41

致谢 43

绪 论

引言

激光、半导体和集成电路等领域的崛起，为信息传递和处理速度的飞跃创造了条件。二十世纪六十年代，光纤被发明了出来，六十年代末，半导体激光器也相继出现。这两种重要的光学器件的发明直接推动了新一代通信网络系统——光纤通信系统的出现和发展。伴随着社会的进步，信息交流所需处理的数据总量日趋庞大。数据应用领域日益增长的带宽需求促进了在信息网络中用光学链接替代传统的电子链接的进程。经过研究者们近十年的研究，集成光学（Integrated Optics）端倪初现。这一概念首先是由贝尔实验室的S.E.Miller等人在1969年提出来的[1]。3年后，Somekh S和Yarive A等人为了尝试处理集成化的问题，将光波导器件和电路元件集成在了同一块衬底上[2]。自此以后，集成光学理论逐步被建立起了起来。时至今日，“集成光学”已经发展成为了一个由多种学科交叉互补的综合性学科。光学、微电子学、光电子学、信息技术等领域的发展，必将为集成光学的发展增添动力。

集成光学的应用领域十分广泛，小到日常生活中的智能产品，大到工业生产、军事侦查领域的侦测、侦查，都可以得到应用。尤其是在需要处理大量信息的通信与光网络方面。未来，高速通信的数字速率将达到Gb/s以上，届时高速通信领域将全部采用光纤通信来传递数据。然而光是有快速地传输手段，处理速率达不到要求也无法实现高速率大容量光通信网络[3]。彻底解决这一问题的关键，就在于将光集成器件与光纤通讯系统结合在一起。

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