基于SOI的高Q微环谐振腔的研究

利用时域有限差分法,对基于绝缘体上硅(SOD的微环谐振腔的微环波导宽度对传输性能、Q值的影响进行了理论分析与仿真.研究结果表明,单模条件下,波导越宽,Q值越大.仿真优化结果表明微环半径为10μm、微环波导宽度为600 nm时,1.55 μm附近的谐振峰的消光比为18.2 dB,计算出Q值约为2.2×105.进一步研究了微环与直波导间距、平板高度对Q值的影响.耦合间距增大时,由于耦合效率降低,Q值则逐渐提高;随着平板区厚度的减小,辐射损耗会越小,因此Q值增大.研究结果为微环谐振腔的进一步优化和设计提供了参考.     

用于传感的聚合物微谐振环的研制

对一种用于传感的聚合物微谐振环进行了研制.器件为多模耦合器结构,作为微谐振环的输入/输出耦合结构.微谐振环采用跑道形结构.首先分析了器件的原理,给出了器件的优化设计参数.采用紫外光敏材料SU-8和CYTOP作为波导芯层和下包层材料,制作了上述结构的微谐振环器件,并进行了测试.扫描电镜的结果显示,所制备器件的整体形貌比较清晰,波导结构均匀光滑,侧壁陡直度较高.采用截断法测得单模直波导的传输损耗约为2.2 dBcm.对多模耦合器(MMI)结构和弯曲波导的测试表明,MMI结构在较宽的波长范围内实现了接近50:50的功分比,且损耗较低,而纯弯曲波导结构的通光性能良好.测量得到的器件谐振输出光谱表明,器件在主谐振峰处的插入损耗约为38dB,自由光谱区(FSR)约为1.87nm.过数据处理分析得到弯曲波导的传输损耗约为5.2 dB/cm.提出了进一步降低器件损耗、改善器件性能的措施.     

热光聚合物微环谐振腔滤波器的研究

设计并制备了一种热光聚合物微环谐振腔滤波器。微谐振环采用跑道型结构,通过光束传播法(BPM)对其弯曲半径进行了设计和优化。采用传统的接触式光刻曝光工艺制备了微环谐振腔滤波器并对其进行了光谱测试,实验结果表明,所设计的器件在1 550nm附近的自由光谱范围(FSR)为112pm,消光比约为12.8dB,3dB带宽约为0.026nm,品质因子Q为5.96×104,调制效率是6.13pm/mW;同时测量了器件的响应时间,得到的响应时间约为1.5ms。     

高品质因子聚合物可重构微环谐振腔滤波器

以聚合物ZPU-44和聚砜(PSU,polysulfone risi n)分别作为波导包层和芯层材料,采用倒脊形波导结构,设计并 优化了聚合物可重构微环谐振腔滤波器的波导截面参数、弯曲半径、耦合区波导长度和间距 以及调谐电极 等结构参数,分析了其谐振滤波特性。采用传统的微加工工艺制备了聚合物可重构微环谐振 腔滤波器并进 行了测试。结果表明,其在通信波段1550nm附 近的自由光谱范围(FSR)为0.15nm,3dB带宽约为0.0235nm, 品质因子Q达6.60×10⁴,在0~ 4V电压范围内实现了0.5~12.95dB消光比的调谐,且 谐振波长调谐一 个FSR的电压为4.75V,与理论设计基本 相 符。本文的聚合物可重构微环谐振腔滤波器可用于集成波导可调谐光延时线和可调谐滤波。     

谐振式微光学陀螺系统设计

集成化、微型化是谐振式光学陀螺的发展趋势之一.通过分析在一定激光器线宽情况下,谐振式微光学陀螺(R-MOG)系统极限灵敏度和环形谐振腔光路中各主要参数之间的关系,得到环形谐振腔耦合系数与环形谐振腔损耗参数间的关系.设计优化R-MOG系统的主要光学参数,使得系统的极限灵敏度达到最高.并且对实际设计的集成微光学环形谐振腔组成的R-MOG系统进行模拟转动的开环响应测试.为R-MOG系统的构建提供了理论及实验基础.     

一种基于交趾型PN结的Si基微盘电-光调制器

制备了一种与CMOS工艺相兼容的Si基微盘电-光调制器,通过使用微盘谐振腔结构减小器件尺寸,使用交趾型PN结扩大光模式与电场的交叠以增强等离子色散效应。调制器的测试结果表明,谐振峰随反向偏置电压增大而逐渐红移,在原谐振波长处可获得约为9dB消光比;在1.5V反向偏置电压、输入信号为峰峰值3V的伪随机码下,实现10Gbit/s调制速率,功耗为44.1pJ/bit。     

超小绝缘硅微环陷波滤波器特性分析

设计了基于SOI结构的超小微环陷波滤波器,该滤波器便于集成且可实现深度陷波。根据对全通结构微环谐振腔的传输特性分析得知,为得到好的陷波特性就必须增加波导间的耦合强度。在相同半径的全通微环谐振环结构中,耦合系数主要与3个参数(波导宽度、间距以及耦合区域的长度)有关。通过理论计算及仿真分析,对以上3个参数对陷波滤波器输出光谱响应的影响进行了讨论。实验结果表明,陷波滤波器越接近临界耦合条件(r=a)时,消光比越高。此时,消光比达36 dB以上,滤波器的FSR约为72 nm。     

可调谐氮化硅波导微环谐振腔滤波器研究

设计并制备了一种基于热光效应的集成可调谐氮化 硅(Si₃N₄)波导微环谐振腔滤波器,通过采用马赫-曾德干涉仪(MZI)构成的可调谐 耦合器控制耦合区耦合比,以实现滤波器消光比的调谐。设计并优化了微环谐振 腔的波导截面尺寸、弯曲半径和耦合区波导间隔等参数,并通过光刻、反应离子刻蚀(RIE )等工艺制备 了两种不同弯曲半径的Si₃N₄波导微环谐振腔。实验结果表明,本文器件在波长1550nm附近处的自由光谱 范围(FSR)为68pm,3dB带宽约为16pm,品质因子Q达到了9.68×10 4,消光比可调范围约为17dB。     

平板型光子晶体液晶微谐振腔的温度特性

在二维光子晶体薄板的中心空气孔中填充厚度与光波长相当的液晶材料,形成平板型光子晶体液晶微谐振腔结构。用时域有限差分法研究了液晶微谐振腔的温度特性,并用Matlab编程进行了数值计算。计算结果表明,由于液晶折射率是温度的函数以及微腔对光波传输的约束,当温度升高时微谐振腔的透射峰波长向长波长方向移动,透射峰半高宽度减小,品质因子增大,谐振波长和品质因子随填充因子与平板厚度的变化曲线向增大方向移动,接近液晶相变点时微腔的温度特性变化更迅速。平板型光子晶体液晶微谐振腔的温度特性,为可调光子晶体器件的设计提供了理论基础。     

新型的可调谐微环谐振器的设计

为了改进微机电系统中的传感器应用范围和特性参数,采用微纳光纤制作了环形谐振腔结构,设计的结构具有尺寸小、损耗低,品质因素高等优点。理论上分析了微纳光纤的光传输模式特性,通过电场的传数矩阵推导了谐振腔中的速度变化与光强变化间的关系,得到了加速度作用下微环谐振腔的谐振波长、周长、有效折射率的变化值间的函数关系。仿真结果分析表明:设计的微环波导电场波动明显,耦合效率较好;光谱强度和3 dB带宽变化较小,Q值达到104;在质量块每增加10 g时,输出光谱图约向右漂移3 nm;加速度与谐振波长漂移量基本呈线性关系,可以通过谐振波长的漂移量来实现对加速度的测量。研究结果能够为全光网络和微机电系统提供实现多种功能的光波导器件。     

Optical mm-Wave Signal Generation by Frequency Quadrupling Using an Optical Modulator and a Silicon Microresonator Filter

By adjusting the direct current (dc) bias on an electrooptic modulator to suppress the first-order sideband and subsequently using a double-waveguide micro-ring resonator to filter out the optical carrier, millimeter (mm)-wave signal was generated at a frequency of four times the 10-GHz local oscillator. A monolithic integrated silicon-based optical mm-wave signal generator by frequency quadrupling is proposed. A silicon integrated microresonator filter was fabricated and its design parameters are given. High extinction ratio optical mm-wave signal was obtained. The single sideband noise spectrum of the generated 40-GHz optical signal was measured, showing similar performance when compared with that generated by a radio-frequency synthesizer.      

Single silicon waveguide MRR based Fano resonance in the whole spectral bands

To improve the integration of Fano devices, we design a T-shaped waveguide coupling micro-ring resonator (MRR) structure to achieve a single cavity with Fano resonance in the whole spectral bands. The mathematical relationship between the phase factor, the coupling coefficient of the bus waveguide, and the Fano resonance slope extinction ratio (ER) is established. The electron beam exposure process is used to obtain a device with an insertion loss of ~3 dB. The maximum ER of the Fano lineshape exceeds 15 dB, and the slope ratio (SR) is 251.3 dB/nm. This design improves the compactness of the Fano resonant device.     

聚合物微环谐振滤波器特性的研究

利用耦合模理论,计算了聚合物微环谐振滤波器的通路和下话路的传输函数,分析了耦合系数和损耗对传输函数的影响,并推导出了谐振滤波器的谐振波长、自由光谱范围、腔的品质因子、半峰全宽和精细度等特性参数,分析了不同的滤波器结构参数(如环形半径和有效折射率)对滤波特性的影响.     

基于MIM亚波长结构的微环谐振器性质研究

文中设计了一种基于MIM结构的亚波长表面等离子体激元微环谐振器,利用时域有限差分（FDTD）方法分析了其滤波特性,并且针对1．31谐振输出波长处对谐振器进行了性能分析。结果表明这种亚波长结构的微环谐振器与现有的传统介质谐振环器件相比具有很大的优势,更加有利于集成光路的应用。     

Highly efficient convolution computing architecture based on silicon photonic Fano resonance devices

Convolutional neural networks (CNNs) require a lot of multiplication and addition operations completed by traditional electrical multipliers, leading to high power consumption and limited speed. Here, a silicon waveguide-based wavelength division multiplexing (WDM) architecture for CNN is optimized with high energy efficiency Fano resonator. Coupling of T-waveguide and micro-ring resonator generates Fano resonance with small half-width, which can significantly reduce the modulator power consumption. Insulator dataset from state grid is used to test Fano resonance modulator-based CNNs. The results show that accuracy for insulator defect recognition reaches 99.27% with much lower power consumption. Obviously, our optimized photonic integration architecture for CNNs has broad potential for the artificial intelligence hardware platform.     

Study of energy transfer in silicon-based micro-ring resonators

Physical model, time-domain model, transmission spectra and energy transfer diagram of silicon-based micro-ring resonators based on the parallel waveguide structure are analyzed in this paper, in which transmission spectrum is ob- tained by Matlab, and the energy transfer process is analyzed by Rsoft. According to the analyses of the models and results, the energy transfer process in this type of resonator is clear to a great extent. The experimental results show that when the input signal is stable, the energy of the micro-ring resonator and the drop port tends to be steady after the input optical signal is coupled in the coupling region, which proves that the silicon-based micro-ring resonators can select specific optical signal if the input optical signal satisfies the resonance condition. However, if the resonance condition is not met, filtering function, optical switch function and signal selection function can be realized. Therefore, the analysis and simulation of energy transfer in silicon-based micro-ring resonators can not only enrich the silicon micro-ring resonator theory, but also provide new theoretical basis and method for the design and optimization of ex- isting, ontoelectronie devices.     

基于微环腔型光滤波器的新型气体传感器研究

基于微环腔型光学滤波是一项正在发展中的新型气体传感技术,在工业生产、环境保护和医学等领域具有广阔的应用前景.利用微环状波导腔构成气室的吸收光谱型气体传感器具有结构紧凑、波长选择性良好等优点.通过气体吸收光谱及微环腔特性的计算和分析,对基于微环腔型光滤波器的新型气体检测传感系统的设计进行了研究和探索,分析了微环尺寸与其谐振波长、自由光谱范围之间的关系.     

基于Mach-Zehnder结构微环谐振腔全光逻辑门的研究

为了解决全光逻辑门结构所需抽运能量过大的问题,提出了一种基于Mach-Zehnder结构微环谐振腔的全光控制逻辑门结构。通过在微环波导上加入空气孔加强对光的限制,增强了带边附近的3阶非线性效应,从而减小达到所需相移的抽运能量。将微环谐振腔与Mach-Zehnder结构结合,采用光学Kerr效应控制不同微环内相移的改变,从而实现不同逻辑门功能。同时进行了理论分析与仿真验证,计算了不同尺寸空气孔对于结构的影响,并对于不同逻辑功能的控制方法,验证了结构的可行性。结果表明,这种逻辑门结构所需抽运能量不超过10dBm,延迟处于皮秒量级,速度快,器件的尺寸处于微米量级,该结构可以同时实现不同的逻辑门状态,对于全光网络的研究有指导意义。