基于耦合模理论的微环谐振器模型研究.pdf

浙江大学信息科学与工程学院 硕士学位论文 基于耦合模理论的微环谐振器模型研究 姓名：余小燕 申请学位级别：硕士 专业：微电子与固体电子学 指导教师：杨建义 20080515 浙江大学硕士学位论文 摘要 随着现代网络的广泛应用，人们对通信网络的容量及速度的要求越来越高， 而大规模集成光学有望成为未来高容量高速度的通信网络的一个重要组成部分． 光学微环谐振以功能多样性，结构紧凑性，良好的波长选择性等特征成为极具潜 力的集成光学基本元器件，瞬时在其他信患处理和传感领域也有广泛地应用另 外，材料科学和平面工艺技术的发展也推动了各种结构和功能的微环谐振器的应 用与制作方面的研究为了缩短微环器件的研究周期，降低研究成本，拥有一套 可靠实用的微环理论模型显得十分重要． 本论文的主要工作就是对微环的理论模型进行尝试性研究，提供了微环模型 的一种研究思路首先提出了微环结构的三个模块，分别为直波导区域，弯曲波 导与直波导的耦合区，以及弯曲波导区域为得到与结构相对应的微环谐振特性， 我们重点分析了后鼹个模块，最后进行综合得到谐振结果 在探索弯曲波导的模场分布时，本论文利用F D 法计算高折射率差的弯曲波 导，并与相应的直波导的模场特性进行对比，得出高折射率差的弯曲可近似成直 波导的最小半径。

同时利用解析法分析了弱导性的弯曲波导，当弯曲半径较小时， 大部分能量分布在外包层，且成震荡形式的辐射场，损耗很大，弯曲波导的芯层 几乎不能进行光场的传输所以对于弱导性微环要选择合适的半径 在分析直波导和弯盐波导的耦合时，用直波导近似弯曲波导的方法与直波导 耦合，解析求解的弯曲波导与直波导耦合两种方法来分别分析高折射率差与低折 射率两种情况，主要分析了耦合系数随坐标翻的变化，以及不同耦合间距下输入 输出的耦合比率随半径的变化情况，最后模拟得到传输功率和场分布，从而形象 直观地说嗳了弯莹波导和壹波导的耦合现象 最后我们综合了前面分析的内容，再结合传递函数模拟了给定结构的谐振特 性同时，分析了各参数翡变化对谐振特性的影响，包括两个耦合间距的变诧， 折射率差变化，耦合比率随波长的变化，半径的变化等等最后简单讲解了多环 结构羲分析方法 关键字：弯曲波导，耦合模理论，微环谐振器，集成光学 ¨ 浙江大学硕士学位论义 A b s t r a c t W i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o n so fm o d e r no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，w er e q u i r el a r g e r c a p a c i t ya n dq u i c k e rs p e e d 。

T h ev e r yl a r g es c a l eo fi n t e g r a t i o no np h o t o n i cc i r c u i t s ( V L S I - P C s ) i so n eo fd e v e l o p m e n td i r e c t i o n so ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n si nt h e f u t u r e O p t i c a lm i c r o r i n gr e s o n a t o r sh a v eb e c o m eo n eo ft h ep o t e n t i a lm o d u l e so ft h e V L S I —P Cf o rt h e i rf u n c t i o n a l i t y , c o m p a c t n e s sa n ds e l e c t i v i t yo fw a v e l e f i g t ha n da l s o h a v ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nt h ep r o c e s so fi n f o r m a t i o na n ds e n s o rf i e l d 。

I nt h eo t h e r h a n d ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l s c i e n c ea n d p l a n em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ，m a n yd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n df u n c t i o n sm i c r o r i n gr e s o n a t o r sh a v eb e e n r e s e a r c h e d ．I no r d e rt od e c r e a s et h ep e r i o da n dc o s to fr e s e a r c h e s ，t oh a v ear e l i a b l e a n d p r a c t i c a lm i c r o r i n gr e s o n a t o rt h e o r ym o d e li sv e r ye s s e n t i a l ． T h em a i nw o r ko fm yt h e s i si sp r o b a t i v e l ym o d e l i n gm i c r o r i n gr e s o n a t o rb yc o u p l e d m o d et h e o r y ．F i r s t l y , w e p r o p o s e t h r e ef u n c t i o n a l p a r t s o f a d d —d r o pm i c r o r i n g s t r u c t i o n ，a n dt h e ya leb u sw a v e g u i d e s ，c o u p l e r sb e t w e e nb e n tw a v e g u i d e sa n ds t r a i g h t w a v e g u i d e s ，a n dr e m a i n i n gc a v i t yp a r t s ．T h e n ，w ef o c u so na n a l y z i n gt h es e c o n dp a r t a n dt h et h i r dp a r t ，b e c a u s et h es p e c t r a lr e s p o n s eo ft h em i c r o r i n gd e p e n d so nt h e p r o p a g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa l o n gt h ec a v i t ya n dt h ec o u p l i n gb e t w e e nt h e c a v i t ya n dt h es t r a i g h tw a v e g u i d e s ． W h i l es t u d y i n gi nt h em o d eb e h a v i o ro fb e n tw a v e g u i d e ，w eu s et h eF Dm e t h o dt O c a l c u l a t ei t se l e c t r o f i e l da n dp r o p a g a t i o nc o n s t a n t ，a n dt h e nc o m p a r ew i t hi t s c o r r e s p o n d i n gs t r a i g h tw a v e g u i d et Og e tt h em i n i m a lr a d i u sw h e nw ec a nr e g a r dt h e b e n da si t sc o r r e s p o n d i n gs t r a i g h tw a v e g u i d ea p p r o x i m a t i v e l y ．A l s ow eu s et h e a n a l y t i c a lm e t h o dt oa n a l y z et h ew e a k l y —g u i d i n gb e n tp l a n a rw a v e g u i d e ．A st h er a d i u s o ft h eb e n dd e c e a s e ，t h e r ea r em o r ea n d m o r ef i e l dr a d i a t i n gi nt h ec l a dl a y e rw h i c h b e h a v e so s c i l l a t o r y , S Oi tm a k e sm o r el o s s t h a tt h ec o r el a y e rc a n n tp r o p a g a t et h e o p t i c a lf i e l d 。

W ec o n c l u d et h a tw es h o u l dc h o o s et h ea p p o s i t er a d i u st Oo b t a i nt h e r e q u i r e dm i c r o r i n g ． i l l 浙江大学硕七学位论文 A c c o r d i n gt Ot h ea n a l y s i so fb e n tw a v e g u i d e sa b o v e ，w er e s p e c t i v e l yr e s e a r c ht w o t y p e so fd i f f e r e n c ei n d e xo fr e f r a c t i o nw h i c ha r eh i g hd i f f e r e n c ei n d e xo fr e f r a c t i o n a n dl o w ．W er e s e a r c ht h ev a r yo fc o u p l i n gc o e f f i c i e n tw i t hp r o p a g a t i o nd i r e c t i o na n d t h ed i f f e r e n tg a p sb e t w e e nt W O w a v e g u i d e s ．L a s t l y ，w es h o wt h et r a n s e p o w e ra n df i e l d d i s t r i b u t ew h i l et h eb e n tw a v e g u i d eb e c o m en e a rt ot h es t r a i g h tw a v e g u i d e ． I nt h ee n d ，w es y n t h e s i z et W Op a r t so ft h em i c r o r i n g ，a n dt o g e t h e rw i t ht h et r a n s f e r f u n c t i o n st os i m u l a t et h er e g p o n s ec h a r a c t e r i s t i c。