計算機實驗信息應用的器件研究

苑隆寅，　陳曉曼

(重慶郵電大學 移通學院,重慶 401520)

0　引　言

光學微環諧振腔有著極高的Q值及極低的模式體積等光學優勢，并且具有尺寸小、成本低、結構緊湊、低損耗、良好的波長選擇等優點，使得其在光通信網絡方面有著廣泛而深入的研究和應用[1-7]。2003年，Aemanl等在Natural上發表一篇關于提高微環諧振腔品質因數Q的文章，通過結合光刻、干法刻蝕和選擇回流3種方法，制作了一個品質因素高達108的微環諧振器[8-9]。2010年龔建強團隊設計了一種新型的單模傳輸，能夠實現諧振的穩定[10-11]。同一年，通過布洛克介電常數及其磁導率的方法研究人員又實現了異向介質的諧振耦合特性分析。幾年后，佛羅里達大學光學和光子學學院的Payam Rabiei及電子與計算機工程系的Saeed Khan等，第一次采用了難熔金屬的選擇性氧化(Selective Oxidation of a Refractory Metal， SORM)方法，在硅基板上利用亞微米的五氧化二鉭(Ta2O5)制作了微環諧振腔及光波導，這一新穎的方法消除了干刻蝕法在制作波導時造成側壁表面粗糙的問題[12-13]。2014年浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室的Pengxin Chen等提出了一種用彎曲波導代替直波導作為方向耦合器的5階微環諧振腔濾波器，能實現盒狀濾波響應、損耗低、自由光譜程大。光子器件的微型化是當前光電器件的發展方向[14-15]，而微納光纖由于其自身的優勢，成為了當前實現高靈敏度傳感器的研究重點[16-18]。本文基于上述發展背景和微納光纖諧振腔理論研究了微環諧振腔波導的電子信息存儲。

1　傳輸理論分析

1.1　微納光纖中的光傳輸

在微光子器件應用中，一般光波導的長度都很短，首先我們將這段微納光纖中光的傳播視為無損的，可用Maxwell方程表示：

(1)

(2)

假設此微納光纖折射率在其軸向方向上是保持不變的，采用分析正規光波導的方法對微納光纖進行分析，這樣可得電磁場的光強度表示：

(3)

式中:E為電場強度;H為磁場強度;ω為角頻率;k為波數;h為自然數。

模式場滿足波動方程時，則有：

(4)

(5)

這樣可以進行數值解析求出傳播常數β的數值解，以空氣為包層、二氧化硅為芯層的微納光纖中分別輸入波長為700 nm的入射光時，傳輸模式如圖1所示，其中D表示為芯層直徑,從圖中可以看出，只要條件滿足光纖中只有HE11。

圖1　波長700 nm時傳播常數

1.2　傳感原理

本文設計的諧振腔基于的傳輸矩陣光場描述方法：

(6)

式中:Ei、Eo為輸入、輸出光的電場強度;Er1、Er2為諧振腔耦合區部分光的電場強度;Leff為諧振腔耦合區的傳感長度;tr為諧振腔耦合區的振幅衰減因子;κr為諧振腔耦合區的自耦合系數。于是可得

Er2=τrexp(iβrLt)Er1

(7)

上式存在如下關系：τr=exp(-αrLr)，αr是諧振腔耦合區的衰減系數。利用相位與傳長度的變化關系，可得：

(8)

式中:x為橫向位移;α為諧振腔長度;b為諧振腔寬度。

進而可以推得諧振腔傳感原理的關系：

(9)

式中:Δλ、ΔL、Δn分別為諧振腔耦合區波長、周長和有效折射率的相對變化大小。

2　仿真結果分析

2.1　微環光傳輸

本文設計的：直線波導(0，-4)(10，-4)。環型波導 (8，0.5)半徑：1.8，直線波導與環形波導的參數設置：寬度和高度分別是0.5，1，對入射平面的模式、折射率分布圖如圖2所示。

圖2　輸入光平面、折射率分布圖

微環共振器的Ey(DFT)結果如圖3所示。

圖3　Ey(DFT)圖

改變兩光波導間距之后的Ey(DFT)圖結果如圖4所示。從圖3、4看出設計微環波導Ey的波動明顯，耦合效率較好。

圖4　改變兩光波導間距之后的Ey(DFT)圖

2.2　加速度傳感結果分析

依據漂移量與加速度變化關系，圖5、6分別給出了傳感器加速度的光譜及其與諧振腔波長的函數關系。

圖5　不同加速度下的輸出光譜圖

圖6　諧振波長與加速度之間關系圖

從光譜圖發現，設計的傳感模型能夠實現光譜強度和3 dB帶寬變化較小，Q值達到104。從函數關系可以發現設計傳感器加速度的與諧振腔波長表現為線性關系。上述結果表明。能夠采用探測輸出波長漂移量的方法實現加速度變化量的確定，且從量級來看表現了較高的靈敏度和寬范圍的檢測限。得到的上述結果顯然還能夠可以作為結構應用與集成的理論參考。

3　結　語

正是基于微納光纖的這些特點，本文提出了一種新型微環傳感器，分析了微納光纖的以及基于其的環形諧振腔的傳輸理論以及相關特性，采用波長漂移檢測方法實現對加速度的檢測，研究結果對于微機電系統發展有明顯理論和實際意義。

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