检索结果-内蒙古大学图书馆

生物工程学报 2025年第4期41卷 1309-1322页

作者：王一妃赵飞天津大学医学工程与转化医学研究院天津大学天津市脑科学与神经工程重点实验室

硅基微环谐振器(silicon-based microring resonator, SMRR)作为光学生物传感器中的无标签检测典型应用，具备小尺寸、高灵敏度、易集成等优势，适用于物理、化学及生物信号的检测。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种常见... 详细信息

硅基微环谐振器(silicon-based microring resonator, SMRR)作为光学生物传感器中的无标签检测典型应用，具备小尺寸、高灵敏度、易集成等优势，适用于物理、化学及生物信号的检测。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种常见的神经退行性疾病，隐匿性高，而早期干预可以有效缓解AD进程。针对AD的早期诊断，基于SMRR的光学检测平台能有效克服血液筛查中的低丰度标志物和干扰因素问题，展现出超灵敏、低假阳性的检测应用潜力。但目前SMRR在AD检测上的临床应用受限，主要因其存在优化设计差异大、缺乏商用成品芯片、统一检测平台及高成本等问题。同时，AD早期诊断生物标志物存在争议，限制了其辅助诊断作用。本文综述了SMRR的传感原理，总结了其在生物医学领域的研究进展，并以AD为研究对象，探讨了基于SMRR的检测技术主要的应用局限及其在AD早期诊断领域的临床应用潜力。未来，硅基微环谐振器技术的标准化、集成性和普适性可能成为主要的发展方向，本文可为开发成熟的商用检测仪器提供参考，推动其在临床诊断领域的广泛应用。

关键词：硅基微环谐振器生物标志物阿尔茨海默病临床应用潜力

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基于硅基微环谐振器交叉相位调制效应的非归零信号到归零信号光调制格式转换

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光学学报 2013年第7期33卷 7-11页

作者：任艳宋牟平浙江大学信息与电子工程学系浙江杭州310027

光调制格式转换是全光通信中的一个关键技术。基于硅基微环谐振器的交叉相位调制(XPM)效应,可实现非归零(NRZ)信号到归零(RZ)信号的光调制格式转换。将探测光NRZ信号与抽运光时钟脉冲序列同步通过硅基微环谐振器,由于硅波导的XPM效应,... 详细信息

光调制格式转换是全光通信中的一个关键技术。基于硅基微环谐振器的交叉相位调制(XPM)效应,可实现非归零(NRZ)信号到归零(RZ)信号的光调制格式转换。将探测光NRZ信号与抽运光时钟脉冲序列同步通过硅基微环谐振器,由于硅波导的XPM效应,抽运光上升沿与下降沿的功率改变使得探测光NRZ信号产生光频率的负啁啾与正啁啾,通过适当的光带通滤波器(OBPF)就可获得需要的RZ信号。研究了转换后RZ信号的质量与抽运光功率、脉宽以及OBPF对探测光的波长失谐量之间的关系。研究结果表明,利用硅基微环谐振器的XPM效应可实现芯片级的光调制格式转换。

关键词：光通信调制格式转换硅基微环谐振器交叉相位调制

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硅基微环谐振器的特性及应用研究

硅基微环谐振器的特性及应用研究

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作者：王勉山东大学

学位级别：硕士

波导器件的微型化、集成化和规模化已经成为现代光电信息技术不断发展的核心。绝缘衬底上硅的折射率差较大、约束电磁场的能力强,可作为微环谐振器的有效制作材料。基于绝缘体上硅的微环谐振器具有高品质因数、尺寸小、高灵敏度、易于... 详细信息

波导器件的微型化、集成化和规模化已经成为现代光电信息技术不断发展的核心。绝缘衬底上硅的折射率差较大、约束电磁场的能力强,可作为微环谐振器的有效制作材料。基于绝缘体上硅的微环谐振器具有高品质因数、尺寸小、高灵敏度、易于集成等优点,其平面波导的纳米量级结构十分适用于大规模光电集成系统,被广泛用于构成各种功能器件,包括滤波器、传感器、延迟线、逻辑门、调制器、缓存器、激光器、波分复用器等。另外,微环的谐振效应可以提高其在传感应用领域方面的灵敏度。本文以滤波器、传感器、慢光效应为应用背景,对微环谐振器的传输特性、延迟特性以及传感应用做了系统性的研究,主要完成以下几个方面：简介硅基微环谐振器,论述微环谐振器的发展现状、制造工艺、分类、应用以及本文的选题背景。基于耦合模式理论,来研究微环的理论基础,推导直波导与弯曲波导的耦合关系,建立了全通型和上下话路型微环谐振腔的参量模型,推导器件的主要参数如消光比和品质因数的表达式。基于耦合模式理论,利用传输矩阵法来研究多微环的理论基础,分析弯曲波导之间的耦合关系,在之前的单微环基础上解析级联型以及阵列型微环谐振器的传输矩阵模型,解析多微环结构的传输特性,分析微环结构中的串联个数、并联个数、阵列行数奇偶性以及阵列微环列间距这四个方面对其传输特性的影响。分析串联微环个数对微环谐振器延迟特性的影响,然后深入研究耦合系数、环程传输系数分别对单微环、串联微环的延迟特性的影响,发现多微环中的简并现象。利用微环谐振器的谐振漂移效应,深入研究基于微环的温度传感应用。通过研究发现,微环的谐振波长与有效折射率成线性相关,而有效折射率会随着温度而做线性变化,因此,可以得到微环谐振器的谐振波长与温度的关系。通过理论仿真,计算半径为10μm上下话路型微环谐振器在不同温度下的谐振波长,温度调谐的灵敏度为100.73 pmK,在50K的温度变化范围内。在剖析以上关系的基础上,还进一步研究了硅基微环的有效折射率和环程传输系数对谐振温漂灵敏度的影响。然后研究了微环输入输出耦合结构,即利用高耦合效率的垂直耦合光栅和绝热的锥形波导来实现对微环的耦合输入输出。最后介绍了微环的一般制作工艺流程,以及制作微环所用到的相关技术,包括电子束光刻、干法刻蚀工艺、氧化硅生长等技术。

关键词：硅基微环谐振器传输矩阵耦合模式理论温度传感灵敏度耦合结构

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硅基微环谐振器传输特性的研究

硅基微环谐振器传输特性的研究

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作者：李祥鹏山东大学

学位级别：硕士

微电子集成技术经过半世纪的发展,所遵循的摩尔定律已接近极限,进一步发展遇到瓶颈,亟需技术突破。而"硅”这种制造大规模集成电路的半导体材料在电学特性研究和制造工艺改进领域已经非常完善,很难实现技术突破。近年来硅基光子学... 详细信息

微电子集成技术经过半世纪的发展,所遵循的摩尔定律已接近极限,进一步发展遇到瓶颈,亟需技术突破。而"硅”这种制造大规模集成电路的半导体材料在电学特性研究和制造工艺改进领域已经非常完善,很难实现技术突破。近年来硅基光子学的研究成果表明硅和硅基作为一种新型的光子材料除本身优良的电学特性外也展现出了良好的光学特性,并在实验室中初步实现了硅和硅基材料中光的产生、传输、调控、互连和探测等一系列功能。作为目前最具潜力的光电子集成方案之一,硅基光电子集成技术是继微电子集成技术之后的又一革命性技术,对于建设和实现未来信息化社会具有巨大的经济和战略意义。硅基微环谐振器作为硅基光电子集成系统中的核心调制器件具有结构尺寸小、集成度高、成本低等优点,通过其谐振特性结合硅材料的热光效应、等离子色散效应、量子限制斯塔克效应可在硅基集成系统中实现高速调制器、高速光开和可调谐滤波器等功能,是目前硅基器件中应用最为广泛的器件之一,极具研究价值。因此本论文对硅基微环谐振器的传输特性进行了深入研究,主要工作如下：(1)通过耦合模理论(CMT)推导出了二维情况下硅基微环谐振器的耦合系数,并通过数值仿真结果进行了验证。最后得到了耦合系数与硅基微环谐振器结构参数之间的关系。(2)通过时域有限差分法(FDTD)对硅基微环谐振器进行了大量的数值仿真,得到了硅基微环谐振器结构参数对器件传输光谱的影响,并对仿真结果进行了理论分析。(3)引入微波网络的概念,将硅基微环谐振器等效为一个四端口网络,通过耦合模理论和光波干涉法得到了该网络的散射矩阵,并通过数值仿真对结果进行了验证。

关键词：硅基微环谐振器时域有限差分法耦合系数散射矩阵

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基于硅基微环谐振器的波长锁定研究

基于硅基微环谐振器的波长锁定研究

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作者：牛开雄浙江大学

学位级别：硕士

近年来，随着网络流量的不断增加，传统通信方式逐渐难以满足人们的需求，硅光技术具有带宽大、延迟低、损耗小等优势，在光互联网络、光计算等领域具有广泛的应用，受到越来越多的关注。硅基微环谐振器是硅光技术中一种重要的器件，具... 详细信息

近年来，随着网络流量的不断增加，传统通信方式逐渐难以满足人们的需求，硅光技术具有带宽大、延迟低、损耗小等优势，在光互联网络、光计算等领域具有广泛的应用，受到越来越多的关注。硅基微环谐振器是硅光技术中一种重要的器件，具有波长选择特性、结构紧凑等优势，与CMOS工艺兼容，在光互联网络中具有重要的应用。然而由于工艺制造误差，以及“温漂”带来的干扰，微环谐振器的工作性能受到影响，因此需要对微环谐振器的波长进行锁定。本文主要研究工作包含以下两个部分：　　1.提出一种基于单个微环谐振器的偏移锁定方法。在移相器的集成加热器上施加热调谐电压，分析热调谐电压与引入相位的关系，将抖动信号加载到微环谐振器上，利用相干检测法提取有关微环谐振器工作状态的误差信号。实验研究了方波和余弦波作为抖动信号对提取误差信号的影响，证明了使用相除的方法可以实现反馈信号不受输入光功率变化的影响。利用反馈信号与微环谐振器的关系，根据所设计的波长偏移锁定系统，实现波长偏移量为-0.048nm、0和0.061nm的锁定。　　2.提出一种基于级联二阶微环谐振器的锁定方法。使用相干检测法，将两个不同频率的抖动信号加载到两个微环谐振器中。提取的两个误差信号单调性相反，在锁定区间内变化速度最快，并有且仅有一个交点。根据该特性，设计了锁定点搜索算法，实现了级联二阶微环谐振器的锁定。锁定前后微环谐振器下载端输出光谱的3dB带宽、插入损耗、消光比以及带内波动等性能指标均有所提升。

关键词：集成光学硅基微环谐振器相干检测法波长锁定

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基于硅基微环谐振器的可调光子射频移相器

基于硅基微环谐振器的可调光子射频移相器

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2009年先进光学技术及其应用研讨会

作者：吴艳志叶通上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室

光子射频移相器在相控阵天线系统与波束形成网络中有着越来越重要的应用。文中设计了一种基于硅基微环谐振器的光子射频移相器,通过改变微环与直波导之间的耦合系数,实现相位的连续可调,并通过数值计算加以验证。该移相器具有幅度抖动... 详细信息

光子射频移相器在相控阵天线系统与波束形成网络中有着越来越重要的应用。文中设计了一种基于硅基微环谐振器的光子射频移相器,通过改变微环与直波导之间的耦合系数,实现相位的连续可调,并通过数值计算加以验证。该移相器具有幅度抖动小、移相范围大、尺寸小、结构简单、易于集成等优点。

关键词：光子射频移相器硅基微环谐振器相控阵天线波束形成网络

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面向百吉比特无源光网络的高效灵活复用通信技术研究

面向百吉比特无源光网络的高效灵活复用通信技术研究

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作者：鲍芳荻哈尔滨工业大学

学位级别：博士

当今社会正处于信息传输技术急剧发展的时代,随着超清网络视频会议、云计算/云存储、虚拟现实应用等新一代宽带多媒体业务的不断涌现,接入网带宽需求量以平均每5年为一个数量级的趋势增长,目前正朝向百吉比特容量发展。传统的时分复用... 详细信息

当今社会正处于信息传输技术急剧发展的时代,随着超清网络视频会议、云计算/云存储、虚拟现实应用等新一代宽带多媒体业务的不断涌现,接入网带宽需求量以平均每5年为一个数量级的趋势增长,目前正朝向百吉比特容量发展。传统的时分复用无源光网络已经无法满足百吉比特高速带宽的需求,由于波分复用和空分复用技术具有实现大容量传输方面的独特优势,受到了国内外科研机构和运营商的青睐。从现有的百吉比特无源光网络系统实用化发展进程来看,波分、空分复用技术仍存在一些急需解决的关键技术问题,包括插/分(Add/Drop)复用模块的集成、灵活的多波长光源设计、光网络单元(ONU)无色化技术和高效灵活的系统结构设计及优化等。本文对基于波分空分复用无源光网络系统的部分关键技术进行了专门研究,目标是满足未来接入网应用需求,实现无源光网络传输速率高速化、波长管理灵活化、系统结构高效集成化,具体包括以下几方面:针对目前插/分复用模块不易于集成的问题,提出了一种基于可集成硅基偏振分集(Polar-D)微环谐振器的高效插/分复用技术方法,同时解决了传统集成器件对输入光偏振态敏感的问题。重点研究了Polar-D微环谐振器的传输特性和偏振不相关特性,在此基础上搭建了波分复用实验平台,成功实现了偏振不敏感的插/分复用功能,该方法有利于实现波分空分复用无源光网络系统高效集成。针对光线路终端(OLT)中采用多个激光光源导致系统体积变大、波长管理困难的问题,提出了一种基于电光调制与自相位调制相结合的灵活光频梳技术方法。利用连续激光器、级联的电光调制器和平坦色散高非线性光纤等设备搭建了实验平台,实现了中心波长调谐范围为1535nm至1564nm、频率间隔调谐范围为25GHz至40GHz、30d B带宽最大可达164nm的光频梳。该方法可有效降低激光器的使用数量,有利于简化波分空分复用无源光网络结构,提高波长配置灵活性。针对目前无色ONU方法存在频谱效率低、传输速率提升困难及抗后向瑞利散射噪声差的问题,提出了一种采用低芯间串扰多芯光纤的高速ONU无色化方法。采用多芯光纤中一个纤芯作为专用通道,将OLT端的光载波传输至ONU端并作为其种子光源,实现了无激光器的无色ONU。OLT负责管理系统所有的波长,提高了光网络的灵活性。利用4路激光器与低串扰的七芯光纤等设备进行了实验研究,结果表明,该方法可有效抑制后向瑞利散射噪声,能够显著提升波分-空分复用无源光网络系统传输容量,同时有利于提高波长配置灵活性。在论文上述关键技术研究工作基础上,提出了一种新的百吉比特波分-空分复用无源光网络系统方案。利用低成本的窄带直调激光器、Polar-D微环谐振器以及多芯光纤,搭建了波分-空分复用无源光网络系统实验平台,成功实现了100Gbit/s高速传输。得益于Polar-D微环谐振器的光谱整形特性,信号的消光比得到了有效改善。系统采用简单的直调直检机制,并且上下行信号在一根多芯光纤中双向传输,结构简化、波长配置灵活。

关键词：无源光网络空分复用波分复用硅基微环谐振器频率梳

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光通信系统中微纳光学谐振腔的研究

光通信系统中微纳光学谐振腔的研究

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作者：陈羽裳北京邮电大学

学位级别：硕士

随着5G商业化时代的到来,全球数据流量呈爆炸性增长,为光通信的发展提供了新机遇的同时,也对光通信系统中各类光电子器件的性能提出了更高的要求。在光通信系统中,一些功能性无源器件扮演着十分重要的角色,比如光学谐振腔。随着微纳加... 详细信息

随着5G商业化时代的到来,全球数据流量呈爆炸性增长,为光通信的发展提供了新机遇的同时,也对光通信系统中各类光电子器件的性能提出了更高的要求。在光通信系统中,一些功能性无源器件扮演着十分重要的角色,比如光学谐振腔。随着微纳加工技术的不断成熟,光学谐振腔逐渐向高性能、小尺寸的方向发展,研究热点从传统的开放式光学谐振腔转向了光学微腔。光学微腔种类多样,其中F-P型微腔和微环谐振腔由于结构相对简单在激光器、滤波器、光电探测器以及传感器等光电子器件中得到了广泛的应用。因此,对光学微腔的结构进行设计和优化以进一步提高器件性能尤为重要。论文工作围绕光通信系统中的微纳光学谐振腔展开了理论和实验研究,主要研究工作和创新如下:1、提出了一种基于非周期高折射率差亚波长光栅的光学微腔。该微腔的底镜由两个对称且具有小角度光束偏转特性的非周期高折射率差亚波长光栅(HCG)组成,顶镜为分布式布拉格反射镜(DBR),腔内填充的介质为空气。通过理论分析得到该微腔不仅可以大大增加腔内模式光发生谐振时的光程,提高品质因数,还可以灵活控制谐振光场的宽度,减小有效模式体积。2、针对提出的非周期高折射率差亚波长光栅光学微腔,采用严格耦合波分析法和有限元法,对其结构进行了设计和优化,当使用偏转角度为1°的高反射率HCG反射镜作为微腔底镜时,微腔具有最优性能。在1550 nm波长处,腔长为1549.88 nm、腔宽约24 μm的微腔可以获得的品质因数大小为4379,有效模式体积为1.361 μm2·d,相比于同尺寸的普通F-P腔,其品质因数提高了 2.5倍,有效模式体积减小了 17.67倍。3、提出了一种基于非周期HCG-DBR的新型光学微腔。该微腔的顶镜为DBR,底镜由非周期HCG和DBR组合而成,腔内填充的介质是空气。当入射波长为1550 nm时,底部HCG反射镜的偏转角度为1°、腔宽为24 μm左右、腔长为1549.88 nm的微腔的最大品质因数可达到8857,与同尺寸非周期HCG光学微腔相比,该微腔的品质因数提高了 2倍,有效模式体积保持在1.36μm2·d左右。4、针对基于硅基级联微环的高消光比滤波器进行了实验测试,并与人合作完成了对该器件传输谱特性以及温度特性的测试工作。首先测试了消光比理论值在70dB至80 dB之间的跑道型硅基三阶级联微环的传输谱特性,测试结果表明,该器件的自由频谱宽度(FSR)与理论设计一致,且消光比大于60 dB;然后完成了对点耦合型硅基三阶级联微环的温度特性的测试,测试结果表明,谐振波长在30℃-55℃的温度范围内具有良好的线性度,温度敏感系数k为56 pm/℃。

关键词：非周期高折射率差亚波长光栅光学微腔硅基微环谐振器微腔性能

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硅基光子滤波器的传输特性研究

硅基光子滤波器的传输特性研究

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作者：杨超山兰州交通大学

学位级别：硕士

随着信息社会的飞速发展,人们对器件尺寸和工作速度提出了更高要求。传统的晶体管器件的发展一直遵循摩尔定律,但随着器件尺寸的极限减小,依靠减小物理尺寸和提高工作频率来提升信息的处理速度遇到瓶颈。硅基集成光子器件的出现,提供了... 详细信息

随着信息社会的飞速发展,人们对器件尺寸和工作速度提出了更高要求。传统的晶体管器件的发展一直遵循摩尔定律,但随着器件尺寸的极限减小,依靠减小物理尺寸和提高工作频率来提升信息的处理速度遇到瓶颈。硅基集成光子器件的出现,提供了解决器件信息处理效率的另一种方案。硅基微环谐振器（MRR,Micro-ring Resonator）是集成光学电路中关键构成单元,具有可集成度高、成本低廉、工艺成熟等优点。本文从硅基MRR结构出发,研究了微环拓扑结构和微盘结构的传输特性。并结合布拉格光栅结构,提出了改进型微环滤波器。同时基于跑道型MRR结构,研究了电压对器件传输特性的影响。利用散射矩阵模型对所设计的器件结构进行理论分析,结合Comsol多物理场仿真软件建立模型并对各结构传输特性进行仿真分析。主要完成的工作如下:（1）以微环谐振器为基本单元,利用传输矩阵模型研究了MRR的传输特性,仿真分析了光信号传播路径以及该结构中关键参数（如微环半径、微环与直波导的间距）对器件性能的影响。同时搭建了微环谐振器立体结构模型,对微环谐振器的输出频谱进行仿真,这将为器件制造提供结构参数依据。并对由单微环谐振器结构衍生的串并联结构进行了传输特性分析以及仿真研究。（2）研究了波导器件中具有滤波特性的布拉格光栅结构,并基于现有结构提出了改进型布拉格光栅:非对称型包层调制光栅结构（ACMBG,Asymmetric Cladding-Modulated Bragg Grating）,该结构的改进之处在于利用了光栅齿结构的不对称性。推导了改进型结构的传输函数表达式,并对结构改进前后的传输频谱做了对比分析。结果表明:改进型结构使光栅结构实现了弱耦合,从而使光栅反射带宽降低到0.3nm,消光比增加到35.1dB,耗散到包层的光功率下降到3.13×10-5W。结合微环谐振器和布拉格光栅设计了微环—布拉格光栅谐振系统,并研究了其传输特性。结果表明:该谐振系统的3dB带宽可达到0.3nm,Q值达到6000,FSR约为40nm。（3）研究了跑道型微环谐振器的滤波特性,并通过加载电场,分析了电场对器件传输特性的影响。结果表明:加载电场后谐振器的输出频谱发生了蓝移,这将为以后实现器件输出频谱的控制奠定基础。研究了和微环谐振器同属于回音壁模式谐振腔的微盘结构,对于未来微环谐振器结构的优化和性能改进将起到重要作用。

关键词：硅基微环谐振器集成光学布拉格光栅电光效应回音壁模式微腔

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基于微环谐振器的传输特性及温度传感特性研究

基于微环谐振器的传输特性及温度传感特性研究

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作者：穆洲兰州交通大学

学位级别：硕士

随着信息技术的快速发展,作为其支柱之一的传感技术由于承载着现实世界中信息提取的任务,发展势头迅猛。温度传感器已经广泛应用到工业生产、医疗诊断、农业监测、日常生活等各个领域。人们对传感器件小型化、集成化、高性能等方面的要... 详细信息

随着信息技术的快速发展,作为其支柱之一的传感技术由于承载着现实世界中信息提取的任务,发展势头迅猛。温度传感器已经广泛应用到工业生产、医疗诊断、农业监测、日常生活等各个领域。人们对传感器件小型化、集成化、高性能等方面的要求越来越高,而以光波导为媒体的微型光学传感器件由于其较高的灵敏度,较强的抗电磁干扰能力及良好的可集成性获得了广泛的研究及关注;微环谐振器作为集成光学中的重要组成单元,具有结构紧凑、设计灵活、可集成度高等优点。光学传感器件通过光波导表面消逝场的作用来检测外界环境指标的变化,具有高品质因数、低成本、良好的热光效应的硅基微环谐振器在这方面的应用更受关注。本文以硅基微环谐振器为主要单元,从其基本传输特性展开研究,分析了其它复合结构谐振器的传输特性,围绕提高其测量范围和检测灵敏度,提出了具有较优性能的改进型器件结构。采用散射矩阵模型进行了理论分析,并结合基于时域有限差分法(FDTD)的仿真软件对其传输特性进行了模拟仿真。主要工作包括以下几点:(1)介绍了主要组成单元微环谐振器的相关理论和工作原理,采用传输矩阵法对其基本结构的传输特性进行了研究。建立其三维结构模型,对这几种结构的传输频谱进行模拟仿真。同时,仿真分析了谐振器结构参数对其特性指标的影响及发生谐振时光信号的传播路径。(2)研究了基于微环谐振器的复合结构,根据已有的研究提出了改进的slot型反馈波导耦合微环谐振结构。首先利用传输矩阵法分析了该结构的输出函数表达式,并对结构改进前后做了对比。仿真结果表明当反馈波导长度为微环周长的整数倍时,自由光谱范围较相同结构参数下的微环谐振器提升了一倍,消光比可以达到30dB。同时,分析了微环谐振器的传感理论,建模仿真了反馈波导耦合微环谐振器不同部分感温时的温度传感情况。(3)研究了由矩形直波导刻蚀而成的一维光子晶体微腔耦合微环谐振腔结构中的Fano谐振。根据这两种结构耦合可以产生非对称谱型的特性,分别分析了微环谐振腔和一维光子晶体微腔的传输特性,并由它们的谐振状态的耦合阐述了非对称谱型产生的机理,即Fano谐振是由这两种结构中的离散状态和连续状态的光干涉而形成的。同时,分析了该器件的结构参数对传输特性的影响及温度传感特性。

关键词：集成光学硅基微环谐振器反馈波导温度传感 Fano谐振

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