计算机实验信息应用的器件研究

2018-04-11苑隆寅陈晓曼

实验室研究与探索 2018年2期

苑隆寅，　陈晓曼

(重庆邮电大学移通学院,重庆 401520)

0　引　言

光学微环谐振腔有着极高的Q值及极低的模式体积等光学优势，并且具有尺寸小、成本低、结构紧凑、低损耗、良好的波长选择等优点，使得其在光通信网络方面有着广泛而深入的研究和应用[1-7]。2003年，Aemanl等在Natural上发表一篇关于提高微环谐振腔品质因数Q的文章，通过结合光刻、干法刻蚀和选择回流3种方法，制作了一个品质因素高达108的微环谐振器[8-9]。2010年龚建强团队设计了一种新型的单模传输，能够实现谐振的稳定[10-11]。同一年，通过布洛克介电常数及其磁导率的方法研究人员又实现了异向介质的谐振耦合特性分析。几年后，佛罗里达大学光学和光子学学院的Payam Rabiei及电子与计算机工程系的Saeed Khan等，第一次采用了难熔金属的选择性氧化(Selective Oxidation of a Refractory Metal， SORM)方法，在硅基板上利用亚微米的五氧化二钽(Ta2O5)制作了微环谐振腔及光波导，这一新颖的方法消除了干刻蚀法在制作波导时造成侧壁表面粗糙的问题[12-13]。2014年浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的Pengxin Chen等提出了一种用弯曲波导代替直波导作为方向耦合器的5阶微环谐振腔滤波器，能实现盒状滤波响应、损耗低、自由光谱程大。光子器件的微型化是当前光电器件的发展方向[14-15]，而微纳光纤由于其自身的优势，成为了当前实现高灵敏度传感器的研究重点[16-18]。本文基于上述发展背景和微纳光纤谐振腔理论研究了微环谐振腔波导的电子信息存储。

1　传输理论分析

1.1　微纳光纤中的光传输

在微光子器件应用中，一般光波导的长度都很短，首先我们将这段微纳光纤中光的传播视为无损的，可用Maxwell方程表示：

(1)

(2)

假设此微纳光纤折射率在其轴向方向上是保持不变的，采用分析正规光波导的方法对微纳光纤进行分析，这样可得电磁场的光强度表示：

(3)

式中:E为电场强度;H为磁场强度;ω为角频率;k为波数;h为自然数。

模式场满足波动方程时，则有：

(4)

(5)

这样可以进行数值解析求出传播常数β的数值解，以空气为包层、二氧化硅为芯层的微纳光纤中分别输入波长为700 nm的入射光时，传输模式如图1所示，其中D表示为芯层直径,从图中可以看出，只要条件满足光纤中只有HE11。

图1　波长700 nm时传播常数

1.2　传感原理

本文设计的谐振腔基于的传输矩阵光场描述方法：

(6)

式中:Ei、Eo为输入、输出光的电场强度;Er1、Er2为谐振腔耦合区部分光的电场强度;Leff为谐振腔耦合区的传感长度;tr为谐振腔耦合区的振幅衰减因子;κr为谐振腔耦合区的自耦合系数。于是可得

Er2=τrexp(iβrLt)Er1

(7)

上式存在如下关系：τr=exp(-αrLr)，αr是谐振腔耦合区的衰减系数。利用相位与传长度的变化关系，可得：

(8)

式中:x为横向位移;α为谐振腔长度;b为谐振腔宽度。

进而可以推得谐振腔传感原理的关系：

(9)

式中:Δλ、ΔL、Δn分别为谐振腔耦合区波长、周长和有效折射率的相对变化大小。

2　仿真结果分析

2.1　微环光传输

本文设计的：直线波导(0，-4)(10，-4)。环型波导 (8，0.5)半径：1.8，直线波导与环形波导的参数设置：宽度和高度分别是0.5，1，对入射平面的模式、折射率分布图如图2所示。

图2　输入光平面、折射率分布图

微环共振器的Ey(DFT)结果如图3所示。

图3　Ey(DFT)图

改变两光波导间距之后的Ey(DFT)图结果如图4所示。从图3、4看出设计微环波导Ey的波动明显，耦合效率较好。

图4　改变两光波导间距之后的Ey(DFT)图

2.2　加速度传感结果分析

依据漂移量与加速度变化关系，图5、6分别给出了传感器加速度的光谱及其与谐振腔波长的函数关系。

图5　不同加速度下的输出光谱图

图6　谐振波长与加速度之间关系图

从光谱图发现，设计的传感模型能够实现光谱强度和3 dB带宽变化较小，Q值达到104。从函数关系可以发现设计传感器加速度的与谐振腔波长表现为线性关系。上述结果表明。能够采用探测输出波长漂移量的方法实现加速度变化量的确定，且从量级来看表现了较高的灵敏度和宽范围的检测限。得到的上述结果显然还能够可以作为结构应用与集成的理论参考。