电可调跑道型光学微谐振腔及其传感应用研究.pdf

摘要

光学微谐振腔具有耦合稳定、自由度高、整体输出强度大、自由频谱范围小、尺寸

小等优点，在光信号处理、光通信和光学传感等应用领域具有广泛的应用前景。目前，

光纤通信技术正处于高速发展的时代，高性能的电光调制器是光纤通信中必不可少的器

件之一，是科学研究的热点，跑道型光学微谐振腔是电光调制器重要结构之一。通过对

谐振腔的控制能够很好的实现对光的强度、相位和频率的调制，结合其场增强效应可有

效提升微谐振腔调制器的光调制性能。另外，跑道型光学微谐振腔尺寸小，易于集成，

给高集成度光子芯片提供了可行的方案。当今，传感器已经成为各行各业不可或缺的器

件，其中，可集成光学传感器正蓬勃发展。跑道型光学微谐振腔的场增强效应可有效地

提高传感的灵敏度，降低检测极限，可适用于单分子检测、气体监测和痕量检测应用领

域；而且，它在临床检测和环境监测领域也具有广泛的应用。本文围绕跑道型光学微谐

振腔开展了相关科学研究工作，具体的研究内容包括：

（1）研究了一种电光聚合物掩埋的硅跑道型微谐振腔（polymer-embeddedsilicon

racetrackresonator，PSRR）的电光调制特性。采用有限元法（finiteelementmethod，FEM）

中的模式分析方法对PSRR的模式进行了研究，对其波导截面的模场分布进行了分析，

对其场限制能力进行了分析并为后面的传感研究提供了依据。通过参数化扫描，研究了

单模传输的尺寸条件和波长（频率）条件；并对比了不同模式的模场特性和截止条件。

为了获得更好的透射特性，我们对直波导和跑道型微谐振腔之间的耦合特性进行了研究，

分析了不同结构尺寸下谐振腔耦合的过耦合、临界耦合和欠耦合状态，为后续研究提供

了合理的结构尺寸。

（2）在微谐振腔上下增加偏置电极，改变偏置电压，利用电光材料铌酸锂（LiNbO）、

3

电光聚合物（AJ309）和杂化电光聚合物/TiO材料（hybridizationelectro-opticsTiO，

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HEOT）的电光效应，可实现微谐振腔对入射光的电可调能力。结果表明，LiNbO-PSRR

3

可实现8.8dB的调制深度（modulationdeep，MD），其电光波长调谐（electro-optic

wavelengthtuning，λEO）为10pm/V，消光比（extinctionratio,ER）为27.6dB。HEOT-PSRR

的λEO为100pm/V，MD为5.2dB，ER为6.2dB。PSRR电光调制器（electro-opticmodulator，

EOM）在光通信、光信号处理和光网络链路方面具有潜在的应用前景。它可以用于密集

波分复用（densewavelengthdivisionmultiplexing，DWDM）系统中的光频率梳产生器，

激光器的电光移频器，光学孤子形成器和相控阵雷达中的光子延时器件。

（3）结合微流体（microfluidics）技术，研究了一种基于悬浮式跑道型微谐振腔

（suspendedracetrackmicro-resonator，SRTMR）高阶模式（Ey）的传感。通过改变覆

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盖层的折射率（n），利用有限元方法对SRTMR的透射峰偏移进行了研究。结果表明，

c

透射峰随着nc的增大向长波长方向移动，利用高阶模式（Ey）进行传感时的折射率灵

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敏度为201nm/RIU，是基模（Ey