微环谐振器_微环谐振器资源-CSDN文库

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第 3 章微环谐振器

近年来，微环谐振器(Micro-Ring Resonator，MRR)已引起国内外研究者的高度重视

和极大兴趣，成为热点研究课题。MRR具有成本低、结构紧凑、集成度高、插入损耗小、

串扰低等优点，在光信号处理、滤波、波分复用、解复用、路由、波长变换、调制、开

关、激光等方面都具有广泛的应用。由于MRR的谐振不需要腔面或光栅来提供光反馈，

因此十分有利于与其他光电子元器件的单片集成。不同半径的微环进行串联，可以有效

地增大自由光谱区(FSR)，从而可以有效地增大信道数量。多个微环进行串联和并联，

可以形成近于方形的谐振光谱，使得光谱响应变得十分平坦。因而这种MRR阵列可以成

为密集型波分复用的理想器件。当前国际上在MRR滤波器方面已做了大量的理论和实验

工作，用Si/SiO

、Ta

/SiO

、GaAs/AlGaAs、GaInAsP/InP、聚合物等材料制成的器件

已有大量的报道，包括单环

[21~23]

、并联多环

[24~27]

、串联多环

[28~32]

、并联串联多环

[33-36]

等

MRR阵列结构。

单环 MRR 的结构最为简单，其他结构复杂的 MRR 阵列都是由多个微环组合而成，

单环 MRR 是 MRR 阵列的基本结构，因此对单环 MRR 的特性分析是非常必要的。单环

MRR 有两个基本缺点，一是其光谱响应不平坦，呈上凸形的洛伦兹分布，当器件因工

艺误差或因温度变化而引起光谱漂移时，器件不能正常地工作；二是其光谱中的非谐振

光较强，这使得单环 MRR 的串扰较大。为了克服单环 MRR 上述两个缺点，可以把多

个微环并联或串联起来形成 MRR 阵列，适当选择结构参量，即可获得十分平坦的“箱

形”(box-like)光谱响应，又可有效地降低光谱中非谐振光的强度，进而有效地减小器件

的串扰。

本章将阐述单环MRR

[37]

和并联多环

[38]

、串联多环

[39]

、串联并联多环

[40]

、并联串联

多环

[41]

等MRR阵列的滤波原理、以及一个分波单元中含有一个微环

[42]

及含有三个微环

[43]

MRR阵列的波分复用原理，给出微环波导和信道波导的截面尺寸、耦合间距、微环

半径、相邻微环间的半径差等结构参量的优化方法，并对微环的谐振级数、FSR、微环

半径与波长间的色散关系、输出光谱、插入损耗、串扰等特性进行详细地分析模拟。其

他类似结构的MRR滤波和波分复用器件的研究内容可参见我们发表的论文

[44~49]

。

这里需要说明的是，MRR 的插入损耗包括模的传输损耗、弯曲损耗、波导界面的

散射损耗、由高折射率衬底引起的泄漏损耗等等。通过适当选择微环半径，可使弯曲损

耗降至很小以至可以忽略。采用蒸汽回溶技术平滑波导界面可以有效地降低界面的散射

分为侧向耦合和竖直耦合两种情况。侧向耦合时，信道和微环处于同一平面内，二者之

间存在一宽度为 d 的中心耦合间距；竖直耦合时，微环在信道之上，二者之间存在一厚

度为 d 的耦合层。图 3-1(a) 显示了侧向耦合时平行信道单环 MRR 滤波器的结构，而图

3-1(b)显示了竖直耦合时交叉信道单环 MRR 滤波器的结构，而图 3-1(c)则显示了竖直耦

合交叉信道单环 MRR 波分复用器的基本结构。

以图 3-1(a)为例，光在 MRR 中的传输过程是：当信号光从上信道左端口输入后，

在邻近微环时要发生相互耦合，其结果使上信道输入的部分光功率不断地耦合进入微环

中，同时微环中的部分光功率也要不断地耦合进入上信道中，并由上信道的右端口输出；

耦合进入微环中的光在微环中不停地旋转而发生谐振，并在邻近下信道时也要发生相互

耦合，其结果使微环中的部分光功率不断地耦合进入下信道中，并由下信道的左端口输

出。

MRR 滤波器只具有滤波功能，而 MRR 波分复用器可具有解复用、复用和周期性三

种基本功能，将在下面分别加以说明。

3.1.2 微环谐振方程

光在微环中传输时，只有那些绕微环传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍的

光才能产生谐振而加强，即满足下述的微环谐振方程

mRn =π

2 (3.1-1)

或者说，只有那些绕微环传输一周时所产生的相位差为 2π 的整数倍的光才能产生谐振

而加强，此时的微环谐振方程为

mR π=π 22

(3.1-2)

式中，R为微环的谐振半径，n

为微环波导中模有效折射率，β为模传播常数，λ为真空

中光波长，m为谐振级数，取正整数。微环的谐振级数m是一个重要参量，一旦谐振级

数m确定后，则其它一些参量如微环谐振半径、半径-波长色散方程、相邻微环的半径差、

自由光谱区(FSR)等表达式也随之确定，并可由微环谐振方程推导出来。

3.1.3 微环谐振半径

由式(3.1-1)得到微环的谐振半径 R 为

2 n

(3.1-3)

3.1.4 半径-波长色散方程

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