（光学专业论文）硅基二氧化硅光波导无源环形谐振器研究.pdf

摘要 光波导无源环形谐振器是微型光波导陀螺的核心敏感部件，其性能 直接影响陀螺的极限分辨率和各项误差，是此种陀螺的设计关键。本文 提出了一种新型硅基二氧化硅光波导无源环形谐振器结构，进行了理论 分析并对其结构进行了设计。相比以往工艺，g e 0 2 硅光波导能够提供 更低的传输损耗，主要研究了在硅基底上，利用火焰水解法制作g e 0 2 参杂硅波导。结合光学设计软件，完成了对波导材料、定向耦合器、弯 曲波导部分和无源环形谐振器的模拟和设计。从理论分析了无源环形谐 振器的重要参数一清晰度，并提出了提高清晰度的可行方案。由于在谐 振条件下清晰度和光的传输主要取决于环形谐振器的全部损耗，所以详 细分析了系统的全部损耗来源。最后结合现有先进的光学工艺，提出了 加工与制造方案。 关键词：无源环形谐振器清晰度集成光路二氧化硅光波导 a p a s s i v er i n gr e s o n a t o ri s t h ec o r es e n s i n ge l e m e n ti nt h em i c r o w a v e g u i d eg y r o s c o p c i t sp e r f o r m a n c e si n f l u e n c et h em i n i n l u mr e s o l u t i o n a n dt h ee r r o ri t e m so fg y r o s c o p cd i r e c t l y an e wt y p eo fs i l i c a b a s e ds i 0 2 w a v e g u i d ep a s s i v er i n gr e s o n a t o ri sr e p o r t e di nt h i sp a p e r p a s s i v er i n g r e s o n a t o r s c o m p o s e do fg e 0 2 一d o p e d s i l i c aw a v e g u i d e sf a b r i c a t e do n s i l i c o ns u b s t r a t e sb yf l a m eh y d r o l y s i sd e p o s i t i o nm e t h o da r ed e s c r i b e d h a v ea c c o m p l i s h e dt h es i m u l a t i o na n dd e s i g no fw a v e g u i d e , d i r e c t i o n a l c o u p l e r , b a n dw a v e g u i d ea n dp a s s i v er i n gr e s o n a t o rb yo p t i c a ld e s i g nt o o l s h a v es t u d i e dt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro fr i n gr e s o n a t o r - f i n e s t h e o r e t i c s i n c et h ef i n e s s ea n dt r a n s m i s s i o na tr e s o n a n c ei sd e t e r r a i n c dm a i n l yb y t o t 越i o s si nt h er i n g , t h el o s sc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u n d a m e n t a ic o m p o n e n t s a l e i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l a c c o r d i n g t h ec u r r e n ta d v a n c e d o p t i c a l m a n u f a c t u r i n gm e t h o d ，t h es c h e m e so ft h ef a b r i c a t i o na n dm a n u f a c t u r eh a s b e e np r e s e n t e d k e yw o r d s ：p a s s i v er i n gr e s o n a t o r f i n e s s e i n t e g r a t e do p t i c a l c i r c u i t s 1 0 2 w a v e g u i d e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，硅基二氧化硅光波导无源 环行谐振器研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者签名：辱趣掣年查月鲨口 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博：仁学 位论文版权使用规定”，同意长春理一 ：大学保留并向国家有关部门或机构 送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长 春理j f 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 名：啦衅当蓟 特翮签名烨习年掣撕 1 1 引言 第一章绪论 世界上第一个微波传输环形谐振器是由e t r o u g h t o n 在1 9 6 9 年设计 制造的，最初它是用来测定相速度和观察微波的色散特性“1 。在环形谐 振器发展的最初1 0 年里，它的主要应用还是集中在观察不连续微波的特 性。那时随着人们对光场的不断认识和分析，已经给出了环形谐振器的 精确模型以及预言了环形谐振器的用途。在2 0 世纪8 0 年代，环形谐振器 出现在了天线和频率选择表面领域中，也相继报道了利用环形谐振器制 造的滤波器、振荡器、混频器和耦合器。人们已经看到了利用环形谐振 器制造器件的特有性质和优异表现。集成环形谐振器的器件可以轻松实 现电流谐振、开关、放大和对光电子的控制等功能。 近来，基于低损耗硅波导的集成光学器件已经被人们深入广泛的研 究。相对于块料光学和光纤光学器件，集成光学器件有体积小和可大批 量生产的先进特性。由于这些光学器件，光波导环形谐振腔能够构成其 他一些集成光学器件的重要组成部件，如环形激光器、光滤波器、波分 复用解复用器和频谱分析仪等“。不同种类的玻璃波导和光聚合物p m m a 波导已经被用来制作环形谐振器。 环形谐振器的一个重要应用就是在微型光波导陀螺中。光波导谐振 腔是微型光波导陀螺的核心器件。要求采用较大的基片。同时要求制作 单模波导，线宽仅几个微米，粗糙度应在l o o n m 以下。同时由于计算机控 制的x y 扫描产生的波导边界不连续性几乎可以与波长相比拟，这将造成 光散射损耗。因此，对掩模板制作、图形写入、蚀刻以及相关加工工艺 提出了很高的要求。 目前，国际上多个研究机构对不同材料上的无源环形波导谐振腔进 行了研究。公开报告表明在有机聚合物、玻璃、铌酸锂和硅基片上的环 形波导谐振腔已研制成功，其中有代表性的研究结果，如表卜l o 】。 国内在光学陀螺的研制从八十年代中期开始主要集中在光纤陀螺领 域，7 九十年代初有光纤陀螺芯片问世。信息产业部第四十四研究所i 北 京航天航空大学、浙江大学、上海交通大学、航天部第十三研究所等都 进行了相关研究。信息产业部第四十四研究所在9 0 年代末研制成功实用 化的用于光纤陀螺的1 3 i m 的l i n b 如集成组件，打破了国外禁运；光纤 陀螺整机系统国内实验室鉴定水平为o 8 0 。在光波导陀螺领域，国内 只有清华大学进行了方案研究，但未见其详机报道瑚。 表卜1 不同材料上的无源环形波导谐振腔指标比较 制造单位基片制造技术波导损耗精细度 ( d b c m ) 俄国基辅工玻璃离子交换 4 学院 美加州大学玻璃离子交换 4 英哥拉斯哥玻璃银离子交换0 8 - 3 57 - 2 9 5 大学 n t t 基础研究硅甲基丙稀酸脂聚合物o 1 1 4 8 实验室合成 硅火焰水解沉积0 0 4l l o 1 2 环形谐振器种类 环形谐振器的谐振腔有几种不同的制作结构，包括三角形 ( t r i a n g u l a r s h a p e ) 谐振腔、正方形( s q u a r e s h a p e ) 谐振腔、圆环 形( c i r c u l a r ) 谐振腔、操场形( r a c e t r a c k ) 谐振腔和药片形( p i l l b o x ) 谐振腔。 深刻蚀 图1 1 具有三角形谐振腔的环形谐振器 具有三角形谐振腔( 图1 i ) 和正方形谐振腔( 图1 2 ) 的环形腔的 2 缅 无源环形谐振器，因为没有弯曲波导的部分，所以没有弯曲损耗，但是 它必须制作高质量的反射面来改变光的传播路线已形成光回路，每个反 射面大约有1 3 的反射损耗，而且在制作过程上是相当困难得，而其不 易在单片集成电路中与其它器件集成。 方向耦合器 深 图1 2 具有正方形谐振腔的环形谐振器 具有圆环形谐振腔( 图1 3 ) 的环形谐振器在y 型耦合器的制作上 不易且有较高的损耗。它和具有跑道形谐振腔( 图1 4 ) 的环形谐振器、 药片形环形( 图1 5 ) 谐振器都有弯曲波导，都具有弯曲损耗。但在一般 的制作过程中药片式谐振腔损耗最小。而本文也以圆环形谐振腔和药片 式谐振腔为主要设计。 图1 3具有圆环形谐振腔的环形谐振器 图t 4具有跑道形谐振腔的环形谐振器 y 型耦合器 图1 5 具有药片形谐振腔的环形谐振器 1 3 论文研究的目的和内容 环形谐振器的光学结构、尺寸参数、材科、工艺等是整个光学系统 设计和加工的关键脚。本文提出一种通过检测光在光波导环形腔中单方 向传输时因旋转而引起的变化的新型集成光波导陀螺结构，可以方便地 检测出系统旋转角速率与方向。并设计了具体实现结构。 本文所做的工作有： 1 在前人对光学谐振腔特性所进行的分析基础上讨论了当系统旋转 时单方向光在光学谐振腔中的传输情况； 2 以此为基础，提出了一种可以方便地检测出系统旋转角速率与方 向的新型集成光波导陀螺结构： 3 完成对g e 参杂s i 0 2 单模光波导的设计和优化； 4 根据论文具体情况完成了定向耦合器和弯曲波导的设计； 4 5 完成光波导无源环形谐振器的初期理论设计； 6 根据现有的光学工艺技术，提出加工和制造的初步方案。 第二章理论分析 图2 1 所显示的是光学谐振腔结构示意图”，c 为定向耦合器，p ( i = l ，2 ，3 ，4 ) 为定向耦合器的端口，e ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 为通过各端口只的 光场幅值。从端口a 有一个输入，将被耦合进端口p 4 。在端口p 2 的一部 分光将被耦合进端口见，另一部分来自端口p 2 的光将被耦合进端口p 4 ， 从而形成光的闭合回路。在稳定状态下，从p t 一见和p ：一p 4 光将会达到 7寸=、”v c f _ = 二= = t 7 7 、 p lp ， (1 2 1 谐振条件 为了能够清楚认识谐振现象，我们首先通过对环形谐振器物理模型 ( 见图z - i ) 的讨论来推导出谐振条件。当系统能够建立理想谐振状态 时，7 假设有一束光从端口a 射入，那么大部分光波的能量将在闭合回路 中传播。在最佳谐振条件下，在端口p 3 的输出光强应该等于零。有一小 部分光的的能量从端口a 不断地被耦合进闭合回路，来维持系统的谐振。 当闭合回路处于谐振状态时，定向耦合器的影响等于就是输入光强的总 6 的插入损耗。因此，在系统谐振状态下，我门可以等效于相对简单的谐 振器模型，如图2 2 巨举& 耦合器插入损耗 、 图2 2 等效的理想谐振模型 首先，我们应该分析系统谐振时振幅的理想状态。当光波在闭合回 路中完成一次完整的循环到达端口p 4 时，假设此时系统处于稳定的谐振 状态，它的振幅应该等于它的初始值。在端口p 2 电场的复振幅可以写为 e 2 = p “日 ( 2 1 ) 式中e 为在端口p 4 的电场振幅： 口为单位长波导损耗；三为谐振腔长 度。光波从端口见传播到端口p 4 的电场强度可以表达为 蜀= ( 1 一) 啦易- - ( 1 一) 1 2 e 一4 饿 ( 2 2 ) 式中为耦合器插入损耗。如果系统处于稳定的谐振状态，那么光在闭 合回路中传播一周的能量损失为通过定向耦合器的输入能量 i e 4 1 2 一吲= f 丝j 2 ( 2 3 ) 其中i e 1 2 为从耦合其输入的平均光能。假设耦合器使用和光波导相同的 材料制成的，根据定向耦合器的互易性，输入能量j e j 2 应该等于由端口 a 耦合进端口p 4 的的能量，而在端口见没有输入。另外，根据光强耦合 系数的定义，有 7 我们可得 七珂j 虬 舡1 2 = k , l e , 1 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中丘为在谐振条件下的光强耦合系数。将( 2 2 ) 式和( 2 5 ) 式代x ( 2 3 ) 式， 我们就可得到谐振的幅值条件 t = 1 - o - y o ) e 2 以 ( 2 6 ) 此外，我们可以很容易得到谐振的相角条件。当光波在环形谐振腔 内完成完整一周的传播后，它的相位应该和初始时相同。我们可以把相 角条件表示为 肚= p 2 z r ( p = 1 2 ) ( 2 1 7 ) 式中为光传播常数，p 为整数。所以，改变环形腔的长度三，谐振器 可以在不同的频率下谐振， 当谐振的幅值条件和相角条件被同时满足时，在环形谐振腔内就会 建立起稳定最佳的谐振。 2 2 谐振腔特性分析 2 2 1 谐振条件 首先，我们假设定向耦合器是一个理想器件，即光强插入损耗屁和 耦合系数无关；这是可以接受的，因为我们只需要耦合系数在区间上有 很小的变化。其次，激光源的相干波长要远大于环形谐振器的腔长。 光强的插入损耗通常被定义为( 参见图2 1 ) 1 - g o = ( i 岛1 2 + i e l 2 ) ( | 最1 2 + i 最1 2 ) ( 2 8 ) 式中互( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 为电场的复振幅，分别对应端口只( i = l ，2 ，3 ，4 ) 。由模 耦合理论，从定向耦合器输出的电场复振幅可以表达为0 1 8 e = ( 1 一蚝) “2 ( 1 一七) l ，2 互+ 业“2 墨】 ( 2 9 ) e = ( 1 - t o ) “2 l 肪“2 置+ d - k ) “2 岛】 ( 2 1 0 ) 式中j i 为光强耦合系数。当光波在端口n 绕环形一周，它在端口见的 电场强度应该为 易= e - “p 皿巨 ( 2 1 1 ) 假设存在式中的时间变化指数项e j p l ，但此项可以从等式中消掉。对于 弱光波导，光传播常数p 可以近似地表示为 p 。竺 ( 2 1 2 ) c 式中为光波导的折射率，国为光波的角频率，c 为光在真空中的传播 速度。 现在，我们开始通过推导来碍到谐振状态下的表达式以及传输率和 输出输入光强的比率，旧岛1 2 和i 臣五f 。从式( 2 9 ) 一( 2 1 1 ) ，可以得 到 马e | = ( t - ，2 ( 1 越严( 1 _ 南 ( 2 1 3 ) 方便起见，我们令 a = ( 1 一( 1 一a o ) ( 1 一r o e 则光强的输出率为 l e v e , 1 2 = ( 1 - y o ) 1 一篙糍】 从式( 2 ，1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可得 = 豁1 一 c 所以光强的侍输静率为 9 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 ：1 6 ) i 且置i 2 = 雨函( 1 - 丽r o ) k ( 2 1 7 ) 在理想谐振状态下，在端口见的输出能量应该为零。所以通过等式 ( 2 1 3 ) 可得 1 - k a v 2 e o s f l l 一”2s i n f l l = o ( 2 1 8 ) 当式( 2 1 8 ) 的虚部等于零时，我们有s i n 工= o 或者e o s f l l = 1 。因为参量k 和 都是小于l 的正数，所以只有当c o s p 工= 1 时可以使实部满足( 2 - 1 8 )零以 相角条件可以表示为 f l l = p 2 ，r ( p = l ，2 3 ) ( 2 1 9 ) 所以我们能够得到理想的谐振幅值条件 髓= 1 _ ( 1 - y o ) e 。2 “ ( 2 2 0 ) 通过对式( 2 1 9 ) ，( 2 2 0 ) 和式( 2 7 ) ，( 2 6 ) 作比较，我们可以看到由 等效理想谐振模型和模耦合理论所得到的谐振条件是相同的。 2 2 2 输出光强和光路中的传输光强 当谐振的幅值条件( 式2 2 0 ) 被满足时，由式( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) 可以得 到输出和回路中的光强比率 l e e , 1 2 ；丽2 ( 1 - 忑7 0 ) ( 两1 - k , 面) ( 1 - 丽c o s p 硒l ) ( 2 2 1 ) i e 4 e l f = 而i 两o - r 瓦0 ) k , 再面 2 2 2 当达到最理想谐振现象时，相角和幅值条件被被同时满足。此时，系统 的输出光强为零，而回路中的传输光强达到最大值，即 l 毛巨1 2 = o ( 2 2 3 ) j 日局乙= 掣 ( 2 2 a ) 输出和回路中的传输光强随相位三的曲线变化如图2 3 所示。 厂 1 、 厂 ( a ) ( b ) 图2 3 ( a ) 谐振器输出光强比率和( b ) 回路传输光强比率随 相位卢工的变化曲线。其中耦合器插入损耗为o 1 ；波导 损耗为0 3d b k m 图2 4 所显示的是耦合器插入损耗对环形谐振器输出和回路传输光 强的影响，可见插入损耗可以影响曲线的尖锐程度和在谐振腔内光强的 最大值。 ( a ) 图2 4 谐振腔输出光强和输入光强与s l 的关系 = 0 0 1 ，0 0 2 ，0 1 ；波导损耗为0 3d b k m 关于环形腔的波导衰减，如果耦合器的插入损耗相对较大，那么这种 衰减对谐振特性的影响可以忽略不计，如图2 5 所示。 1 2 ( a ) ( b ) 图2 5 谐振条件先输出光强和谐振腔内光强随谐振腔长度变化函数曲线 口= 0 5 ，2 5 d b k m ( a ) 输出光强， 环形腔内光强 三= 3 m ，a o = o 0 4 d b ，= o 1 图2 6 可以由式( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) 。它说明输入和输出光强都和定 向耦合器的耦合系数有关。当耦合系数七不等于最佳值t 时，在端口 见的输出光强将不等于零。如果k 小于t ，曲线变得尖锐；相反地， 如果七大于t ，那么曲线变得平滑。 图2 6 谐振条件先输出光强和谐振腔内光强随谐振腔长度变化函数曲线 k = 0 0 0 5 ，o 1 5 4 ，0 0 3 ( a ) 输出光强，( b ) 环形腔内光强 三= 3 m ，口= l d b l o n ，a o = o 0 6 d b ，= 0 1 2 2 3 谐振的相位变化 在端口p 2 ，见和见趋近谐振的相位变化可以由式( 2 1 1 ) ，( 2 1 3 ) 和( 2 1 6 ) 得到，令七= t ，相应的相位为 1 4 伽争肚1 ( 1 - k ，_ ) s i n f l , l i 汜z s ， 小一耐1 ( 2 训k ，s ( i 。n 圳# l 爿 小号叫端 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 式中谚，( f - 2 ，3 ，4 ) 定义为e 巨= l 巨置f e x p ( 崩。) 。它们相应的相位曲 线如图7 ( a ) ，7 ( b ) 和7 ( c ) 所示。三个端口所对应的相位在接近谐振 时会有较大的变化，而且在两个相邻谐振条件之间保持不变。特别地， 在谐振条件下，输出端的相位和输入端相同。 2 2 4 环形谐振器的清晰度 清晰度是环形谐振器的一个重要参数翩，它表示结构干涉光模态的 有效个数，主要取决于光路损耗。1 。清晰度被定义为谐振峰值频率间隔 厶+ 一乃和半值宽度a f , ，：之比： f ：五! ! 二五( 2 2 8 ) 8 f , ，2 即当三= 2 k x - i - 6 f ，2 2 时，可求出半值宽度嘲 ( 2 2 9 ) 把c o s 枷z 2 2 ) _ 1 2 蛾2 胁鱼誓马 ( 2 3 。) 代入( 2 1 9 ) 式，可得 。 筝 云 一一一 = 一 一 ：瓦 愠 一” 叭 | 圭 眠：2 i 2 币cs i n 1 吃石万】 由于谐振峰值频率间隔是等间隔的，所以有 + t _ 2 嘉 所以，由式( 2 1 8 ) ，( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 可得清断度表达式 乃丽2 2 s i n 。【磊1 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 由十足同祸合器糸数比较小，式( 2 3 3 ) 司以近似地表达为 f 。互 ( 2 3 4 ) t 当i ，夕一 、 图2 8 定向耦合器简图 由式( 2 3 7 ) ，( 2 3 9 ) 可得 小去( 卅( 珊冲剀汜a 。， 1 8 ( b ) 图2 9 定向耦合器光强耦合系数随耦合器几何参数变化曲线 式中形可以近似取形1 1 4 2 8 v 一0 9 9 6 0 ；当1 5 v 2 5 时n 3 1 ，相应的 误差不到0 1 。由式( 2 3 6 ) 和( 2 4 0 ) ，我们可以分析得到光强耦合系 数作为耦合器几何结构和光波频率的函数曲线，如图2 9 。 2 3 环形谐振器损耗来源 由一个环形腔和两个定向耦合器所构成的环形谐振器结构如图 2 1 0 所示。在这里我们分别定义p 。和p z 为输入和输出端口。在系统谐 振时传输能量最大，此时光波频率为= 肌即( 2 n r r ) ，在系统反谐振肘， 厂= ( m + o 5 ) c 加( 2 石，r ) ，其中所为整数，栉为光波导折射率，c 为光在 真空的传播速度，为谐振腔半径。环形谐振器的特性可以由自由频谱 闻距f s r ，清晰度f 和谐振时的透射率毛来描述“。对应于系统串扰和 衰减的谐振时透射率和反谐振时透射率的比值一砭，乙。，对于衡量系 统的性能很有价值，这是因为它和清晰度有密切的联系。对于半径为h 的环形谐振腔，由式( 2 3 2 ) 可改写为 艘2 高 波导 ! l 上 、 、 ( 2 4 1 ) 定向耦合器 图2 1 0 环形腔和两个定向耦合器所构成的环形谐振器结构图 跏。( 等) 玉：f 坠1 2 乙。l l r r - - e t ( 1 - k ) 所以( 2 3 3 ) 式可以改写为 肛商2 s i n 葫 “l 二_ ；l ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) 式中t ，为振幅衰减系数，l 为光透过定向耦合器时振幅的衰减系数， 七为定向耦合器的光强耦合系数，我们假定两个定向耦合器拥有相同 的耦合系数。从上面的等式中我们可以看出，f s r 只由决定。通过 硅基平板光波导光路技术( s i l i c a - b a s e dp l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t t e c h n o l o g y ，p l c ) 对半径的精确控制，可以使我们通过设计得到 卜6 5 g h z 的f s r c l ”。 通过以上讨论，我们可以看到f 和妄篷_ 都是r 的函数，也就是 a m m e a t ，和七的函数。由于后可以通过硅基p l c 技术加以控制，这就意味着 环形谐振器的性能很大程度上取决于波导的损耗。换句话说，通过f 个 和；虬的实验数据，我们可以推算出t ，和七。 “r 口 由于通过硅基p l c 技术制作的硅基光波导的损耗要要远大于硅制光 纤，所以有必要详细地讨论硅基s i 0 2 光波导环形谐振器的总损耗。可以 假设总损耗是由传输损耗、弯曲波导损耗和定向耦合器损耗所组成。所 以，对与如图2 1 0 的系统来说，每次循环的总振幅衰减系数y ，可以表 示为 t ，= y ，+ l + 2 t j ( 2 4 6 ) 其中 t ，= 一u p ( d r r ) ( 2 4 7 ) t 。= 一口。( 2 舯) ( 2 4 8 ) 式中吒是直波导振幅衰减系数，是由于弯曲波导所引起振幅衰减的 系数。综上，损耗r ，( i = f ，p ，c ，d ) 的数学表达式为 f ，= ( 2 0 l o g l oe ) v d b c i r c u i t f d - - ( 2 0 l o g l o p ) ld b p o r t 所以通过研究损耗因素，可以提高环形谐振器的性能。 2 1 ( 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) 第三章新型硅基二氧化硅光波导无源环形谐振器设计 与分析 3 1 工作原理 如图3 1 所示，多种混合波长的光波五( n = 1 , 2 ，3 ，) 从端口互输 入，其中的一部分光将被耦合器1 耦合进环形腔。在环形腔内传输的一 部分光将被耦合器2 耦合进直波导，然后经端口乏输出。 瓦h ， t e n 1 2 t m i ， 圈3 1 环形谐振器衙幽 如果波长为五的光满足谐振条件，即 上= 嗽 ( 3 - 1 ) 式币，镑为整个弯曲波导的等效折射率，上为环形谐振腔的腔长，m 为整 数。则被耦合的波长为丑的光将会增强，而其它光被抑制掉。所以，只 有波长为五的光才会从端口五输出，而其它波长的光将会通过波导从端 口输出。 3 2 误差来源及相应对策 ， 3 2 1 光源 上文分析可知，谐振腔精细度对系统性能的影响很大。由于谐振腔 的最大半宽魄完全由谐振腔的损耗所决定，因而通过计算机优化设计 谐振腔参数，以及在加工谐振腔时尽量减小藕合器的插入损耗和接头损 耗可以获得高精细度的谐振腔。但是激光器的线宽会强烈影响谐振腔谐 振峰的线宽，进而影响到谐振腔的精细度。谐振腔精细度f 与激光器线 宽的关系“6 1 为： f ，： 堕 ( 3 2 ) 砌+ 。 式中f 为考虑激光器实际线宽时的精细度；，7 与激光器线宽j 凡的关系 如图3 2 所示。 u _ _ l t t b 矗- 图3 2f 7 与激光器线宽占 ，的关系 ，2 可见，在腔长约l o m ，激光器线宽大于3 0 0k h z 时，谐振腔会严重 恶化，从而大大降低系统分辨率“。在选用窄线宽光源一一相干光源的 同时还要严格控制激光器的温度，防止因温度漂移而引起光功率脉动。 3 2 2 探测器噪声 在探测微弱信号时，限制光探测器探测能力的因素主要是光探测器 的噪声。当无入射光时，输出端仍有电信号输出，这就是噪声的影响。 对于p i n 光电探测器，通常工作在散粒噪声极限区域，当光信号正好等 于热噪声信号时，设最小可探测功率电平要求入射光功率只为1 “，根 据本文的设计要求，入射光功率只至少要为0 1 。雪崩式光电二极管 k嚣差芷 ( a p d ) 可达到这一要求，但a p d 多数是用硅材料制成的，温度影响大， 且这种器件要求跨过耗尽区的电位差要大。 p i n - f e t 微型组件是一个小面积、低电容光电二极管与一个高输入 阻抗f e t 前置放大器组合在一起的微型组件。其中所有引线长度和杂散 电容相应降至最小。由于电容小，输入阻抗高，因而可以使热噪声效应 降至最小。且供电电压低，在一定温度范围内和电偏压条件下较稳定。 在与a p d 的只相同对能得到可比拟的信噪比，因此可选用p i n f e t 微 型组件。 3 2 3 背向散射 光在各光学界面上产生的背向散射与反射光相位、偏振态随机分 布，与信号光迭加展宽，产生干扰，使精度下降。为减少背向散射的 影响，应尽可能减少反射面，即减少插入的光学元件的个数。 3 2 4 偏振噪声 光学谐振腔工作的单模状态中存在着两个正交本征线偏振态( e s o p ， e i g e n s t a t e so fp o l a r i z a t i o n ) ，在理想情况下，两偏振态间没有耦合， 依循同光路传播。而在实际中，有随机分布的小的双折射、内应力以 及材料的缺陷存在，这一切都可能造成两个偏振态间存在相互耦合，由 于这些随机性的偏振态波动，将导致谐振偏振态不稳定，其间隔随机波 动，如图3 3 所示。 塑册 囊 囊 羹鬻意 图3 3 因偏振态的波动而引起的波导 中两谐振频率同隔的波动情况 如果所用材料有双折射性质，则由于不同偏振态的折射率不同，会 使光程产生三的变化，严重影响系统测量结果。因此，偏振噪声是影响 系统性能的主要原因。 3 2 5 磁噪声( 法拉第效应) 在地球磁场的作用下，线偏振光的偏振面发生旋转，若谐振腔由 理想圆柱波导形成，法拉第效应在光行走一周后抵消。当谐振腔中存 在非对称点如随机分布的小的双折射使光产生延时，相当于因入光程 变化，迭加在偏振噪声中，影响测量结果。可以通过偏振不敏感 材料或单偏振工作材料制作光波导，或者把系统放在磁场屏蔽盒中来 消除法拉第效应。 3 2 6 温度噪声 当温度产生变化时，谐振腔的长度和折射率都随之变化。变化的结 果等效为腔长的变化，此为该系统主要的测量误差来源。可以采用严格 的温控措施和相应的信号检测手段来消除。例如通过严格的温控使得温 度在一个很小的范围内缓慢的变化，缓慢的程度使得由温漂产生的等效 谐振腔长变化率小于系统以能够检测的最小角速率旋转时所引起的谐振 腔长变化率时，则由温漂引起的误差在检测段可以当作直流滤掉。 3 3 波导材料 迄今为止，世界上已有多个国家的研究机构对不同材料上的无源环 形波导谐振腔进行了研究，公开报告表明，在有机聚合物、玻璃、铌酸 锂和硅基片上的环形波导谐振腔都己研制成功，其中具有代表性的研究 结果如表3 - 1 ”1 所示。 从表3 1 可以看出，在硅材料上制作的环形波导谐振腔已达到很高 的水平，其波导谐振腔的清晰度较其它材料的波导有较大幅度的提高， 是种具有良好前景的微型光波导陀螺仪材料。 为了选择波导的基片材料，我们对玻璃、铌酸锂和半导体材料 ( 硅) 三种集成光学材料的性能进行了比较。其结果见表3 一l 。 1 玻璃 玻璃基材料是集成光学最早采用的材料之一。制作工艺成熟，成 本较低，面积可以比较大，且偏振无关。虽然波导损耗相对光学陀螺 用谐振腔而言比较大“”，但选用e r y b 共掺杂酸盐玻璃采用k + 离子 交换工艺制作可以做成有增益的谐振腔，同样可以获得精细度很高的 谐振腔。在谐振腔腔长调节方面可以利用玻璃的热光效应“，采用热 光调制的方式进行调节。但本文提出的光学陀螺方案对谐振腔腔长调 节的精细度要求很高，e r y b 共掺杂磷酸盐玻璃光波导热光调制性能 需要进一步研究。 表3 - 1 玻璃、铌酸锂和半导体材料( 硅) 三种集成光学材料的性能比较 类别玻璃铌酸锂半导体 要求、 技术 简单中等 复杂 损耗很低低 中等 集成度低低 中等 光电效应很低高 高 光放大作用 无低高 非线性效应很低高 ， 可获得性 很好中等较差 l i n b o ：晶体材料已经得到广泛深入的研究并已得到大量的实际应 用，它最大的优点是具有较大的电光系数( 一= 3 2 8 x 1 0 。2 m v ) ，非常 适于采用横向电光调制的方式进行谐振腔腔长控制。采用质子交换法制 作的l i n b o 。光波导具有很好的单偏振模工作特性。但其波导损耗较大， 虽然可以利用稀土掺杂的l i n b 0 3 波导放大器。”来补偿波导损耗，进而获 得高精细度的光学谐振腔，但这无疑复杂化了制作工艺增加了成本。而 且，利用l i n b o 。材料也无法达到我们的体积小，重量轻小型化环形谐振 器的要求。 3 硅 硅在自然界中大量存在，价格较低，并具有许多优越的性能： ( 1 ) 通过火焰水解淀积( f h d ) 形成的s i 衬底不仅具有可制性，而且还具 有重复性等优点。以s i o 。基平面波导回路( p l c ) 为骨干的混合集成 光学器件己进入使用阶段伫1 1 ，这是s i 基材料的主要优势之一。 ( 2 ) 用火焰水解淀积法得到的单模低波导，传播损耗低达 0 0 5 d b c m “，甚至0 o l d b c m 。低波粤单模波导的芯尺寸通常 是8 1 m x 8 z m ，折射率差0 3 ，与s i o 。单模光纤兼容。 ( 3 ) 偏振保持性也是s i o 。波导的特性之一，它是由于s i o ：波导和s i 衬底 之间的热膨胀系数差引起的，热膨胀系数差引起应力感生双折射， 其值可达1 0 。量级。通过沿波导形成应力释放沟，可以控制双折 射通过淀积在s i o ：波导上的薄膜加热器，引起热光效应( 热一光 系数为l o 。5 k ) 渊可用来进行谐振腔腔长控制。 ( 4 ) 硅基片光波导对1 2 1 6 l m 光通讯波长段内的光波具有良好的 透光性，并易于实现光路和电路的全集成。它的另一突出特点是 折射率较高，为3 5 ，而用s i 氧化而成s i o ：的折射率约为1 5 ，于 是可在硅基片上制作s i 魄薄膜，由于s i 与s i o , 折射率之差较大， 因此可以得到高性能的光波导，并且能够大幅度减小环形谐振腔 的曲率半径，从而缩小谐振器的尺寸。 通过上文比较，所得硅的诸多特性以及为了达到集成化、微型化的 目的，结合所在实验室具体条件，我们选用s i o z 材料。 3 4 无源环形谐振器的设计 3 4 1 整体设计 圆形波导谐振腔，由于其平行耦合器段的波导形状比较复杂，制 造难度比较大，因此可以才去如图3 4 所示的“跑道式”谐振结构方 案。在波导平行耦合段采用直线型设计，可以避免圆弧形耦合 耦合器 一，匕= = = = = 二= = 丁、 谐振腔 j 、 二j 三三三# 耦合器 图3 4 环形波导谐振腔示意图 器制造的复杂性，从而减& n - r 的难度。同时，采用直线型耦合器， 可以比较精确，并且方便地在加工过程中控制耦合系数。理论分析 表明，对于波导直线耦合段的长度和波导间距要根据材料光源功率及 所要要求的耦合系数进行优化设计。一方面要保证有足够的能量耦合 进入谐振腔，维持谐振的进行，并在探测器端得到良好的信噪比；另 一方面，要防止耦合系数过大，一面降低谐振腔的清晰度。 清晰度只自由频谱间距( f s r ) 和谐振时的透射率瓦，是描述无 源环形谐振器性能的最主要三项性能参数，而提高清晰度是提高无源 环形谐振器性能所要解决的首要问题。 1 清晰度 从式( 2 4 4 ) 和( 2 4 5 ) 可以看出，清晰度f 主要取决于内部损耗和谐 振器的耦合性。损耗越高。谐振器清晰度就越低。我们总是得益于减少 内部和外部损耗来获得高的清晰度。然而，由耦合所引起的外部损耗是 不可避免而且不可能太小，这是因为环形谐振器运行时就像一个光滤波 器。如果外部损耗小于内部损耗，所有被耦合进谐振腔的能亮将会被消 耗掉，也就是没有能量被耦合出谐振腔。由于这些条件限制，就必须用 导波性很强的波导来制作环形谐振器，来减小由于半径很小的弯曲部分 所引起的弯曲损耗。 2 自由频谱间距( f s r ) 自由频谱间距( f s r ) 是环形谐振器的另- 个重要性能参数。由式 ( 2 3 2 ) 可得 f s r ；互。：笠 ( 3 3 ) ；土。一一笠， ( 3 3 ) ( 2 柏+ 2 z o ) 式中尺为谐振器弯曲圆弧部分半径，l 为耦含段长度。因为频谱间距 ( f s r ) 和环形谐振器的尺寸成反比例，所以必须要缩小环的尺寸来提高 高谱间距( f s r ) 。 如果除了光谱宽度要求窄( l 删z ) 的激光器外，输出功率要达到1 5 m w 以上，要求谐振腔精细度f 能达到5 0 8 0 ，相应的谐振腔面积要求达 到4 5 m 2 的水平。 3 4 2 二氧化硅光波导材料 通过前面的讨论可知，环形谐振腔的性能很大程度上取决于振幅衰 减系数t ，和定向耦合器的耦合系数。为了减小由于弯曲波导所引起的 衰减，就要选择合适的波导层和包层、衬底( 图3 5 ) 折射率相差百分比 嘲1 力：一栉! 扣昔 ( 3 4 ) 当波导的半径比较小时，应当选取较大的，但是随着的增大，波 导的损耗也随之增大，这是由于光的散射。另外，还需要有精确的方向 耦合器制作方法，来获得我们所期望的性能。 图3 5 光波导的基本结构 如图3 5 我们选择衬底和包层材料为s i o ：，波导层用选用掺杂g e 0 2 的硅波导。为了提高和控制波导层的折射率，我们可以通过往波导层中 掺杂g e 来实现。掺g e 的s i 0 2 ( g e 0 2 - s i 0 2 ) 主要被用作s i 基s i 0 2 波导器 件的芯层材料。g e 0 2 的折射率比s i 0 2 的折射率要高，因此掺g e 能显著 提高s i 0 2 的折射率。并且g e 的含量越高，g e 0 2 - s i 0 2 的折射率也越高， 可以选择和控制波导层的折射率。 通过实验和理论计算，当入射光波长为1 5 5 p r o 时，我们应当选 取为0 7 5 ，此时g e 0 2 一s i0 2 波导的传输损耗为0 o l d b c m ”。由图 3 6 可知在温度为2 5 ，入射光波长为1 5 5 t m 时，s i0 2 的折射率为 1 4 5 0 2 9 2 。 ( a ) 图3 6 随温度和入射光波长变化的s i o z 折射率 图3 76 e o , - s i 0 2 随入射光波长变化的折射率变化 当为0 7 5 ，s i o ：衬底和包层折射率为1 4 5 0 2 9 2 时，由3 4 式， 可得g e 0 2 - s i 0 2 光波导的折射率为1 4 6 1 2 9 3 。图3 7 所表示的是在入射光 波长在1 5 1 6 , a m 范围内变化，温度为2 5 c 时，g e o z - s i o z 波导折射率的 变化情况。由图可得，当波长为1 5 5 z m ，折射率约为1 4 5 0 2 9 2 时， g e o ：- s i 0 2 光波导中g e o ：的含量约为8 7 5 。 综上所述，值为o 7 5 低损耗掺杂g e o ：光波导的传播损耗可以达 到( 0 1 - 4 - 0 1 ) d b c m 。所以，g e o ：一s i o 。光波导可以应用在大规模，低损耗 的集成光路中，如环形谐振腔、光滤波器、波分复用解复用器和频谱分 析仪等。 3 4 3 二氧化硅光波导结构设计 硅基光波导器件可以用火焰水解法( f h d ) 和反应性离子刻蚀( r i e ) 技术来加工制作。整个制作过程如图3 8 所示。首先，利用火焰水解 法和固化过程制作的芯层为掺g e o ：、衬底为s i o ：的硅基光波导如图 3 8 ( a ) 所示，在此过程中要小心g e o ：的挥发，同时可以在波导层和 衬底加少量的p ：q 。和b 。0 。来降低固化温度；第二步，利用反应性离子 刻蚀法在芯层制作出脊形波导3 8 ( b ) ；最后，用火焰水解法制作包 层，来掩埋第二步制作的脊形波导3 8 ( c ) 。 $ 1 0 2 衬底 ， r 一一1 蓁 ，。 s i 簇底 ”。 囊 蒸。 一 ， 一。 + i? 。，黼 ( a ) r _ 1 爹 ” 囊 瑟 ； 。溪黪 ； 。铡 l # 瓣漱；髓黼。赫蕊蕊溉艚髓蕊捌& 毹勰巍霸缸镕趟穗黼蹴摭菇溅瀚 ( b ) r 厂 羁燃鬻跫删啊瞬躜鬻 镬 鍪鍪女二蕊。蠡。盎$ 鼢溅鑫虢盎。菇械羹蘸赫鑫磊鑫；菇薹 ( c ) 图3 8g e o 。掺杂光波导制作过程 单模三维光波导的设计： 如果采用可以传输若干导模的多模三维波导构成波导型光学器件， 就会在波导内引起模干涉和轻微的扰动，从而产生不良的模变换，使得 器件性能劣化。所以，大部分波导型器件只采用仅能够传输磁模和磁模 这样基本模的单模三维光波导来构成皿钉。 当采用火焰水解法和反应性离子刻蚀法制作的波导部分与衬之间的 折射率差血远远小于村底折射率，1 以及波导深度等于宽度时，我们可以 得到 o - 4 5 f 鲁1 沥n 6 0 ( 3 5 ) 几 式中h 为波导深度，五为入射光的波长。经过上面的分析讨论，当s i 0 2 衬底折射率为1 4 5 0 2 9 2 ，g e 0 2 一s i 晚波导层折射率为1 4 6 1 2 9 3 时，抽 等于0 0 1 1 0 0 1 。所以五= 1 5 5 t m 时，有2 2 9 i n h s 5 7 # m 。考虑光 波导的制作工艺，采用脊型波导为5 7 x 5 7 , u m 2 ，衬底厚度为1 5 , u r n ， 包层的厚度为2 0 z m ，如图3 9 和3 1 0 所示。 。lf? i7 1 ，。 ：。l 。 s i 0 2 衬底 0 图3 9 二氧化硅光波导设计草图 导 图3 1 0 光波导设计图 图3 1 1 光的模场分布 图3 1 1 是当波长九；1 5 5 z m 光输入g e 0 2 - s i o ,