同心微环结构的研究及其仿真

同心微环结构的研究及其仿真 2.1 新式谐振结构的提出 经了解，单环结构，双环结构以及其他形式的串并联结构等为满足在输出光谱图上具有很尖的谐振波峰，因而对直波导与微环结构之间的间隙调整上要求严格，要保证精度，调整过程对工艺要求是不容易的。 根据： (2.1)知谐振波的波峰越尖锐，3dB带宽越窄，则品质因数Q越大，因而其灵敏度越高。 有研究学者提出了一种新式的同心微环谐振结构，其做法是在原本的单直波导微环结构中再添加微环，形成同心微环，增大接触面积。拿同心微环结构分析，当输入光信号耦合至外环但是从外环耦合进入直波导的输出相位与输入光信号相位相差并非时，产生过耦合，这时会影响微环达到临界耦合，但由于内部环形波导的作用，其消耗了一部分的外环能量，主要是以热能的形式放出，使得微环更易形成临界耦合保证了输出谱线谐振波的波峰更尖锐。2.2 工作原理及仿真2.2.1 同心环结构理论研究（微环同宽度）如图所示：图2.1 单直波导同心双环结构令直波导耦合至外环中的电场模式能量为H(t),内外环耦合而形成的内环电场模式能量为F(t)，WH与WF分别为外环与内环的谐振频率，外环到内环耦合系数，直波导与外环的为k，为光子寿命，A1(z)与A2(z)是由于微扰理论将直弯耦合波导的电场近似表示成两个互不相干的场，根据耦合模理论【8】： 有矩阵方程为 （K为波导之间的振幅耦合系数，T为波导间振幅传输系数）所以有 (2.2) (2.3) (2.4)其中为波导传播常数。 解（2.2）（2.3）（2.4）得到输出方程： (2.5)为满足临界耦合使谐振波的峰值最为锐利，内外环的耦合系数必须满足一些条件。先考虑为0时，模式等同于单直波导微环结构，上式化为 (2.6) 满足： (2.7) 1/i为本征损耗所导致的衰落速率，1/e为耦合波导过程中导致的衰落速率。 令Qe为与e对应的品质因子，Qi与i对应，且Q满足 (2.8) 并且有 (2.9)则T(w)化为： (2.10) =0时，当Qe=Qi,满足T(w)=0,达到临界耦合。 当0时，且WH=WF（因在等宽环且两环间隙远小于其半径条件下），要满足T(w)为0的情况，这时有 (2.11)2.2.2 单环与同心环仿真及对比分析 用FDTD算法进行模拟仿真过程，我们采用的是FullWAVE仿真，对于吧外环半径是2.34um，内环半径1.95um，且双环是对称的，故宽度一样，宽为0.22um，环距为0.17um，直环与微环之间的间隙为0.2um，此时仿真可以得到下图的场分布，如下图：图2.2 基于FDTD算法得到的单直波导同心双环结构的场分布当我们去掉内环再仿真一次得下图：图2.3 单环结构下的场分布 可以得出由于同心环内外环之间也发生耦合，使得增大了传输耦合的接触面积，同心环结构的模场分布比单环增加了一倍，对滤波效果有很大的影响，对下文的生物传感方面有很大的影响。将内环的半径依次变为1.90um,1.80um,1.70um便可以得到下面几幅图，图2.4 内环半径是1.90um时的双环场分布图2.5 内环半径1.80um时的场分布图2.6 内环半径1.70um时的场分布对比得出，当内环半径为1.90um时，内外环之间正常发生耦合，只不过通过仿真的动态图可以看出一开始的耦合没有半径是1.95um时仿真那么直接，需要等一会儿才可以耦合至内环并且满足谐振条件的不断加强，整体和半径是1.95um时一致。当半径是1.80um时，在光传输过程中，虽然有一小部分的光会从外环耦合至内环，但由于耦合进去的光太少，且不满足谐振条件，最终发生消失，即内环无场分布。当半径是1.70um时，内外环距离较大，无法发生耦合，也因此得出要使双环满足最大性能，必须调整好内外环之间的距离，也可增大谐振波长。在此继续分析单环和双环的传输谱线，如下图：图2.7 单环与双环的传输频谱由此可以得出双环所得到的谐振波峰更为尖锐，深度更高，在大约波长1567um左右时，最大地方的波峰比单环高出26dB，这是因为双环结构可以完全抑制过耦合发生的情况，使得内环消耗一部分外环能量，使微环更易达到临界耦合而使输出谱线更为尖锐，我们也可以看出双环的3dB带宽明显小于单环，且谐振波峰更深，使得双环下的品质因数很高，也因此具有更高的灵敏度，可适用于下文中的传感应用。2.3 本章小结 在前文对单环各性能分析的基础上，本章对比了单双环的一些特性，从理论的角度分析了双环传输过程中波导间的耦合情况，并得出了双环的