摘 要

微型环谐振器具有良好的调制特性，在光学领域方面具有很大的应用范围。另外，由于其具有与其他光学器件相比更好的波长选择性以及自由频谱范围FSR、不错的可操作行、兼容性，在光电子器件方面得到了良好的应用。基于微环谐振器的功能，在电光调制器方面，微环谐振型电光调制器能够实现不错的调制功能,并且具有诸多优点。本文主要探讨了微环谐振型电光调制器的相关特点及特性，以及作为电光调制器件的作用以及优点。然后探讨了微环谐振型单微环谐振器的分析方法的对比，着重讨论了动态数值分析方法的可行性，并且还以动态数值分析方法以及数值分析方法为基础，对微环谐振器的耦合强度、折射率及传输损耗进行分析。对微环谐振型电光调制器的光传输与光场分布特性进行了理论方面的分析，并对它的光传输特性以及光场分布特性结合软件仿真的效果进行了进一步的分析研究。

关键词：微环谐振器；动态数值分析法；调制分析；仿真

Abstract

Micro ring resonator has good modulation characteristics and wide application in optical field. In addition, due to its better wavelength selectivity, free spectrum range FSR, good operability and compatibility compared with other optical devices, it has been widely used in optoelectronic devices. Based on the function of micro ring resonator, in the aspect of electro-optic modulator, micro ring resonant electro-optic modulator can achieve good modulation function, and has many advantages. This paper mainly discusses the characteristics of micro ring resonant electro-optic modulator, and its function and advantages as an electro-optic modulator. Then it discusses the comparison of the analysis methods of the micro ring resonator, and focuses on the feasibility of the dynamic numerical analysis method. Based on the dynamic numerical analysis method and the numerical analysis method, it also analyzes the coupling strength, refractive index and transmission loss of the micro ring resonator. In this paper, the optical transmission and field distribution characteristics of micro ring resonant electro-optic modulator are analyzed theoretically, and its optical transmission characteristics and field distribution characteristics combined with the effect of software simulation are further studied.

Key Words: micro-ring; resonator; dynamic; numerical; analysis; modulation analysis; simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1微环谐振型电光调制器的研究背景、目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究的基本内容 2

第2章 微环谐振型电光调制器 3

2.1 微环谐振型电光调制器的简介 3

2.2 微环谐振型电光调制器工作原理 5

2.3 微环谐振型电光调制器主要性能参数 7

2.3.1自由光谱范围FSR 7

2.3.2品质因子 9

第3章 微环谐振型电光调制器的调制分析 12

3.1 微环谐振型电光调制器的分析方案 12

3.1.1 微环谐振器的分析方案讨论 12

3.1.2 解析计算法 12

3.2正弦调制分析 17

3.2.1 动态分析建模 18

3.2.2 耦合强度调制 19

3.2.3 折射率调制 19

3.2.4 传输损耗调制 20

3.2.5 正弦信号调制分析总结 20

3.3高斯脉冲调制分析 21

3.3.1 耦合强度调制分析 22

3.3.2 折射率调制分析 22

3.3.3 传输损耗调制分析 23

3.3.4 高斯脉冲调制分析总结 23

3.3.5 高斯脉冲调制信号分析方法 24

第4章 调制器的光传输与光场分布特性 25

4.1光传输特性 25

4.2光场分布特性 26

4.3光传输与光场分布特性仿真分析 27

4.3.1 OptiFDTD简介 27

4.3.2 仿真分析 27

4.3.3 仿真分析总结 32

第5章 总结 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1微环谐振型电光调制器的研究背景、目的及意义

1969年，微环谐振器首次作为光学元器件来实现滤波功能。此后，光学微环谐振器在光学研究领域方面表现出具有良好的研究价值。随着如今科学水平、互联网以及相关领域得到了迅猛发展，光学微环谐振器也得到了多方面的科研的重视和投入。在此科研背景下，由于通信领域的相关技术对信息传输效率的要求也不断提高，然而电子学相关的传统传输方式已经表现出了其信息传输的局限性。而在光学领域，使用光纤传输的方法，由于其传输速率快、稳定性强、抗干扰能力强等众多优势，并且将光子用作通信传输的载体，能够满足现代通信技术的绝大多数需求，在通信领域得到了广泛的关注。此外，作为拥有较大的发展空间的一项技术，全光网络技术也对光学器件的研究发展起到了推动作用。在光通信技术领域，光学器件作为其中的核心部分，对信息传输技术的效率、成本等各个方面都起到很大的作用。

电光调制器的基本功能是以光传输信号为载体，以光学波导材料作为传输的媒介的方式进行的。以这种方式进行调制，能够有效的减少传输所带来的信号衰减，并且还具有抗干扰能力强，传输频带宽等诸多优点。电光调制器在光通信领域，特别在高速低功率光通信方面是技术基础，具有很高的研究意义。随着如今科学水平、互联网以及相关领域得到了迅猛发展，信号传输带来的技术压力也逐渐加大，与之密切相关的光电信号转移技术也是不可缺少的部分，而用于实现高速低功率光通信传输的一般电光调制器的成本比较高，这也成为了光通信技术发展的一道难题。在光学器件方面，与其它的光学器件相比，微环谐振器的谐振腔的结构较为精密，可以与多种不同的元器件集成组合来使用，能够用来实现滤波、开关、门电路、放大、调制、延时、复用等多种功能，可以完成一般的通信与信号处理，而且微环谐振型电光调制器具有很好的波长选择性以及较宽的自由频谱范围FSR，它的最小的带宽能够达到几纳米的程度，FSR可达到几十个纳米级，因此可以采用多种灵活的结构，具有很好的设计性，适合用作集成。对于微环谐振电光调制器，由于其器件具有高度的完整度，在微环当中能够储存较多的能量,通过减小微环内的模场面积，可以进一步提高储存的能量,并且可以做到带宽的稳定，其优秀的性能使它能够在多种光电调制器当中得到有效的应用。

在光纤传输领域的研究中，对微环谐振型电光调制器的调制测试是衡量其性能指标的重要方式。对于微环谐振型电光调制器，由于一般的分析方法大都是研究分析静态场的静态耦合理论，但是光信号在微环谐振器的传播过程当中，其光的相位和幅度时刻都是在发生变化的，因此若使用一般的静态场分析方法是不准确的，在这种情况下，如果使用能够准确分析微环谐振型电光调制器的方法，就需要采用能够正确反映微环谐振型电光调制器电场变化的动态分析方法。在对微环谐振型电光调制器进行调制分析时，需要根据微环的特性及功能，通过对传输光信号的调制，实现对微环谐振型电光调制器的多种调制特性的分析，包括耦合强度调制、折射率调制以及传输损耗调制等，能够对微环谐振型电光调制器的各项关于电光调制的参数得到充分分析，微环谐振器还可以通过对多种输入信号这些都对微环谐振型电光调制器的运用以及电光调制有关方案的设计都有很大意义。

1.2国内外研究现状

微环谐振器最早是在二十世纪中旬被提出来的，经过几十年的发展，从最初的实现滤波等功能的单一功能的单元件光学波导器件，发展到如今易于集成、功能多样化的集成器件研究方向，光学器件制造工艺的发展使得光学微环谐振器得到更广泛的应用和研究。在光子器件的研发中，美国、日本、韩国等国家都有较高的研究水平，且已经研制出众多功能的光子器件。在国内，较多的科研机构也对微环谐振器进行了较多的研究。微环谐振器的分析可以从多方面来研究，首先，微环谐振器的结构相比于其它的器件相对的灵活，并且它的波长选择特性也比一般的光电子器件更加的优秀，结构更加紧密等等，这些特点使其成为光通信领域的重要光子学功能器件^[1]。如今，微环谐振器在光学科学研究领域的多方面都有着较好的发展潜力。得益于其体积小，功能强和便于集成等优点，微环相较于其他光子器件，设计上更加灵活，能够满足多方面的要求，具有很高的研究价值。

1.3研究的基本内容

了解并学习关于微环电光调制器的研究方向和原理，通过查阅资料，能够熟悉认识关于微环谐振型电光调制器的多种不同的分析方法，并且可以用来分析其特点，重点学习动态数值分析法。查找关于微环谐振型电光调制器仿真分析的例子，根据微环谐振器耦合强度、折射率和传输损耗等各方面的特性，通过正弦调制来对微环谐振器调制的结果进行分析。微环谐振器在光学领域能够适用于多种不同的元器件，包括有源器件以及无源器件。另外，学习使用基本的仿真软件，通过对微环谐振器的仿真，分析其光传输和光场分布的特性；利用编程计算眼图、带宽、输出信号等调制特性^[2]。

第2章 微环谐振型电光调制器

2.1 微环谐振型电光调制器的简介

在微环谐振型电光调制器的众多功能当中，它的功能主要是由多种特殊材料的电光效应来实现的，能够实现微环谐振型电光调制器的电光效应的特殊材料包括LiNbO₃、GaAs和LitiO₃等。在微环谐振型电光调制器的电光效应的多种实现形式当中，根据电光调制器的折射率以及电场强度的比值，最主要表现形式为二次电光效应（Kerr效应）以及线性电光效应（Pockels效应）两种^[3]。其中，与二次电光效应相比，线性电光效应能够更为有效的实现微环谐振型电光调制器所需的功能。在用来实现光学器件的功能的研究当中，微环谐振型电光调制器能够使用线性的电光调制对光波进行信号调制。在使用线性的电光调制的时候，微环谐振型电光调制器主要有纵向电光调制器以及横向电光调制器两种类型。在这两种类型当中，最主要的区别是电场方向，纵向电光调制器的电场和光的传播方向平行，而在横向调制器当中，电场与光的传播方向垂直。同时，电光调制器具有多种不同的实现方式，其中应用最广泛的主要是M-Z型调制器和本文研究Si微环型调制器。以下对两种类型的电光调制器做简单介绍。

（1）M-Z型调制器

如图2.1所示，通过观察M-Z型调制器的模型可以看出，入射光波经过光路部分后，在到达分支Y的时候分成两个相当等的分支的波段，通过两个波导光学器件进行传输。在调制器当中，由于该电光调制器的光波导主要是由光电感应材料来制成的，该光波导折射率会因为外加电压的改变而产生变化。当微环谐振型电光调制器的折射率发生变化时，输入的光信号的两束光分支会在达到分支Y处的时候形成相位差。当这两束光的光程差是输入的光传输信号的波长的整数倍的时候两束光的将会高度保持一致性；当这两束光的光程差是输入的光传输信号的波长的二分之一时，则两束光的一致性将会因此减小，调制器的输出将非常小。因此，调制光信号可以通过使用电压来成功实现。

图2.1 M-Z型调制器结构示意图

1. Si微环型调制器

如图2.2所示，在Si微环型调制器当中，微环电光调制器当中的Si微环型调制器的结构主要是由直波导和微环构成的。该微环电光调制器的功能也主要是由晶体材料的电光效应来实现的。其中，最常用的能够实现所需要的电光效应的晶体就是Si,由于这种类型的晶体具有独特的对称性，因此在这种晶体当中会发生非线性的电光普克尔效应，特别是对于半导体材料。基于非线性的电光普朗克效应，为了实现增大电光效应对微环调制器的作用的功能经常使用的方法主要分为两种方法：利用特定晶体的热光效应来实现增幅;通过使用载流子的注入来提高调制的效能。与其它的电光调制器相比，微环谐振型电光调制器不需要额外的设备来使光输出反馈到调制器，而且调制器内部的输出光信号、输入光信号等的光传输路径不会交错再一次，路径清晰，方便分辨和观察。