基于光波导的光学微腔耦合机理研究

【摘要】光学微腔有着小的模式体积和高的品质因子Q,在低阂值微腔激光器、光学滤波器、传感器、光开关和调制器等领域具有重要的应用价值。其中,波导耦合型光学微腔激光器激射出来的光可直接通过波导传输驱动其它光学器件。为了能够实现微腔激光器与其它器件的集成,波导耦合型微腔激光器的研究变得尤为重要。本论文主要研究波导耦合光学微腔的耦合特性,相关内容和创新点如下：提出了一种新型的耦合结构,采用光波导连接两个半导体光学微腔,可以实现两个微腔光子能量的远距离交换。运用三维时域有限差分(Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD)方法分析了波导长度、上限制层厚度和刻蚀深度对该耦合系统的谐振波长及Q值的影响。结果表明：(1)波导长度影响着耦合系统的垂直辐射损耗和两个微腔的耦合强弱,耦合系统的Q值会随着波导长度的变化呈现振荡特性。在垂直泄露损耗减弱和弱耦合的情况下,可以获得高Q值。(2)随着上限制层厚度的增加,Q值会先快速增大而后快速下降。波导长度为3μm时得到的Q值会比2.6μm时的要大,这与波导长度对Q值的调制结果非常吻合；(3)当刻蚀深度从2.7μm变化到3.5μm时,Q值从2800上升到5600。但随着刻蚀深度的进一步增加,品质因子呈现出振荡特性。当刻蚀深度为3.5μm时,Q值达到它的第一个峰值。由此可见,我们可以通过优化刻蚀深度,使品质因子处于最大值,从而实现谐振系统的低阈值激射。同时我们对金属绝缘限制微腔直接接触耦合的模式谐振特性进行了研究,分析了谐振波长和模式Q值随绝缘层厚度的变化关系。发现了模式分裂现象,原先简并的模式分裂成了四个非简并模式；当绝缘层厚度大于1.3μm时,OE和OO两个模式的Q值会发生分裂。除此之外,为了实现波导的定向输出,提出双微腔波导间接耦合结构,分析了谐振波长及Q值随波导厚度的变化关系。发现当波导厚度接近TE-2导波模的截止厚度时,关于y轴对称的TM5,3模的Q值会急剧下降；当波导厚度接近TE-1导波模的截止厚度时,关于y轴反对称的TM11,1模的Q值会急剧下降。这是因为谐振腔中的回音壁模式与波导的导波模耦合,谐振腔中的能量通过波导输出。
【作者】雷美鑫；
【导师】车凯军；
【作者基本信息】厦门大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】微腔耦合；时域有限差分方法；波导定向输出；

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