基于微环谐振腔的双波长单纵模半导体激光的器的分析

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1、华中科技大学硕士学位论文光学微环谐振腔在光子学中有着广泛的应用和极好的发展前景，可以用来制成滤波器，激光器，放大器，传感器，光分插复用器件，逻辑门等。集成的微环谐振腔不需要制作解理面或光栅结构来实现光反馈，并且容易与其他光学部件如光探测器、光调制器等集成。光学微环谐振腔用在激光器中，用来提供对纵模(波长)的选择作用。本论文利用两个级联微环对波长的选择作用，设计了一个双波长单纵模半导体激光器，激光器使用行波腔，无需刻蚀光栅结构和解理面，易于集成，可以拍频产生THz信号。图1-1双环谐振腔半导体激光器结构示意图图1-1所示为所设计的基于双微环谐振腔的半

2、导体激光器的俯视示意图。它由两个半径略有差异的微环和两个直波导组成，微环和直波导之间侧向耦合。直波导分为增益区和无源区，由直波导的增益区来实现光放大功能。两个半径略有差异的微环与直波导进行耦合，组成上下载型微环结构，用来实现对波长的选择作用，利用游标效应增大FSR，实现更强的选模功能。只有当波长同时满足两个微环的谐振条件时，才能在直波导和两个微环之间都实现有效的耦合传输，如果将这两个微环看成是两个等效的反射镜，则整个系统构成一个耦合行波腔。微环的螺旋形结构可以实现光的单方向传输。由于系统结构上下具有对称性，可通过对几何尺寸结构的优化设计使振幅耦合比

3、率满足关系κκ==κκ=。理论研究表明，该激光器可以稳定地输出双波长单纵1234模激光，并可以拍频产生频率1.28THz的信号。1.2研究内容本论文主要进行了以下一些方面的研究工作：2华中科技大学硕士学位论文(1)由于所设计的激光器为单模激光器，首先对矩形波导的模场分布特性进行了研y究，通过对其特征方程的求解和模场的计算，用MATLAB模拟仿真了Emn模的场分布。当直波导尺寸较大时，既有基模(m=n=0)又有高阶模。当直波导尺寸比较小时，只存在基模。接着分析了弯曲波导(主要是二维环形波导)的模场分布特性，研究了波导尺寸对其模场的影响。(2)对微环谐

4、振腔基本理论进行了研究，分析了其谐振条件，以微环与直波导侧向耦合为例，利用耦合模方程分析了其耦合系数随距离的变化，振幅耦合比率与波导尺寸和波长的关系，并利用MATLAB进行了仿真。研究了微环内相向传播光方向控制的方法。(3)研究了上下载型微环和级联微环的滤波特性，在此基础上，设计了一种新型的双波长单纵模可调谐半导体激光器，建立了该激光器的理论模型，研究了其阈值特性，动态特性和稳态特性。(4)通过对不同制作材料进行比较，最终选择Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制作该激光器，研究了Ⅲ-Ⅴ族半导体材料无源/有源微环侧向耦合结构的加工工艺，研究了无源/有源混合结构的加工

5、工艺，并对本论文提到的新型激光器的加工工艺进行了设计。(5)最后对本论文进行的工作进行了总结与展望，指出了不足之处，提出了需要进一步进行深入研究的工作。3华中科技大学硕士学位论文2波导模式特性的研究当光束在介质中传输时，由介质的吸收和散射会引起损耗，由衍射会引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰弱。因此，需要能够引导光束的传播，[14]横向限制光场能量，降低传播损耗和噪声的光波导，简称波导。在实际的集成光路中，经常使用的是在横截面的两个互相垂直的方向(横向和侧向)上均能限制光场的矩形波导(即条形波导)。矩形波导具有结构简单，尺寸小，对

6、准方便，机械性能稳定等优点。广泛应用于半导体滤波器，调制器，耦合器，激光器，波分复用/解复用器和光开关等结构中。对于波导模式特性的分析，数值计算的方法主要有圆谐函数分析法，有限元方法，光束传播法，时域有限差分法等。而具有较高精度的解析方法主要有马卡梯里近似解析法，有效折射率法，微绕法，变分法和加权余量法等。由于耦合系数与波导中的模场有关，本论文所研究的半导体激光器直波导部分为矩形波导，要求其中传输的模场为基模。本章利用比较基础的马卡梯里近似解析法分析了矩形波导的模场分布，研究了其中只有基模存在的条件。2.1用马卡梯里近似法分析矩形波导矩形波导结构的

7、边界问题是非常复杂的，如果要用电磁场理论(麦克斯韦方程组)进行严格的求解，那么九个区域的电磁场分布和边界条件都需要考虑到。这种严格的方法将会使得问题变得极其复杂。要达到简化分析的目的，又要得到精度足够高的解，我们可以用马卡梯里近似法来分析矩形波导。假设矩形波导横截面结构示意图如图2-1所示，坐标原点选在芯区几何中心位置处，整个截面被划分为九个区域，每个区域内折射率固定，波导芯区宽度和厚度分别为a和b。除了四个阴影区间外，其他区域的折射率ni和介电常数εi分布如图所示，其中芯区的折射率n1和介电常数ε1最大。可以假定大部分光功率在波导芯区传输，包层中

8、传输的非常少，尤其是在四个阴影角区中传输的更少，可以忽略不计。基于这个假设可以得到下述简化的结果：(1)由于忽略四个阴影角