光学微腔特性研究及其应用.ppt

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1、光学微腔光学微腔概述光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔。它利用在介电常数不连续的材料界面的反射、散射或衍射，将光能量限制在很小的区域内来回振荡，从而增加光子寿命，减少光场模式数目。当增益介质(偶极子)置于微腔中，它的自发辐射性质受到局域真空场的显著调制，因此产生低阈值的激光。普通谐振腔光学微腔光学微腔的研究背景集成光路包括光波的发射、传输、调制-解调、上载、下载、接收、存储、显示等一系列的过程。近年来，随着微电子学的薄膜工艺提高,研究者们将微波理论和激光技术相结合，采用微纳加工技术

2、在各种均匀的光学材料中制备各种波长尺度的结构来控制光信号的传播或产生新的物理效应，从而创造出新型光子学器件。微腔型光电子器件正式基于此背景提出的。这类器件具有尺寸小、易于集成、功耗低以及品质因子高等优点，在信号的发射、处理和传感等方面表现出很大的前景，例如高性能光源，光存储器、光开关、密集波分复用系统(DWDM)的上下载滤波器以及生化传感器等。除此之外，由于光学微腔可以在极小的空间内产生巨大的光强，同时降低了腔内模式数目，影响腔内物质原子的自发福射特性，因此在揭示物质世界本质的自然科学领域。光学微腔分类

3、依据工作介质不同1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本征光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开关、或者传感器等。光学微腔分类依据腔体对光场的不同限制机理1.法布里波罗型微腔（FP型微腔）其有源区多为量子阱材料，有源区上下两边分别由具有极高反射率的反射镜组成，光在两个反射镜中反射形成谐振。FP型微腔的反射镜多为分布布拉格反射(Distr

4、ibutedBraggerReflector,DBR)。对于FP微腔,由于其腔长短,单程增益小，因此只有FP腔镜面具有很高的反射率时才能形成高品质因子腔。对于半导体材料来说，由于各层材料之间的折射率相差较小，单层DBR的反射率较低，一般需要精密生长二十对左右的DDB才能达到99%以上的镜面有效反射率。而且，由于FP型微腔激光器的出光方向垂直于表面，非常适合于制作高密度的二维激光器阵列。其中，具有代表性的FP型微腔激光器是垂直腔面反射激光器(Vertical-CavitySurface-EmittingL

5、aser,VCSEL)。光学微腔分类2.光子晶体微腔（PC型微腔）光子晶体是一种具有周期性介电常数的材料，由于光子带隙的存在只有特定波长的光才能通过。当周期结构中引入缺陷形成一个微腔，光子带隙中出现相应的缺陷态能级,频率在缺陷能级的光在光子晶体中沿着缺陷传播或局域化振荡，因此可以像F-P微腔一样控制光场的分布。由于这种腔是在期性结构中人工引入的缺陷，它的模式体积非常小，并且通过微纳加工技术准确的控制缺陷腔的形状和谐征波长，因此在激光器、滤波器、传感器和量子信息领域得到广泛应用。光学微腔分类3.回音壁式微

6、腔（WG式微腔）光波在腔内沿环形回路形成谐振，并通过腔内高折射率介质与外部低折射率介质所构成的全反射界面来形成对光的强限制。按腔的形状，WG型腔可分为环形腔和多边形腔，其中环形腔包括微球、微盘、微环、微柱等；多边形腔则包括三角形、四边形、甚至六边形腔。通过圆形微腔，我们可以用全反射理论很容易地理解回音壁模式。如图所示，光线从A点沿微腔边缘传播，入射角为。由于旋转对称性，光线在腔内能够以同一入射角持续全反射。在有限次反射之后，光线会回到原点A。当满足相位匹配条件，在谐振腔内会形成等间距的共振模，这种模式就

7、称为回音壁模式。回音壁式微腔（WG型微腔）理论分析无论是三维的微盘还是二维的微环，它们的回音壁模式分析都可以通过有效折射率法和不同的边界条件设定简化为二维的微盘的本征模式分析。二维的微盘的回音壁模式在柱坐标下可以严格地分解成横电模（TE）和横磁模（TM）两者都可以通过Maxwell方程得到对应的Helmholtz方程：式中，是谐振模式在真空中的波长，是真空中的光传播速度是回音壁模式的有效折射率。在二维的情况下，我们不考虑垂直方向的电磁波，在柱坐标下Helmholtz方程可以写为：上式中的变量是不相关的，

8、因而上式可以分离变量成为以下两个方程：回音壁式微腔（WG型微腔）其中，可得上式中是归一化因子。再利用回音壁模式的物理特征简化上述方程，假设微盘的外面的场处处为零，即可得，回音壁式微腔（WG型微腔）其中是阶贝塞尔函数的阶零点值，是微盘的半径，对应模式的角向分布，对应模式的径向分布。对于高阶贝塞尔函数而言相应的（为正整数）因此上式简化为：回音壁式微腔（WG型微腔）自由光谱范围相邻纵模的波长或者频率间隔定义为自由光谱范围(FreeSpectrum