[发明专利]一种基于变换光学设计的高Q值微环谐振器

说明书

本发明公开了一种基于变换光学设计的高Q值微环谐振器。该微环谐振器，包括：由第一连接波导、第一直波导、第二连接波导、第一圆弧波导、第三连接波导、第二直波导、第四连接波导和第二圆弧波导依次收尾连接的微环谐振腔；由第一弯曲波导、第三直波导和第二弯曲波导依次连接的耦合波导；以及输入波导和输出波导；入射光中满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，其他光输出；第一连接波导、第二连接波导、第三连接波导和第四连接波导的几何形状采用变换光学根据最佳折射率进行设计，各段波导的宽度采用nw模型计算求解。实现了确保单模谐振，在微环谐振腔中基模的绝热传输，降低了光场在微环谐振腔中传播时的损耗。

技术领域

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种基于变换光学设计的高Q值微环谐振器、带通滤波器及带阻滤波器。

背景技术

微环谐振器由环形波导和相邻的耦合波导构成，在滤波、传感、调制等领域应用广泛因子表示单位时间内谐振腔存储能量和耗散能量的比值，是衡量谐振腔性能的一个关键指标。

高Q值微环谐振器是制作滤波器、环形振荡器、光缓存、传感器等器件的关键元件。影响微环谐振器Q值的因素有：微环谐振腔与输入/输出波导的耦合效率，耦合区波导侧壁粗糙带来的散射损耗，耦合区的模式失配损耗，环形波导的吸收损耗、弯曲损耗以及侧壁粗糙带来的散射损耗。其中，由于曝光和刻蚀工艺的固有限制，难以制作得到理想的光滑平整的侧壁，因此微环和耦合区波导的粗糙侧壁导致的散射损耗是限制Q值的关键因素。

目前除了通过改善制备工艺降低侧壁粗糙度之外，另一个有效的方法是将波导宽度增加，尽可能将光场限制在波导内部，减少光场与侧壁的相互作用，提高微环的本征Q值。将单模波导拓宽，波导将支持多模传输，输入光在耦合波导和微环内会激发高阶模，增大微环谐振腔内的传输损耗，会降低微环的Q值。光场在微环波导与耦合波导的耦合区域内传输和演进过程中，由于耦合间隙的改变，会存在光场模式失配，激发波导内的高阶模和辐射模，从而引起微环谐振腔内损耗的增加和Q值降低的问题。同时，激发的多个高阶模式在微环内同时谐振，对滤波等需要单模谐振的应用场景极为不利。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于一种基于变换光学设计的高Q值微环谐振器，旨在解决耦合区域存在光场模式失配，激发波导内的高阶模和辐射模，从而引起微环谐振腔内损耗的增加和Q值降低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下的技术方案。

第一方面，本发明提供了一种基于变换光学设计的高Q值微环谐振器，包括：微环谐振腔、耦合波导、输入波导和输出波导；

所述微环谐振腔包括依次首尾连接的第一连接波导、第一直波导、第二连接波导、第一圆弧波导、第三连接波导、第二直波导、第四连接波导和第二圆弧波导；

所述耦合波导包括依次连接的第一弯曲波导、第三直波导和第二弯曲波导；

所述输入波导为第一锥状波导，所述输出波导为第二锥状波导；

所述输入波导与所述第一弯曲波导连接，所述第二弯曲波导与所述输出波导连接；所述第三直波导与所述第一直波导对应设置构成耦合区域；

入射光由所述第一锥状波导入射，经过所述第一弯曲波导，在所述第三直波导的区域进行耦合，所述入射光中满足谐振频率的光耦合进入所述微环谐振腔，其他入射光依次经过所述第二弯曲波导，由所述第二锥状波导输出；

所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导和所述第四连接波导的几何形状采用变换光学根据最佳折射率进行设计，其中，各段波导的宽度采用nw模型计算求解，用于确保所述微环谐振腔中的基模在各连接波导的弯曲处绝热传输。

可选的，所述nw模型对后向散射损耗进行综合分析，计算得到所述微环谐振腔的各段波导的最优解宽度，用于降低散射损耗和提高所述微环谐振器的本征Q值。

可选的，所述耦合区域采用定向耦合方式；