适用TE0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构及方法

本发明涉及光学，特别涉及一种适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构及方法。

背景技术：

1、米氏共振是电磁波在与微粒尺寸相当的介质上散射和吸收的现象。米氏共振增强技术有助于提升光学器件的性能，并在多个应用领域发挥关键作用。微环谐振腔是一种重要的光学器件，广泛应用于光通信、光传感和光学滤波等领域。微环谐振腔利用了光的干涉原理，当环波导中的光波相位相匹配时，光波在环中会形成一个稳定的驻波模式，从而在特定波长处实现高质量因子的共振。米氏共振增强的微环谐振腔模型的研究具有重要的科学和应用意义。这种研究结合了米氏共振与微环谐振腔的优势，通过结构优化和材料选择，实现对光场的局部强烈增强，减少光学损耗，提高微环谐振腔的效率，从而提升集成光学器件的性能。

2、波导具有模态选择性，在减少干扰方面具有重要意义。te模态与tm模态的混合传播会导致模态间的耦合和干扰，影响信号的纯度和传输稳定性。通过只传输te模态，避免了模态转换和交互干扰，确保信号在波导中以单一模态传播，减少了相互影响。此外，te模态通常具有更好的抗干扰特性，能够在高频传输中保持信号的完整性。这样可以提高系统的信噪比，确保信号在复杂电磁环境中的可靠传输。

3、te0模态是指电场主要在横向(垂直于传播方向)分布的模态，其中在垂直于波导的横截面上没有电场分量沿着传播方向。0阶模态为此模态的基模，意味着这是波导中传播的最低阶模态。te0模态是波导或光纤中最基本的模态，具备最低的传播损耗和最高的传播效率，te0模态的有效折射率通常高于其他高阶模态。这意味着在同一波导中，te0模态会比高阶模态更易于被激发和传输。因此，研究适用于te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，是具有实际意义的。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种适用te0模态米氏共振增强的方案，针对tm模态抑制以达到模态选择性，通过米氏共振增强达到局部电场增强，进而提升光学器件性能以及拓宽应用范围。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，包括直波导与环波导，所述直波导具有输入端和输出端，分别作为光的输入与输出，所述环波导作为光的谐振腔，所述直波导、所述环波导均由波芯和包裹所述波芯的腔壁组成，所述直波导设置有直线形波芯，所述环波导设置有环形波芯，所述环波导的部分位置，将所述环形波芯替换为等距设置的圆柱波芯，所述圆柱波芯位于所述环波导内部，所述环波导提供空间上的共振条件，相邻所述圆柱波芯作用形成局域米氏共振，以使谐振叠加造成电磁场的增强。

3、进一步地，所述环波导的半径设置为在通信波段1550nm下发生谐振。

4、进一步地，光在所述环波导中传播一圈后的相位变化是2π的整数倍，如下式所示：

5、

6、mλ＝neffr

7、其中，neff为环波导有效折射率，l为环波导的周长，β为传播常数，λ为光的波长，m为谐振阶数，是一个整数，t为环波导半径。

8、进一步地，所述圆柱波芯设置在所述环波导的小于二分之一圆弧区域，所述圆柱波芯以所述环波导中心为圆心，根据所述环波导的半径作为分布半径均匀嵌入所述环波导内部，依次确定各个所述圆柱波芯的坐标时，基于以下公式：

9、

10、xi＝r+tsin(iθ) i＝1……n

11、yi＝r cos(iθ)i＝1……n

12、其中，gap为相邻圆柱波芯的间距，lmie为圆柱波芯的直径，θ为相邻圆柱波芯的夹角，n为圆柱波芯的总个数，i表示圆柱波芯的编号，xi、yi分别代表圆柱波芯的横、纵坐标。

13、进一步地，所述直线形波芯、所述环形波芯、所述圆柱波芯均采用折射率为2.5的介质，包裹波芯的腔壁采用折射率为1.5的介质。

14、进一步地，所述直波导与所述环波导的耦合区域长度可调，耦合距离设置为0.7166μm。

15、进一步地，两个波导的宽度均设置为2μm，所述直线形波芯、所述环形波芯的宽度均设置为0.2μm、高度均设置为0.5μm，所述圆柱波芯的直径设置为0.2μm，高度设置为0.5μm。

16、进一步地，所述直波导的输出端的透射率最小时，所述环波导半径为6.1504μm。

17、进一步地，当所述输入端输入te0模态时，损耗为0.003db/μm，电磁场能够有效在直波导上传输，并耦合到环波导；当所述输入端输入tm0模态时，损耗为1.6722db/μm，电磁场无法有效在所述直波导上传输；

18、所述环波导内的圆柱波芯的电磁场场强相比于未嵌入圆柱波芯的电磁场场强，增强倍数为2.5倍。

19、本发明还提供了一种适用te0模态米氏共振增强的方法，采用如前所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，在环波导内将部分环形波芯替换为沿环线依次排列、等距的圆柱波芯，使光在环波导的空间上共振的前提下，通过相邻圆柱波芯作用形成局域米氏共振，谐振叠加造成电磁场的增强，且实现同条件下te0模态的局部电场增强、tm0模态的抑制。

20、本发明的上述方案有如下的有益效果：

21、本发明提供的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构及方法，结合了米氏共振和环波导的谐振增强电磁场，可以实现在特定波长显著增强场强的目的；同时具有模态选择性，可以实现同条件下针对te0模态的局部电场增强，以及tm0模态的抑制，从而减少多模态之间的干扰，提高信号质量；另外无需设置额外的器件，结构紧凑且易于集成，因而显著减小了器件的体积，利于集成光子学的发展；

22、本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，包括直波导与环波导，所述直波导具有输入端和输出端，分别作为光的输入与输出，所述环波导作为光的谐振腔，所述直波导、所述环波导均由波芯和包裹所述波芯的腔壁组成，所述直波导设置有直线形波芯，所述环波导设置有环形波芯，所述环波导的部分位置，将所述环形波芯替换为等距设置的圆柱波芯，所述圆柱波芯位于所述环波导内部，所述环波导提供空间上的共振条件，相邻所述圆柱波芯作用形成局域米氏共振，以使谐振叠加造成电磁场的增强。

2.根据权利要求1所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，所述环波导的半径设置为在通信波段1550nm下发生谐振。

3.根据权利要求2所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，光在所述环波导中传播一圈后的相位变化是2π的整数倍，如下式所示：

4.根据权利要求1所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，所述圆柱波芯设置在所述环波导的小于二分之一圆弧区域，所述圆柱波芯以所述环波导中心为圆心，根据所述环波导的半径作为分布半径均匀嵌入所述环波导内部，依次确定各个所述圆柱波芯的坐标时，基于以下公式：

5.根据权利要求2所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，所述直线形波芯、所述环形波芯、所述圆柱波芯均采用折射率为2.5的介质，包裹波芯的腔壁采用折射率为1.5的介质。

6.根据权利要求5所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，所述直波导与所述环波导的耦合区域长度可调，耦合距离设置为0.7166μm。

7.根据权利要求6所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，两个波导的宽度均设置为2μm，所述直线形波芯、所述环形波芯的宽度均设置为0.2μm、高度均设置为0.5μm，所述圆柱波芯的直径设置为0.2μm，高度设置为0.5μm。

8.根据权利要求2所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，所述直波导的输出端的透射率最小时，所述环波导半径为6.1504μm。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，当所述输入端输入te0模态时，损耗为0.003db/μm，电磁场能够有效在直波导上传输，并耦合到环波导；当所述输入端输入tm0模态时，损耗为1.6722db/μm，电磁场无法有效在所述直波导上传输；

10.一种适用te0模态米氏共振增强的方法，采用如权利要求1-8任意一项所述的适用te0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构，其特征在于，在环波导内将部分环形波芯替换为沿环线依次排列、等距的圆柱波芯，使光在环波导的空间上共振的前提下，通过相邻圆柱波芯作用形成局域米氏共振，谐振叠加造成电磁场的增强，且实现同条件下te0模态的局部电场增强、tm0模态的抑制。

技术总结
本发明提供了一种适用TE0模态米氏共振增强的微环谐振腔结构及方法，结构包括直波导与环波导，直波导、环波导均由波芯和包裹波芯的腔壁组成，直波导设置有直线形波芯，环波导设置有环形波芯，环波导的部分位置，将环形波芯替换为等距设置的圆柱波芯，圆柱波芯位于环波导内部，环波导提供空间上的共振条件，相邻圆柱波芯作用形成局域米氏共振，以使谐振叠加造成电磁场的增强。本发明结合了米氏共振和环波导的谐振增强电磁场，可以实现在特定波长显著增强场强的目的；同时具有模态选择性，可以实现同条件下针对TE0模态的局部电场增强，以及TM0模态的抑制；还具有结构紧凑且易于集成的特点。

技术研发人员：龚天巡,刘镇逸,吕鲁豫,朱贝林,张晓升
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/28