雙MMI型微環諧振器的傳輸特性分析

許利沙　張尚　王朝

摘 要：建立平行雙MMI型微環諧振器的數學模型，分析MMI損耗系數和輸入光譜的偏振狀態對系統傳輸特性的影響。損耗系數減小時，系統透射譜相對于傳統微環諧振器僅是整體向下平移，且幅度較小，證明二者理想傳輸特性具有高度的一致性；改變輸入光譜的偏振狀態，透射譜也僅是整體左右移動。結論表明平行雙MMI型微環諧振器相對于傳統微環諧振器具有更大的設計容差，可進一步降低器件制造工藝成本、提高器件的成品率和工作可靠性。

關鍵詞：傳輸特性；推導；影響

中圖分類號：TN252 文獻標識碼：A

1 引言

近幾年微環諧振器已成為導波光學和集成光學領域中一個非常活躍的研究方向。研究人員對微環諧振器的結構設計、特性分析和實際應用進行了廣泛而深入的研究。微環諧振器可用作濾波器、光開關、光邏輯器、微積分器等功能器件，對其理論的分析更接近于器件的實際應用是我們研究的重點。單環單波導微環諧振器實現的微分器，無論在性能和功能上都與MMI型微環諧振器實現的微分器有一定差距。同時單環雙波導微環諧振器相比單環單波導設計靈活性更強。由此對單環雙波導微環諧振器引入兩個MMI進行特性分析，可以實現更強大的功能，提供更大的設計靈活性。

目前對環形諧振器的研究，一般是采用傳統的傳輸矩陣法分析，而這種理論分析很少考慮環形諧振器耦合部分的損耗，但這種損耗在實際的器件中是存在的，因而必須考慮它的影響。對于MMI微環諧振器，引入MMI的損耗系數αm，對傳統的微環諧振腔的傳輸矩陣進行修正，然后用修正的傳輸矩陣對雙MMI型微環諧振器進行傳輸特性分析。αm取適當的值來模擬環形諧振器耦合部分的損耗。在環內無損耗的條件下，分析了αm和輸入光譜的偏振狀態對系統的能量傳輸和透射光譜的影響，并與無耦合損耗條件下的濾波特性進行對比，揭示αm對濾波特性影響的規律。

2 雙MMI型微環諧振器傳輸函數的推導

3 MMI損耗系數對系統傳輸特性的影響

假設微環內無損耗（α=1），直通端和下載端的能量輸出光譜由圖2所示。αm=1（耦合無損耗），當βL=2πm時，輸入到微環的光信號全部在下載端輸出；βL≠2πm時，輸入到微環的光信號全部在直通端輸出，其光譜傳輸特性與傳統（不考慮耦合損耗）的微環諧振器是一致的。

總損耗雖然隨著αm的減小而增大，但系統透射譜的形狀并沒有改變，而是整體向下平移，且移動幅度較小。仿真結果如圖3所示。

4 輸入光譜的偏振狀態對統傳輸特性的影響

諧振器在TE模式和TM模式的傳輸光譜響應如圖4所示，對于輸入光譜偏振狀態的改變，系統的透射譜形狀沒有改變，而是整體左右平移。可見雙MMI型微環諧振器相對于傳統微環諧振器具有更大的設計容差。兩種偏振狀態在繞環一周后的相位累計是不同的，因而可通過改變偏振狀態來改變光譜在諧振點的相移。通過改變光譜在諧振點的相移可實現微積分等功能。

結論

對于雙MMI型微環諧振器，引入MMI的損耗因子αm來模擬耦合損耗。在環內無損耗的條件下，分析了MMI損耗系數和輸入光譜的偏振狀態對微環諧振器能量傳輸和系統透射光譜的影響。損耗系數減小時，系統透射譜相對于傳統微環諧振器僅是整體向下平移，且幅度較小，形狀基本沒有改變，證明二者理想傳輸特性具有高度的一致性；改變輸入光譜的偏振狀態，透射譜諧振波長改變，改變過程中引起光譜相位變化。結論表明平行雙MMI型微環諧振器相對于傳統微環諧振器具有更大的設計容差，可進一步降低器件制造工藝成本、提高器件的成品率和工作可靠性。

參考文獻

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