SOI基波导谐振环中光传输特性及增益补偿机制

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
11074020
项目类别：
面上项目
资助金额：
40.0万
负责人：
肖志松
依托单位：
北京航空航天大学
学科分类：
A2208.光学材料与器件物理
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
刘玉萍；郑明；张江松；朱放；闫瑞；燕路；
关键词：
谐振环 SOI 光波导损耗吸收

项目摘要

本项目拟研究工作于1540 nm波长附近的SOI基光波导陀螺核心器件- - 波导谐振环的光传输特性及增益补偿机制。在对SOI基无源和有源耦合波导谐振环进行结构设计和性能模拟的基础上，采用标准微电子工艺制备稀土元素掺杂的有源波导谐振环器件原型。研究光在波导谐振环结构中的传输特性如吸收和损耗等；探讨波导谐振环中拉曼效应和光吸收抑制机理，并通过拉曼放大效应和稀土掺杂产生的光增益补偿谐振环损耗。分析无源和有源耦合波导谐振环中慢光效应的产生机制，探索此效应对谐振环性能和系统灵敏性的影响。这一研究是基于航空航天和现代装备精确制导的迫切需求，并结合了光学陀螺技术的发展趋势，研制和开发的硅基集成光波导陀螺核心器件对于我国在惯性技术领域打破国外封锁与垄断，赶超国际先进水平具有重要意义。

结项摘要

综述和总结了近几年国内外集成光学陀螺的研究进展和技术发展趋势。理论分析和计算了硅基无源和有源光波导谐振环中损耗和增益对光传输色散性质的影响。模拟计算得到了SOI波导单模传输条件下的环形与直波导的耦合谐振环结构参数，采用微电子工艺制备了耦合谐振环光波导芯片。测试和研究了损耗、增益和快慢光效应对耦合谐振环陀螺灵敏度的影响。总体上，通过本项目研究，获得了一些有意义和创新性的成果，完成了计划的研究任务，主要成果简述如下。.1.提出并分析了一种新型的能产生慢光效应的耦合谐振环波导结构（CROW）。研究表明这一构型具有增强的相灵敏度，其慢光效应和增强的相灵敏度之间只是形式上相关，却没有物理本质上的的联系。由于损耗最终决定了以耦合谐振环为基础的陀螺性能的优劣，在类CROW结构中引入一个损耗系数γ<0来分析其影响。对于一定的结构存在相应的损耗阈值主要由光波长和耦合系数决定，而与结构尺寸无关。对于确定的γ，存在着一个最佳谐振环数Nmax对应的陀螺最高灵敏度。.2.设计和分析了一种无源的狭缝波导/快光增强型耦合谐振环结构。此无源的五层非对称狭缝波导结构符合谐振和高限光能力的要求，在透射耦合系数分别为0.2和0.7时能够提高陀螺灵敏度的同时保证损耗阈值的最大化。在无源的快光增强型结构中，透射耦合系数优化为0.205和0.987时，该快光陀螺的灵敏度比传统的单环结构陀螺提高一个数量级；角速率低于30 rad/s时，灵敏度曲线近似线性变化，而角速率低于240 rad/s时，灵敏度曲线非线性增强。.3.制备和分析了一种有源增益的耦合谐振环结构。研究表明：（1）仅在大环中引入增益时，增益从理想情况补偿损耗和并增大到g=2.3m-1时，透射曲线表明有源增益陀螺相比无源陀螺其灵敏度显著提高。（2）在小谐振环中引入增益且不大于系统损耗时，增益起到补偿损耗的作用。这可以使系统的有效传输损耗降低，降至损耗阈值以下时则该结构便能通过谐振环个数的增加提高灵敏度。.4.制备和分析了一种有源快光增强型光波导陀螺结构（FLEG），结果表明谐振环数为奇数的结构才可能实现灵敏度增强至少1个数量级；偶数个环数的结构不具备实用性。与传统激光陀螺比较，标度因数在低角速度旋转时显著增大，当角速度大于7 rad/s时不具有优势。