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      波導(dǎo)諧振腔Fano共振特性研究

      2015-10-12 05:22:38孟穎宋建林夏鵬飛馬良劉徹
      關(guān)鍵詞:駐波共振頻率諧振腔

      孟穎,宋建林,夏鵬飛,馬良,劉徹

      (長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,長春 130022)

      波導(dǎo)諧振腔Fano共振特性研究

      孟穎,宋建林,夏鵬飛,馬良,劉徹

      (長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,長春130022)

      利用耦合模理論,建立了波導(dǎo)-諧振腔-波導(dǎo)諧振腔耦合的數(shù)學(xué)模型,并給出了此系統(tǒng)的光學(xué)透過率和相移特性的解析表達式,分析了此系統(tǒng)的Fano共振物理機制,即由波導(dǎo)諧振腔駐波模式的共振與諧振腔模式之間的共振耦合引起的,另外還給出了Fano共振模式所需要滿足的位相匹配條件,同時分析了各個性能參數(shù)對此系統(tǒng)的透過率特性和位相特性影響。

      Fano共振;諧振腔;波導(dǎo);耦合模理論

      波導(dǎo)諧振腔耦合系統(tǒng)由于其具有非常突出的共振特性,可以用來設(shè)計多種光子學(xué)器件,如光分束器[1,2],交叉連接器[3,4]和分插復(fù)用濾波器[5-7]等。諧振腔與波導(dǎo)之間的正耦合和側(cè)耦合具有互補的透過率特性和相同的位相變化特性,諧振腔與諧振腔的級聯(lián)形成耦合共振波導(dǎo)(CROW)[8],基于諧振腔模式耦合的光子學(xué)器件與特性近些年來已經(jīng)成為光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。

      有限長波導(dǎo)可以形成類似于F-P諧振腔,在其中形成駐波模式,通過改變波導(dǎo)的長度,可以很方便的調(diào)節(jié)模式的共振頻率,其與諧振腔之間的耦合也非常簡便,只要控制其與諧振腔之間的距離就可以實現(xiàn),然而,波導(dǎo)諧振腔的耦合特性目前研究的比較少[9],主要是由于傳統(tǒng)的波導(dǎo)諧振腔的泄露損耗比較大,端面的反射率比較低。隨著加工技術(shù)的發(fā)展,光子晶體波導(dǎo)和諧振腔已近成為集成光學(xué)中的研究熱點,光子晶體波導(dǎo)諧振腔可以克服傳統(tǒng)波導(dǎo)諧振腔的常見缺陷,研究其光學(xué)特性對于光子學(xué)器件的設(shè)計和發(fā)展具有潛在的指導(dǎo)價值。

      本文利用耦合模理論,建立了諧振腔波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,給出了透過率和位相變化的數(shù)學(xué)表達式,分析了Fano共振的物理機制和Fano共振的位相匹配條件,同時還分析了不同參數(shù)對這些特性的影響。

      1 理論分析

      為了分析波導(dǎo)諧振腔-諧振腔-主波導(dǎo)互耦合光學(xué)特性,建立的光學(xué)系統(tǒng)模型如圖1所示,其中波導(dǎo)諧振腔的長度為L,模式傳輸常數(shù)為β;S+ij和S-ij(j=1,2)分別為諧振腔波導(dǎo)、主波導(dǎo)的入射和出射的歸一化幅度??紤]光波僅從波導(dǎo)輸入端入射(S+22=0),且為時諧波時,即具有ejωt的形式,采用時域耦合模理論[10],此系統(tǒng)的光學(xué)特性可以表示為:其中a為諧振腔的歸一化諧振幅度,ω0為諧振腔的諧振頻率,分別為諧振腔向波導(dǎo)諧振腔和主波導(dǎo)的衰減速率。

      圖1 波導(dǎo)諧振腔-諧振腔-主波導(dǎo)互耦合模型

      波導(dǎo)諧振腔中,從諧振腔波導(dǎo)耦合端耦合到諧振腔中的入射波s+11是從諧振腔中耦合出來的光波經(jīng)另一端發(fā)射回來的,所具有位相關(guān)系為:

      聯(lián)立方程(1)-(3),并結(jié)合方程(4),主波導(dǎo)的透過系數(shù)可表示為:

      其中φ=β(ω)L為光在波導(dǎo)諧振腔中的相移。

      2 透過率特性分析

      由式(5)可以給出圖1所示的光學(xué)耦合系統(tǒng)的透過率特性,即:

      從式(6)可知,而當(dāng)φ→mπ時,透過率恒為1,這是由于波導(dǎo)諧振腔中進入的與返回的行波疊加形成駐波模式,此模式與諧振腔模式相互耦合,引起諧振腔模式的分裂,在此波長上引起Fano共振;另外,從式中還可以看出,當(dāng)入射波的頻率滿足關(guān)系式時,透過率變?yōu)榱悖械娜肷涔馊勘环瓷?,如果此波長在φ=mπ附近,可以從透過譜中看到兩個全反谷。

      為了進一步研究透過率與頻率之間的關(guān)系,假設(shè)諧振腔波導(dǎo)滿足線性色散關(guān)系,在頻率變化范圍不大的情況下,采用自由空間近似,表示為:

      圖2 波導(dǎo)諧振腔耦合系統(tǒng)透過率的理論曲線

      圖2給出了不同參數(shù)情況下此系統(tǒng)的透過率隨頻率的變化關(guān)系,本文采用歸一化頻率2πc/L為單位,其中實線表示耦合系統(tǒng)的透過率,虛線表示沒有波導(dǎo)諧振腔的情況。從圖2(a)-(d)可以看出,透過率曲線具有兩個明顯的特征:第一個特征是無論參數(shù)怎么變化,在頻率ω0=0.50(2πc/L)處透過率始終為1,這是因為在該處,由式(7),諧振腔波導(dǎo)的相移始終為φ=mπ,諧振腔波導(dǎo)正好形成共振駐波模式,產(chǎn)生了Fano共振;第二個特征是單個諧振腔形成了透過率曲線的包絡(luò),而波導(dǎo)諧振腔以駐波共振為界,引起模式的分裂,兩個反射峰位于駐波共振頻率的兩側(cè)。

      比較圖2(a)和(b),當(dāng)諧振腔共振頻率改變時,由此諧振腔確定的包絡(luò)曲線將隨之移動,另外,由式(7)知道,兩個反射峰的位置也隨之改變,改變幅度與諧振腔的共振頻率的改變量相同,兩個反射峰之間的頻率間隔保持不變。

      諧振腔向諧振腔波導(dǎo)耦合時,衰減系數(shù)對反射峰的位置具有決定性的影響,如圖2(c)所示,兩個反射峰之間的間距會變大,從式(7)也能看出此特點,τ1變小,反射峰的位置遠離包絡(luò)中心ω0,兩反射峰之間的間距與諧振腔的衰減速率1 /τ1成正比,當(dāng)然,由于諧振腔波導(dǎo)的相移包含頻率項,也對反射峰的位置有一定的影響。

      諧振腔向主波導(dǎo)的衰減系數(shù)決定了透過率曲線的包絡(luò),當(dāng)衰減速率1 /τ2變小時,包絡(luò)會變窄,由式(7)知,反射峰的位置與此衰減速率無關(guān),所以反射峰的位置不隨此衰減的變化而變化,由圖2(a)和(d)知,反射峰之間的間隔不變。

      通過上面的分析我們知道,波導(dǎo)諧振腔的Fano共振是由于波導(dǎo)諧振腔的駐波模式的激發(fā)引起諧振腔共振模式的分裂,而駐波模式的位相關(guān)系固定,所以Fano共振的位置不變。

      3 位相特性分析

      此波導(dǎo)諧振腔耦合系統(tǒng)的位相關(guān)系也可以由式(9)給出:

      圖3給出了不同參數(shù)情況下相移隨頻率的變化關(guān)系。還是采用歸一化頻率2πc/L為單位,實線表示耦合系統(tǒng)的透過率,虛線部分給出了只有諧振腔,沒有波導(dǎo)諧振腔的情況。從圖中可以看出,在Fano共振處,位相有一個2π的突變,這是由于數(shù)學(xué)上反函數(shù)引起的,所以我們可以看出,有Fano共振情況下,相移的改變量為4π,與只有單個諧振腔的2π不同,所以此波導(dǎo)諧振腔的相移空間比單個諧振腔大一倍。

      由式(5)知道,在透射谷的位置,位相的變化率最快,即單位頻率改變情況下,位相的變化量更大。在每一個反射峰的位置,位相的該變量為2π,即在反射峰的上升沿和下降沿變化都是π。反射峰越窄,位相的變化率越快,如圖5(a)和(d)右邊的反射峰所示;當(dāng)反射曲線的包絡(luò)越寬,位相的變化率越慢,這是由于總的位相變化率量一定,反射峰間距越大,位相的變化率越慢,如圖5(c)所示。當(dāng)波導(dǎo)諧振腔中駐波模式的共振頻率與諧振腔的共振頻率一致時,反射峰兩側(cè)的位相變化速率一致,這是由于此時的反射譜是對稱的,如圖3(b)所示。

      圖3 波導(dǎo)諧振腔耦合系統(tǒng)位相變化的理論曲線

      通過上面的分析我們知道,波導(dǎo)諧振腔的Fano共振相移是單個諧振腔的兩倍,模式分裂,即Fano共振位置的兩側(cè)分別為2π。

      4 結(jié)論

      利用耦合模理論,建立了主波導(dǎo)-諧振腔-波導(dǎo)諧振腔耦合系統(tǒng)的光學(xué)特性模型,給出了Fano共振的物理機制和位相匹配條件,同時分析了此耦合系統(tǒng)透過率特性和位相特性與各個性能參數(shù)的關(guān)系,研究結(jié)果表明,F(xiàn)ano共振的頻率完全由位相匹配條件確定,其它參數(shù)只能改變Fano共振特性曲線的形狀,而不能改變Fano共振的頻率位置。

      [1] Fan S,Johnson S G,Joannopoulos J D,et al.Waveguidebranchesinphotoniccrystals[J].Opt.Soc. Am.B,2001,18(2):162-165.

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      [3]Johnson S G,Manolatou C,F(xiàn)an S,et al.Elimination ofcrosstalkinwaveguideintersections[J].Opt. Lett.,1998,23(23):1855-1857.

      [4]ZhouJianhong,DiXu,MuDa,etal.Improved broad bandwidth intersections in photonic crystals[J]. Opt.Comm,2012,285(1):38-40.

      [5]Fan S,Villeneuve P R,Joannopoulos J.D,et al. Channel drop tunneling through localized states[J]. Phys.Rev.Lett,1998,80(5):960-963.

      [6] Ren HL,Jiang C,Hu WS,et al.Channel drop filter in two-dimensional triangular lattice photonic crystals,[J].Opt.Soc.Am.A,2007,24(10):9-13.

      [7]Ren HL,Jiang C,Hu WS,et al,Photonic crystal channel drop filter with a wavelength-selective reflection micro-cavity[J].Opt.Expr,2006,14(6):2446-2458.

      [8] Yariv A,Xu Y,Lee R K,et al.Coupled-resonator optical waveguide:a proposal and analysis[J].Opt. Lett,1999,24(11):711-713.

      [9]Zhou Jianhong,Xu Xiping,Han Wenbo,et al.Fano resonance of nanoparticles embedded in Fabry-Perot cavities[J].Optics Express,2013,21(10):12159-12164.

      [10]Haus H A.Waves and fields in optoelectronics [M].Taibei:Central Book Company,1985.

      Transfer Matrix Method for Cascaded Cavity-waveguide Coupling System

      MENG Ying,SONG Jianlin,XIA Pengfei,MA Liang,LIU Che
      (School of Optoelectronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022)

      The optical properties of waveguide-cavity coupling system were investigated by using coupled-mode theory,where the mechanism of Fano resonance is originated from the coupling between the cavity mode and the standing wave mode in the waveguide resonator.The phase-match conditions for Fano resonance are obtained and the dependence of the transmissions and phase shifts on the functional parameters are also analyzed.

      Fano resoance;cavity;waveguide;coupled-mode theory

      O436

      A

      1672-9870(2015)06-0064-03

      2015-10-22

      孟穎(1980-),女,碩士,實驗師,E-mail:quiet_brook@aliyun.com

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