基于异质材料微纳光纤耦合结构的环形谐振器及其应用研究

Coupled-waveguide structures based micro/nano-photonic devices are important devices in modern photonics, among them microring resonators have important applications in many areas for their unique propagation properties, including dispersion compensation. Currently, microring resonators are mainly based on symmetric coupled structures composed of the same material, and in previous work asymmetric coupled waveguides are mainly from asymmetric sizes of coupled waveguides. This project proposes heterogeneous coupled structures based microring resonators，and we can fabricate the novel ring resonators using optical micro/nanofibers.Compared to the conventional symmetric coupled microring resonator, this novel resonator could provide large enhancement of dispersion for its special coupling mechanism. Properties of this novel microring resonator are strikingly different from them of conventional microring resonator, thereby increasing the advantages of microring resonators in dispersion compensation applications.

基于耦合波导结构的微纳光子器件是现代光子学中的重要器件，其中微环谐振器因其独特的传输特性在众多领域都有重要的应用，包括应用于色散补偿。目前微环谐振器主要是基于同质材料的对称耦合结构，已报道的基于非对称耦合结构的微环谐振器也主要是同质材料耦合波导的几何尺寸非对称。本项目提出了基于异质材料耦合结构的微环谐振器，并利用微纳光纤技术来制备这种新型的环形谐振器。与现有的基于同质材料、特别是对称耦合结构的微环谐振器相比，本项目提出的基于异质材料耦合结构的微环谐振器因其耦合区的特殊耦合机制，在传输特性上有较大不同，可以实现较大的色散增强，从而拓展了微环谐振器在色散补偿领域的应用前景。

本项目理论和实验研究了非对称耦合结构和基于微纳光纤耦合的光学微谐振腔传输特性及其应用。研究了非对称微纳光纤耦合结构的传输特性，实现了300 nm范围内单陷窄带且消光比超过30 dB，另外-20 dB带宽达0.88 nm的紧凑在线滤波器。研究了一般非对称耦合结构的色散特性，基于耦合模理论得到了双超模同时激发时的色散解析表达式，结果表明可产生的群速度色散最大值可达10的9次方ps/nm∙km量级,包括正常色散和反常色散，群折射率最大值可达10的3次方量级，且适用带宽明显大于10 GHz，该结构在色散补偿和慢光传输中有很好的应用前景。研究了基于微纳光纤耦合的光流环形谐振腔在全光调控、可调偏振分束器和多维调谐中的应用，首次实现了光流环形谐振腔的全光调谐，其与磁流体结合的调谐灵敏度达0.15 nm/mW，调谐范围达3.3 nm，泵浦功率低于130 μW；可调偏振分束器的调谐范围最大达7.02 nm，偏振分束比最高超过30 dB；利用光流环形谐振腔的三个维度实现了透射谱消光比和谐振波长的有效调谐，调谐范围分别为17 dB、3.06 nm和5.22 nm。研究了基于微纳光纤耦合的微球谐振腔在全光调控和兆赫兹带宽微波光子滤波中的应用，其与氧化铁纳米颗粒结合的调谐灵敏度达0.2 nm/mW，调谐范围超过13 nm；基于微球谐振腔的微波滤波器带宽为2.2 MHz，消光比超过30 dB，中心频率调谐范围超过15 GHz。研究了基于非对称集成波导耦合结构的光学非互易传输，基于非对称光力耦合结构的10 dB非互易带宽可达13.1 nm，非互易隔离度最大值超过55 dB，工作功率低至390 μW，该工作获得了审稿人的高度评价，并得到了本领域重要学者的引用；基于非对称狭缝波导耦合结构的10 dB非互易带宽可达66 nm，是已报道集成无源非互易方案中的最大值，且适用于脉宽为200飞秒的超快脉冲。项目组完成了相应研究内容和研究目标，并将非对称耦合拓展了到了集成波导结构，为后续进一步的研究工作奠定了基础。