图3-1环形波导谐振腔示意图
3.2 基于SOI的环形谐振腔
如图 3-2 为绝缘体上的硅结构（SOI）的横截面示意图。该结构为三层夹心结构，最底层和最顶层均为硅（折射率为 2.45），中间层为二氧化硅（折射率为 1.45）。用来制作硅基微环的绝缘体上的硅结构最上方为~250 纳米厚的单晶硅，中间是~3 微米厚的二氧化硅缓冲层，最下面是~525 微米厚的硅衬底。由于器件层与中间层和空气（折射率为 1.0）的折射率差比较大，所以器件可以做到纳米尺度时实现单模条件下。
图3-2 SOI结构图
硅基环形谐振腔是在以 SOI 为基底材料，在其上刻蚀出半径在纳米尺寸的环（见图 3-3）。底部为直波导，如果左侧为光的输入端口，则光在与环接近的部位通过空气间隙直接耦合进入波导环，波长满足谐振条件的光波在环内产生谐振，并在环内循环往复的传播，而没有产生谐振的光则又通过空气间隙耦合进入直波导。
图3-3硅基环形谐振腔
这样通过观察直波导的输出与输入光之比的能量谱就可以得到环形谐振腔的光谱（如图3-4）。基于 SOI 的微纳米环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范围，具有超高集成度，并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体 COMS 兼容，使其正在成为光器件诱人方案。传统上，一个硅的直波导和环组成基于绝缘体上的硅波导纳米环形谐振腔。它在光学滤波、光开关、和生物分子检测等方面都有比较诱人的应用前景。而这些应用中都需要该器件的光传输谱线有比较深的谐振凹陷。然而对于一个波导一个环的结构，传输光谱要得到此目的并不容易。临界耦合状态，即环形谐振腔的本征损耗和耦合损耗相等，可以得到最深的谐振凹陷，这时谐振频率处功率为零。在实际的器件制造过程中，为了达到这个目的，必须要细心的调节直波导、环及它们之间的空气间隙的宽度。
图3-4环形谐振腔的传输谱
4. 微谐振腔在集成光学陀螺上的应用
陀螺仪的种类很多，包括机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的等等。 各种陀螺仪都具有自身的优点，有自己的使用领域。随着低损耗光纤的出现及不断完善，1976年美国utah大学的vall和 R.w.shorthiu首次提出了光纤陀螺的概
念[6]，它标志着基于sagnac效应的第二代光学陀螺的诞生。基于Sagnac效应的光学陀螺仪，根据Sagnac敏感环的结构及其工作方式可以分为:干涉式、谐振式和布里渊型。干涉仪式光学陀螺(Interferometic Optic Gyro,IOG)按照光路的组成又可以分为:消偏型、全光纤型和集成光学型。谐振腔式光学陀螺(Resonator Optic Gyro,ROG)按照光路的组成又可以分为:全光纤型(Resonator Fiber Optic Gyro,R-FOG)和集成光学型(Resonator Integrated Optic Gyro,R-IOG)。其中，干涉型光纤陀螺技术己经完全成熟, 进入工程实用化阶段，广泛应用于民航、船舶和战术导弹中;谐振式光纤陀螺目前正从实验室走向实用化。
所有光学陀螺，无论是有源或无源，干涉式或谐振式，都是基于Sagnac效应。Sagnac效应[7]是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波经历的相位或者光程将由于该闭合环路相对于惯性空间的旋转而产生不同，其相位差或者光程差的大小与闭合环路的转动速率成正比。
谐振式集成光学陀螺利用光在环形谐振腔内多次传输进一步增强Sagnac效 应。当环形谐振腔绕中心轴旋转时，Sagnac效应使谐振腔内顺、逆时针两光束的谐振频率产生一个频差，此频差正比于陀螺系统的旋转角速率，所以通过检测两路光的谐振频率差就可以获得载体旋转角速度。
如图4-1所示为我们课题组燕路设计的集成光波导结构[8]，首先由光泵浦信号光通过3dB耦合器分为两束光进入导大环波导沿相反的方向传播，同时在大环波导里又与小环相耦合，最后由集成光探测器测出两束光的频率差，从而确定载体旋转角速度。这种大环耦合小环的波导结构可以大大提高陀螺的灵敏度。
图4-1集成光波导陀螺系统结构示意图
5. 结论
本文首先介绍了光学全反射原理和光波导的结构，这是研究谐振腔的最基本的理论知识，随后说明了谐振腔的基本原理和基于SOI的微环谐振腔，指出在光学滤波、光开关、和生物分子检测等方面都有比较诱人的应用前景。而这些应用中都需要该器件的光传输谱线有比较深的谐振凹陷。而临界耦合状态可以得到最深的谐振凹陷。在实际的器件制造过程中，为了达到这个目的，必须要细心的调节直波导、环及它们之间的空气间隙的宽度。最后指出微环谐振腔在集成光学陀螺上有着重要的应用。 参考文献：
[1] T. H. Maiman, “Stimulated optical radiation in ruby,” Nature, vol. 187, pp. 493-494, 1960.
[2] C. K. Gao, and G. A. Hockham, “Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequency,” in Proc. IEE, vol. 133, pp. 1151-1158, 1966.
[3] B. Jalali and S. Fathpour, “Silicon photonics,” J. Lightw. Technol., vol. 24, pp. 4600–4615, 2006.
[4] F. Xia, L. Sekaric, and Y. Vlasov, \Nature 1, 65(2007).
[5]MareatiliE.A.J.BendsinoPticaldielectrieguides.BellSyst.Techn.J.1969，48:2103一2132
[6]ValiV.R.W.Shorthill.Fiberringinterferomcter.APPliedOPties，1976，15:1099一1100 [7]WalterR.Leeb,GethardSehiffner,EduardScheitere.OPtiealfibergyroseoPes:Sagnac or FIZean effeet.Applied Opties，1989，18(9):1293一1295
[8] Yan, L., Xiao, Z., Guo, X. and Huang, A., “Circle-coupled resonator waveguide with enhanced Sagnac phasesensitivity for rotation sensing,” Appl. Phys. Lett., 95, 141104 (2009)
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