基于改進(jìn)型并聯(lián)微環(huán)的通信信道研究

徐曉瑞

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西 長(zhǎng)治 046011）

1 引言

隨著移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率要求越來(lái)越高，比如網(wǎng)絡(luò)直播、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、手機(jī)游戲等，這些海量數(shù)據(jù)傳輸需要依賴高帶寬的傳送網(wǎng)和高速率移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行，而傳統(tǒng)微電子技術(shù)很難滿足移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)高帶寬及動(dòng)態(tài)信道切換的要求。硅基光電子學(xué)結(jié)合微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[1]，把光器件集成到微電子IC芯片上，擁有極大帶寬的同時(shí)又增加了集成度。在硅基光器件中，經(jīng)常利用微環(huán)諧振器來(lái)引入反饋，產(chǎn)生延遲及諧振，提光通信器件的性能，獲得高形狀因子，低插入損耗，低阻帶串?dāng)_的高帶寬信道。在硅基光集成器件中，可以設(shè)計(jì)不同的微環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)獲得想要的通信頻譜。如果將兩根直波導(dǎo)分別放在一列微環(huán)的兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)叫做并聯(lián)微環(huán)陣列。如果并聯(lián)微環(huán)陣列中所有微環(huán)半徑按順序依次等差增大，相鄰微環(huán)諧振器間將會(huì)發(fā)生CRIT效應(yīng)。微環(huán)可以用來(lái)構(gòu)建各種重要的光通信器件，比如光調(diào)制器[2]、光開(kāi)關(guān)[3]、光傳感器[4]及密集波分復(fù)用器，如果將其應(yīng)用于5G設(shè)備，也可以有效減小機(jī)柜的體積。本文根據(jù)傳輸矩陣法推導(dǎo)了改進(jìn)型并聯(lián)微環(huán)陣列產(chǎn)生CRIT效應(yīng)的相長(zhǎng)干涉條件和相消干涉條件，并對(duì)輸出的通信信道頻譜進(jìn)行了仿真。

2 改進(jìn)型微環(huán)結(jié)構(gòu)及傳輸函數(shù)

圖1為改進(jìn)型微環(huán)陣列結(jié)構(gòu)圖。設(shè)MR1的微環(huán)半徑R1，其余微環(huán)半徑依次以ΔR遞增，R1+iΔR為最后一個(gè)微環(huán)的半徑。令第i對(duì)相鄰微環(huán)的間距為L(zhǎng)i，相鄰微環(huán)的間距都不同。如果每對(duì)相鄰微環(huán)都發(fā)生相長(zhǎng)干涉，則i對(duì)相鄰微環(huán)，在直通端最多會(huì)輸出i個(gè)CRIT通信信道。

圖1 改進(jìn)型微環(huán)陣列結(jié)構(gòu)圖

由于每個(gè)微環(huán)的半徑都不相同，其傳輸矩陣也不同。設(shè)光在微環(huán)中傳播一周的增益為Z，相鄰微環(huán)增益差為，其中，周長(zhǎng)差2πΔR引起的增益為，振幅衰減因子根據(jù)公式[5]，第i+1個(gè)微環(huán)的下載端 1iD+和直通端 1iT+頻譜強(qiáng)度為：

設(shè)加載端bi+1=0，可推出下載端D和直通端T的頻譜強(qiáng)度分別為[5]：

3 改進(jìn)型微環(huán)CRIT諧振條件

圖2是改進(jìn)型雙微環(huán)結(jié)構(gòu)圖，MR1、MR2為兩個(gè)并行排列的微環(huán)，。圖中虛線表示MR1、MR2與直波導(dǎo)構(gòu)成的較大的CRIT諧振腔。仿真參數(shù)為，R1=10μm，R2=10.005μm，ΔR=5nm，系統(tǒng)折射率1.705。這種改進(jìn)型微環(huán)陣列可以發(fā)生MR1諧振、MR2諧振、法布里-珀羅諧振以及直波導(dǎo)上的布拉格諧振。光沿著圖2中的虛線在兩個(gè)環(huán)之間的波導(dǎo)中逆時(shí)針傳播。下面利用微環(huán)諧振條件和布拉格諧振條件對(duì)CRIT諧振條件進(jìn)行推導(dǎo)[5]。

圖2 改進(jìn)型雙微環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

由于兩個(gè)微環(huán)半徑不相等，直通端頻譜是加寬的布拉格阻帶[5]。當(dāng)波長(zhǎng)時(shí)，若，可以得到，此時(shí)直通端輸出CRIT信道；若則有，此時(shí)直通端CRIT信道關(guān)閉。可以得出，為相長(zhǎng)干涉距離，為相消干涉距離。

圖3是環(huán)間距不相等時(shí)直通端頻譜圖。在波長(zhǎng)1.5 529μm處，當(dāng)LS=πR1,2時(shí)，諧振級(jí)數(shù)MB=69，MC=69，直通端輸出尖銳的CRIT信道；當(dāng)LS=1.5πR1,2時(shí)，MB=103.5，MC=69，CRIT信道被布拉格諧振抵消，直通端為平坦的阻帶。

圖3 微環(huán)間距不同時(shí)直通端頻譜圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于改進(jìn)型微環(huán)陣列，推導(dǎo)了產(chǎn)生CRIT通信信道的諧振條件。當(dāng)微環(huán)間距為相鄰微環(huán)平均半徑的π倍時(shí)，相鄰微環(huán)發(fā)生相長(zhǎng)干涉，直通端輸出C R I T通信信道；當(dāng)微環(huán)間距為相鄰微環(huán)平均半徑的1.5π倍時(shí)，相鄰微環(huán)發(fā)生相消干涉，直通端無(wú)CRIT信道輸出。利用CRIT通信信道的開(kāi)關(guān)特性，可以設(shè)計(jì)多信道密集波分復(fù)用器，提高光通信器件的集成度、靈活性和性能。