微环谐振器是滤波器、波分复用器、调制器、激光器等光电子器件的基本组成元件，特别是其结构简单、制作容易、体积小便于高密度集成的特点，使其具有广阔的应用前景。聚合物材料不仅具有优良的光电特性，而且成本低廉、制作工艺简单，是当前制作集成光电子器件的理想材料。 本文的研究目的在于：首先从理论上阐述微环谐振滤波器(MRRF)和微环谐振波分复用器(MRRWM)两种微环谐振器(MRR)的工作原理，然后在硅基聚合物 MRRF 和 MRRWM 结构优化设计的基础上，根据数值模拟结果对其光学特性进行详细地分析讨论，从而为垂直耦合型结构 1×8 信道聚合物MRRWM 的实验室制备提供相关的设计数据和必要的理论依据。 本论文主要包括两个方面的内容： 一、微环谐振器设计原理的理论分析 在对矩形波导中模式传输特性进行了解的基础上，根据波导的模式耦合理论，对弯曲矩形波导的耦合进行了详细地分析，并利用传输矩阵方法得出弯曲波导的振幅耦合方程，为阐述MRR的设计原理提供了充分的理论依据。然后利用振幅耦合方程，推导出单环谐振器的光强传递函数，进而得出微环谐振方程，该方程是阐述MRR设计原理的直接依据。通过MRR设计原理的阐述，指出微环谐振级数m的选取是确定MRR中微环半径和自由光谱区等其它相关结构参量的关键步骤。 二、微环谐振波分复用器的优化设计与特性分析 为充分了解MRR特别是MRRWM的传输特性，本文先对侧向耦合单环MRRF 进行了优化设计，并对其传输特性进行了数值模拟。计算结果表明，不同参数的选择对MRRF的滤波性能有重要的影响。比如，微环谐振级数m决 定了微环半径R和自由光谱区FSR的大小，微环波导与信道波导间的耦合间距d决 定了振幅耦合比率?与振幅透射比率t的大小，进而影响到该滤波器 1<WP=146>摘 要工作波长处的耦合效率与谐振峰的3dB带宽。 与侧向耦合结构的单环MRRF相比，MRRWM结构和功能的特殊性，决定了其结构设计的复杂性： MRRWM 的基本分波单元是垂直耦合结构的单环MRRF，这使其在波导材料的选取上、耦合层厚度的控制上更有优势，但同时也增加了优化设计的难度；MRRWM的主要功能在于分波与合波，这对其结构设计的优化程度提出了更高的要求。 在MRRWM的优化设计部分，本文首先从微环波导和信道波导包层与芯层折射率的选择上入手，进而根据单模传输的具体要求对波导芯的尺寸进行了优化，既保证了微环波导和信道波导中同一类主模的有效折射率分别相等（E’00与E00、E’00与E00） 又保证了同一波导中不同类主模的有效折射率分 x x y y ，别相等（E’00与E’00、E00与E00） 这就在理论设计上消除了由模式双折射效 x y x y ，应而引起的波长漂移。然后通过对微环谐振级数m与微环半径Ri、自由光谱区FSR及一个自由光谱区中所能容纳的最大输出信道数Nmax的关系、谐振级数差?m与相邻微环谐振半径差?R的关系的分析，阐述了微环谐振级数m与谐振级数差?m是决 定MRRWM器件能否在实验上实现其波分复用功能的关键因素。最后为确定耦合层厚度d的选择范围，分析了?与d的关系。 需要强调的是，MRRWM的设计优化对其波分复用功能的实现起着决 定性作用。如果相关参数选择不合理，不仅给器件的制作会造成困难，也难以实现理想的分波功能。 在MRRWM的光学特性分析部分，通过所推导出的描述其传输特性的光强传递函数表达式，主要从微环的弯曲损耗和高衬底的泄漏损耗、输出光谱、偏振相关性、器件的插入损耗、输出信道间的串扰等几个方面作了分析，并讨论了工艺制作公差如折射率变化、不同振幅耦合比率、微环半径的改变对其分波功能的影响。模拟结果表明，由于采用了比较合理的优化结果，MRRWM 理想地实现了其基本分波功能，具有优良的传输性能，显示出插入损耗低、信道间串扰小、偏振不灵敏和背景光强度低的优点，以及分波单元的品质因子高、谐振波长锐度因子较好、谐振峰附近的传输光谱呈洛仑兹曲线形状的特点。而不适当的参数选择，会对其传输特性造成直接的不良影响。 在本文的结论部分，我们初步探讨了MRRWM器件的改进方法：通过方形微环结构扩大微环波导与信道波导间的耦合层厚度；利用串联结构提高MRRWM 的带宽平坦度，并通过自由光谱区的增大实现增加其输出信道数的目的。 2<WP=147>吉林大学博士学位论文 以上对 MRRWM 器件的理论分析和优化设计方法对该器件的实验室制备具有重要的指导意义。本文得出以下几个主要结论： 1、微环谐振方程是设计 MRRWM 器件的直接理论依据，而该方程则可以通过耦合模原理推导出的传输矩阵方法得到。 2、MRRWM 器件基本功能的实现取决 于相关参数的合理优化。在MRRWM 器件的优化设计过程中，非常关键的两个因素是目标工作波长的微环谐振级数和相邻分波单元的谐振级数差。这两个因素不仅决 定了其分波性能的优劣，而且对器件制作的难易程度有着直接的影响。特别是谐振级数差的选择，更要有一定