基于连续态束缚态的超低损耗波导在集成光学陀螺仪中的应用

逍遥设计自动化

引言
8 s/ m2 B+ p9 _1 V' J( \" K微型化光学陀螺仪的研发已经成为集成光子技术研究的重要领域。传统的环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪虽然具有较高的精度，但体积大、功耗高等特点限制了在便携式器件中的应用。本文探讨了利用连续态束缚态（BIC）创建超低损耗波导用于集成光学陀螺仪的创新方法[1]。

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# z9 w0 R+ V( r6 m9 @( J- x1 ~基本原理与设计概念
# d2 N8 P* L- A2 u) w( a4 K核心概念围绕着BIC展开，BIC是一种独特的物理现象，光学模式可以与自由空间中的辐射模式共存而不发生耦合。让我们来观察这个系统的基本结构。
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图1：(a) 支持BIC模式的阿基米德螺旋波导结构的三维示意图，(b) 设计的螺旋波导结构的横截面，以及(c) 基于BIC结构的干涉型集成光学陀螺仪的示意图。

波导由三个主要层组成：低折射率聚合物波导、高折射率硅（Si）层和二氧化硅（SiO2）衬底。该结构无需刻蚀高折射率材料，解决了集成光学中长期存在的难题。
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BIC机制解析
5 G8 y7 T/ |* K. t) }& gBIC机制通过不同光学模式之间的复杂相互作用运行。
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图2：(a) 支持BIC模式的混合波导结构的横截面，显示了TM束缚模式到TE连续谱的辐射通道，以及(b) 混合波导结构的光子势分布。

/ \7 [, X$ A! v8 F. P通过TM束缚模式和TE连续模式之间的耦合可以理解该机制。当左向和右向的损耗发生破坏性干涉并相互抵消时，就能实现无损耗的TM束缚模式——理想的BIC状态。
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电场分布与模式分析
! U0 K9 B7 ]1 c/ C$ a电场分布揭示了BIC波导工作的关键特性。
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图3：(a) TM束缚模式和(b) TE连续模式的电场|E|分布，显示了不同的限制特性。
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$ Q+ B, W! _" I* d+ {TM束缚模式在聚合物波导下方的高折射率衬底中表现出强限制性，而TE连续模式在衬底中表现出场的扩展。
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, k( m# Z7 i2 l性能特征
: F/ ~2 i9 ?5 P% y8 A% w$ zBIC波导的性能较传统设计有显著提升。
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图4：(a) 直波导结构示意图，(b) 不同波长下传播损耗随波导宽度的变化，(c) 1.55μm波长下的传播损耗曲线，以及(d) 品质因数随波导宽度的变化函数。

3 u9 M8 j$ E! L模拟结果表明传播损耗达到4.232×10-6 dB/cm，品质因数达到1011，远优于传统波导平台。

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, J7 X  u+ b- V6 z, ~陀螺仪应用的螺旋波导设计
实际应用采用阿基米德螺旋设计以实现最佳性能。

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/ S* |, \+ P6 u6 q) |# |1 S* {图5：(a) 设计用作无源敏感陀螺仪的阿基米德螺旋结构以及(b) 相邻波导结构之间的参数设置说明。

7 l! }0 N  Q0 `2 ]- ^5 V4 x1 e' K螺旋结构在给定面积内实现最大包围面积和长度，优化了陀螺仪的灵敏度。设计充分考虑了相邻波导间的间距，在保持紧凑尺寸的同时最小化串扰。
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性能分析与比较优势
基于BIC的陀螺仪设计展现出优越的性能指标。灵敏度可达0.6699°/s，传播损耗比传统集成波导低数个数量级。这些进展促进了高灵敏度、微型化光学陀螺仪的发展。
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结论
将BIC原理应用于波导设计是光学陀螺仪技术发展的重要进展。通过实现超低损耗和高品质因数，且无需复杂的刻蚀工艺，这种方法为实用、高性能集成光学陀螺仪提供了新的技术方案。

参考文献
) t# |; K' V3 O% m" ^[1] Z. Yuan, J. Chen, D. Chen, S. Zhu, J. Yang and Z. Zhang, "An Ultra-Low-Loss Waveguide Based on BIC Used for an On-Chip Integrated Optical Gyroscope," Photonics, vol. 10, no. 4, p. 453, Apr. 2023, doi: 10.3390/photonics10040453
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