諧振腔

諧振腔，是用以使高頻電磁場在其內持續振盪的金屬空腔。由於電磁場完全集中於腔內，沒有輻射損耗，故具有較高的品質因數。諧振腔的形式很多，最常見的是矩形諧振腔和園柱形諧振腔。在諧振腔內，電磁場可以在一系列頻率下進行振盪，其頻率大小與諧振腔的形狀、幾何尺寸及諧振的波型有關。

基本介紹

• 中文名：諧振腔
• 外文名：Resonant Tank
• 學科：通信、電子科學
• 類型：矩形諧振腔、園柱形諧振腔
• 套用：測量微波波長
• 別名：共振腔

定義

諧振腔，也叫共振腔。微波波段中用作諧振電路的金屬空腔。品質因數很高，可達數千或數萬。是磁控管和速調管等微波電子管中主要的組成部分。有空心金屬和同軸腔兩種。前者有矩形、圓柱形、環形等。諧振腔的品質因數很高，可達幾千或幾萬。在微波測量中可用於測量波長。

諧振腔是在微波頻率下工作的諧振元件，它是一個任意形狀的由導電壁（或導磁壁）包圍的，並能在其中形成電磁振盪的介質區域，它具有儲存電磁能及選擇一定頻率信號的特性。和低頻LC振盪迴路相似，它在微波技術中有廣泛的套用。如在各種微波振盪器中用它作為能量交換和選頻元件，在微波倍頻和放大器中用作選頻元件，微波諧振腔還可直接構成微波波長計，微波濾波器用於微波測量和微波通訊中。高Q諧振腔在雷達設備中用作回波箱，用以檢測雷達發射和接收系統的性能等。

光學諧振腔

光學諧振腔是光波在其中來回反射從而提供光能反饋的空腔，是雷射器的必要組成部分。通常由兩塊與工作介質軸線垂直的平面或凹球面反射鏡構成。工作介質實現了粒子數反轉後就能產生光放大。諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。凡不沿諧振腔軸線運動的光子均很快逸出腔外，與工作介質不再接觸。沿軸線運動的光子將在腔內繼續前進，並經兩反射鏡的反射不斷往返運行產生振盪，運行時不斷與受激粒子相遇而產生受激輻射，沿軸線運行的光子將不斷增殖，在腔內形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束，這就是雷射。為把雷射引出腔外，可把一面反射鏡做成部分透射的，透射部分成為可利用的雷射，反射部分留在腔內繼續增殖光子。光學諧振腔的作用有：①提供反饋能量；②選擇光波的方向和頻率。諧振腔內可能存在的頻率和方向稱為本徵模，按頻率區分的稱縱模，按方向區分的稱橫模。兩反射鏡的曲率半徑和間距（腔長）決定了諧振腔對本徵模的限制情況。不同類型的諧振腔有不同的模式結構和限模特性。

光學諧振腔由兩個或兩個以上光學反射鏡面組成、能提供光學正反饋作用的光學裝置。兩個反射鏡可以是平面鏡或球面鏡，置於雷射工作物質兩端。兩塊反射鏡之間的距離為腔長。其中一個鏡面反射率接近100%，稱為全反鏡；另一個鏡面反射率稍低些，雷射由此鏡輸出，故稱輸出鏡。兩者有時也分別稱為高反鏡和低反鏡。

按組成諧振腔的兩塊反射鏡的形狀以及它們的相對位置，可將光學諧振腔區分為：平行平面腔，平凹腔，對稱凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面鏡的焦點正好落在平面鏡上，則稱為半共焦腔；如果凹面鏡的球心落在平面鏡上，便構成半共心腔。對稱凹面腔中兩塊反射球面鏡的曲率半徑相同。如果反射鏡焦點都位於腔的中點，便稱為對稱共焦腔。如果兩球面鏡的球心在腔的中心，稱為共心腔。如果光束在腔內傳播任意長時間而不會逸出腔外，則稱該腔為穩定腔，否則稱為不穩定腔。上述列舉的諧振腔都屬穩定腔。用兩塊凸面鏡組成的諧振腔為不穩定腔。平凹腔中如腔長太長，使凹球面的球心落在腔內，則腔中除沿光軸的光線外，其它方向光束經多次反射後必然會逸出腔外，故也為不穩定腔。對稱凹面腔中，如腔長太長，使兩球面球心分別落在腔中心點靠近自身一側，也是一種不穩定腔。光學諧振腔中任一束傍軸光束離光軸的距離，如果在它來回反射過程中不會無限增加，則這種腔必定是穩定腔。

諧振腔中包含了能實現粒子數反轉的雷射工作物質。它們受到激勵後，許多原子將躍遷到激發態。但經過激發態壽命時間後又自發躍遷到低能態，放出光子。其中，偏離軸向的光子會很快逸出腔外。只有沿著軸向運動的光子會在諧振腔的兩端反射鏡之間來回運動而不逸出腔外。這些光子成為引起受激發射的外界光場。促使已實現粒子數反轉的工作物質產生同樣頻率、同樣方向、同樣偏振狀態和同樣相位的受激輻射。這種過程在諧振腔軸線方向重複出現，從而使軸向行進的光子數不斷增加，最後從部分反射鏡中輸出。所以，諧振腔是一種正反饋系統或諧振系統。

振腔的激勵和耦合

微波諧振腔必須與外電路相連線作為微波系統的一個部件才能工作，即它必須由外電路引進微波信號在腔中激勵起所需模式的電磁振盪；腔中的振盪必須通過電磁耦合才能將腔內的部分能量輸送到外界負載上去。由於微波元件大多數都具有互逆性，諧振腔的激勵和耦合結構及工作特性是完全一樣的，即一個元件用作激勵或耦合時其特性相同。兩者的差別只是波的傳播方向相反而已。對諧振腔的激勵(或耦合)元件的基本要求，是它必須保證能在腔中激勵起所需的振盪模式，而又能避免其他干擾模式的產生。諧振腔中某一振盪模式的建立，是通過激勵元件首先在腔中某一局部區域激勵起與所需模式相一致的電場或磁場分量，然後在由這一電場或磁場在整個腔中激勵起所需的振盪。根據激勵方式的不同；一般分為電耦合、磁耦合、繞射耦合和電子耦合四種。下面分別對它們作簡單的定性的介紹。

電耦合（探針耦合）

它是利用插入諧振腔壁孔的一個探針來實現的，即通過電場的作用來實現耦合，因此稱為電耦合。為激勵起腔中所需的振盪模式，要求探針軸線方向和腔中所需要模式在該處的電力線方向一致。探針耦合常用於同軸傳輸線與諧振腔的耦合。這時探針即由同軸線內導體延伸至腔內所構成。

磁耦合

磁耦合是利用通過諧振腔壁的小孔而引入的耦合環實現的，因此也稱為環耦合。耦合環是通過磁場耦合以激勵腔中所需的振盪模式，因此耦合環平面的法線，應與腔中磁力線平行，或者說，腔中振盪模式的磁力線應穿過耦合環，才能實現所需的模式。耦合環也常用用於同軸線與諧振腔的耦合，它由同軸的內導體在腔中延伸並彎曲成環狀，且的末端與腔壁要有良好的接觸，以保證高頻電流有閉合迴路。

繞射耦合（小孔耦合）

波導與諧振腔的耦合通常是採用小孔耦合方式，它是利用諧振腔與波導的公共壁上開小孔或槽孔來實現的，又稱小孔耦合。耦合孔位置的選擇，應使孔所在處腔中所需模式的電力線或磁力線（或者兩者兼而有之）與波導中傳輸波型在該處的同類力線相一致。因為這種耦合是利用電磁波的繞射特性來實現的，所以稱為繞射耦合。採用孔耦合時，耦合的強弱和耦合孔的大小、形狀及孔的位置有關。而孔的形狀通常有小圓孔、橢圓孔等。

電子耦合

在微波電子管中，諧振腔中的電磁振盪是由管內的電子束激勵的，稱為電子耦合。在這種情況下，電子束先由直流高壓加速，隨後讓它通過諧振腔中電場集中的間隙，使它在腔壁上產生高頻感應電流並在腔中激發高頻場，當高頻場的相位能保證電子束通過間隙時為減束場，則電子束就把部分動能交給腔中的高頻場，從而使腔中的振盪增強，如此不斷地交換，便在腔中激勵起穩定的電磁振盪，從而實現了由直流電能向高頻能量的轉換。

套用

光通信技術

光通信技術的發展需要光學器件實現微型化、集成化和多功能化。環形諧振腔可實現微納級別的尺寸，完全滿足了微型可集成的要求。而它自身具備的高品質因子、高精細度等優點又使其可以套用在多種功能器件中。因此，環形諧振腔是光通信領域的關鍵器件，在濾波器、光延時器和光調製器等方面都承擔了重要的角色。

濾波器

環形諧振腔利用多光束干涉原理，使滿足相位匹配條件的波長信號在環內形成諧振狀態，表現在透 射譜線上就是某些頻率的光信號被濾掉。因此濾波器是環形諧振腔的最主要的套用之一。為了實現不同的濾波功能，可以從兩個方面對環形諧振腔進行改進，一是改變結構參數，二是採用新結構。結構參數主要包括諧振腔的耦合比，諧振腔長度等，通過對這些參數的調整可以實現寬頻、窄帶等濾波功能。2009 年，東南大學的ZHANG等提出了帶有可調諧耦合器的環形諧振腔結構。 通過選擇合理的調諧方式和結構，諧振頻率漂移被最大程度地抑制，這對於頻寬可調諧濾波器具有重要意義。除了改變結構參數，新結構的研究也獲得了人們的關注。最早在 2004 年，馬里蘭大學帕克分校的LITTLE等就發現將多個環級聯後得到的新型環形諧振腔濾波器具有顯著的帶通濾波效果。他們通過多環級聯得到了平坦的通帶和較好的帶外抑制，在波分復用技術領域具有極大的潛力。2014 年，香港中文大學的 XU 等基於矽基耦合環形諧振腔光波導結構提出了一種集成光學 Nyquist濾波器，對於實現單片集成有重要的意義。

光調製器

光調製器是最重要的集成光學器件之一，在光通信領域發揮著重要作用。光調製器主要利用熱光、電光或者聲光效應來 實現。以電光調製器為例，它是利用外加電壓改變傳輸介質的折射率，使得傳輸光的相位、振幅等發生變化，從而達到調製的目的。環形諧振腔製作光調製器的好處在於環的多光束干涉可以使得調製信號被不斷放大增強，因此僅需 要很小的物理尺寸就可以達到很好的調製效果。2005 年，康奈爾大學的課題小組利用矽基成功製作出直徑僅為12 μm 的環形電光調製器，相比較之前展示的同類型電光調製器縮小了3個數量級，該工作也被《Nature》報導。 除了尺寸的不斷縮小以外，環形調製器在結構上也不斷有創新。前文介紹的環形輔助馬赫-增德爾干涉儀和集成非對稱馬赫-增德爾干涉儀結構都可以套用於光調製器中。新穎的結構帶來的高速、低功耗、大頻寬等特點都是電光調製領域迫切需要解決的問題。環形諧振腔及其衍生的新結構為解決這些問題提供了新的思路。

納米集成光學晶片

隨著納米加工和納米材料製備技術的發展，納米集成光學晶片的研究逐漸成為納米科學領域的熱點，其中表面等離子激元波導與器件是最具吸引力的代表。表面等離子激元是入射光與金屬表面自由電子相互作用而形成的混合電磁模式。利用表面等離子激元效應可以實現光的亞波長傳輸，達到突破衍射極限；具有顯著的光局域和光散射特性，提高光與物質之間的相互作用效果；實現高光密度傳輸。因此表面等離子激元受到了世界範圍內的關注，並且在光學 成像和感測、光信息存儲、非線性光學等眾多領域都顯示了巨大的潛力。表面等離子激元諧振腔利用光學諧振效應，可進一步增強光的局域效果，將表面等離子激元信號的光強密度提高几個數量級，已逐漸成為等離子激元學領域的研究焦點。2010年，東南大學ZHANG等提出一種深度亞波長等離子激元光學諧振腔，其對光信號束縛能力遠高於一般的等離子激元波導，輻射損耗極低。諧振腔直徑僅為1 µm，甚至小於入射光波長。這種等離子激元諧振腔器件僅為傳統矽基光波導諧振腔面積的1%，有望極大提高集成光學晶片的集成度。2012 年，美國哈佛大學RUSSELL 等報導了基於銀納米線微腔的單光子源實驗進展，利用等離子激元顯著的光局域效應，將量子光源的自發輻射率提高了1000倍以上。