CN1361875A - 椭圆形谐振器装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种椭圆形谐振器装置(10),包括一椭圆形谐振器(20),该椭圆形谐振器具有用于从外部光源耦合信号的直线部分。椭圆形谐振器(20)的直线部分使耦合信号的相位失配最小。椭圆形谐振器装置(10)可以用在多种装置中,包括信道去除滤波器、开关、可调谐滤波器,调相器和1×N多路复用器/解复用器。
Description
发明领域
本发明涉及纳米光子装置,更特别地,涉及一种光谐振器装置。
发明背景
在现有技术中已知存在包括圆形谐振器在内的光学椭圆谐振器。例如,题为“半导体微谐振器装置”、于1999年7月20日授予本发明人的美国专利No.5,926,496中披露了一种具有圆盘形状、环孔形状,或部分地保留圆形直径轮廓的变形盘形或环形的微谐振器装置。虽然该装置在与谐振器发生谐振的光信号的光传送方面非常有效,但是使用椭圆谐振器导致与相邻输入/输出波导中传输的光的相位失配。尤其是,参照从美国专利No.5,926,496的图8得到的图1。如图所示,在波导1050中传播的、与谐振器1052谐振的光,在波导1050的光程长度ΔS2上与谐振器1052的光程长度ΔS1相耦合。在弧度角θ上,由于光程长度差(ΔS2-ΔS1)被耦合的光可能会异相。美国专利No.5,926,496涉及到将相位失配限制在小于π/2。为了达到这个目的,指出耦合长度不能超过谐振器周长的大约1/10th。正如已经知道的,在非圆形的椭圆谐振器中存在相同的相位失配问题,其中直线波导存在于椭圆谐振器装置中。
另外,对于椭圆谐振器装置间隙尺寸(谐振器与输入/输出波导之间的距离)通常非常小。小尺寸确保获得可接受的耦合效率(从输入耦合到谐振器与从谐振器耦合到输出的光能的百分比)。例如,如图1A所示,图1A来自美国专利No.5,926,496,披露了在谐振器1052与直线波导1050B之间0.1μm的示例性间隙宽度gw。由于谐振器与耦合的直线波导之间的短相互作用距离,耦合长度相当短。正如已经知道的,当使用圆形谐振器时相互作用距离保持最小。
从而,在本领域中存在对克服上述现有技术的缺点的光学装置的需要。
发明概述
通过包括一椭圆形谐振器,一输入波导和一输出波导的光学谐振器来实现上述目的。椭圆形谐振器用于将信号从输入波导传送到输出波导。如此处所使用的,术语“椭圆形”指具有两个弧形边和在两个弧形边之间延伸的两个直线边的连续形状。最好是椭圆形谐振器的直线边基本平行。
输入波导和输出波导中的每一个都分别具有一个输入端,一个输出端和一分别与椭圆形谐振器的直线边分隔开的部分,在隔开的部分与椭圆形的直线边之间限定间隙。如下面所表述的,该装置可用于多种应用中。
本发明的椭圆形谐振器克服了现有技术中存在的相位失配问题。尤其是,输入和输出波导最好具有与谐振器的直线边基本平行对准的部分,以便在波导与谐振器之间限定一个细长的且宽度恒定的输入与输出间隙。细长且恒定宽度的各个间隙限定了一个较长耦合长度,信号可以在该耦合长度上进行耦合。(耦合长度是发生耦合的光程的长度)。在现有技术椭圆形谐振器装置中,如前面所讨论的圆形谐振器,由于光程长度的差别难以确定耦合长度。对于椭圆形谐振器的直线边,在输入和输出波导中限定了与谐振器中相同长度的光程。结果,不仅更清楚地限定了耦合长度,而且增加了谐振器装置的效力。
椭圆形谐振器最好处于下面的尺寸参数范围之内:谐振器与输入波导和输出波导之间的间隙分别具有小于0.5μm的宽度;最好在谐振器中限定输入波导和输出波导具有小于1.0μm的宽度;最好使用小于10.0μm的耦合长度;并且波导芯与椭圆形谐振器的折射率与间隙中介质的折射率的比值最好大于1.5。
具有该特定参数的椭圆形谐振器最好工作在大约0.01-0.1的耦合系数下。耦合系数是在谐振器与相邻波导之间传送的信号光能的百分比的十进制表示。在输入波导中其波长与谐振器谐振的信号部分穿过谐振器到达输出波导,而输入波导中与谐振器失谐的信号部分绕过谐振器,并从输入波导发射。因此,椭圆谐振器起波长滤波器的作用,将谐振波长从剩余信号中分离出来。当谐振器的往返行程等于波导介质中光波长的整数倍时满足谐振条件。
耦合系数依赖于多种因素,包括间隙宽度、耦合长度、波导宽度、折射率、被传输光的偏振态和光波长。对于本发明,可以使间隙宽度大于现有技术中圆形谐振器的间隙宽度,使用更长的耦合长度以获得与圆形谐振器装置相同的耦合系数。间隙宽度的增加导致耦合系数的减小,而耦合长度的增加导致耦合系数的增加。对于本发明,通过增加耦合长度获得耦合系数的增加,该耦合系数的增加至少与间隙宽度增加所导致的耦合系数的减小量相当。最终结果是制造出易于制造的谐振器设备,因为与现有技术相比具有更大的间隙宽度,而不损失任何性能。另外,在谐振器装置中可以很容易地改变耦合长度,由于可以按需要增加边部分的长度以便获得所需的耦合系数,而不需要改变弧形端。用这种方法,具有基本上(与直线部分中所测量的)相同总宽度的椭圆形谐振器可以工作于不同耦合系数下。相反,现有技术中包括圆形谐振器在内的椭圆形谐振器,需要改变曲率,间隙宽度等以获得耦合系数的改变—这是难于实现的。
最好由一单个的、不间断波导元件来限定椭圆形谐振器,所形成的波导元件定义为椭圆形状。最好是椭圆形谐振器具有对称性。特别地,最好是同样地或基本同样地形成输入波导,输出波导和谐振器的波导元件(材料;尺寸),以便能够有效地传输光信号。波导和波导元件可以是光子线波导(photonic wire waveguide),如美国专利No.5,878,070中所披露的,或者为光子阱波导(photonic wellwaveguide),如美国专利No.5,790,583中所披露的。最好是本发明中使用光子阱波导。如果使用光子线波导,除了相同宽度以外,最好使用芯具有相同高度的波导和波导元件,以便能够有效地传输光信号。另外,最好是芯子的高度和宽度尺寸等于美国专利No.5,790,583和5,878,070中所披露的尺寸,这两篇专利在此共同引做参考。
椭圆形谐振器可以用于形成多种装置,包括但不限于信道去除滤波器,开关,可调谐滤波器,调相器和1×N多路复用器/解复用器。另外,可以将多个椭圆形谐振器设置成一个阵列,或者平行或者串联,来控制输出信号的频谱。
从而本发明包括结构特征,元件的组合和各部分的设置,将在此处所披露的内容中举例说明,本发明的范围表示在权利要求中。
附图的简要说明
在附图中,没有按比例绘制,仅仅是示意性的,其中在多个附图中相同参数表示相同元件:
图1为现有技术圆形谐振器装置的平面俯视图;
图1A为具有直线波导的现有技术圆形谐振器装置的平面俯视图;
图2为根据本发明所形成的椭圆形谐振器的平面俯视图;
图3为沿图2的3-3线作出的局部截面图;
图4为根据本发明所形成的信道去除滤波器的平面俯视图;
图5为表示图4中所示信道去除滤波器的输入波导的输出的曲线(反射);
图6为表示图4中所示信道去除滤波器的输出波导的输出的曲线(透射);
图7为根据本发明所形成的1×4多路复用器/解复用器的平面俯视图;
图8为具有设置成并行的椭圆形谐振器级联阵列的装置的平面俯视图;
图9为具有设置成串联的椭圆形谐振器级联阵列的装置的平面俯视图;
图10为根据本发明所形成的调相器装置的平面俯视图。
最佳实施例的详细描述
参照图2,描述了一种椭圆形谐振器装置,通常用参数10表示。该装置10包括一椭圆形谐振器20,一输入波导30和一输出波导40。
椭圆形谐振器20最好由单个、不间断的波导元件22确定。该元件22具有两个通常为直线的部分:第一直线部分24和第二直线部分26。并且两个弧形端28在直线部分24与26之间延伸,并将直线部分24与26连接起来。最好是椭圆形谐振器20外形具有对称性,其直线部分24与26基本上平行并通常具有相同长度L。并且,弧形端28最好形成相同程度的曲率。例如,弧形端28可能由中心C和半径R定义。中心C最好与直线部分24、26的端部对齐(成一条直线),使得每个弧形端28为半圆形。
输入波导30具有一输入端32,一输出端34和在输入端与输出端之间延伸的信号传播部分36。信号传播部分36的线段38设置在第一直线部分24附近,以便在其间限定宽度为g1的间隙A。最好是线段38基本平行于直线部分24,使得沿第一直线部分24的整个长度L限定一个基本恒定的间隙宽度g1。
输出波导40具有一输入端42,一输出端44和在输入端与输出端之间延伸的信号传播部分46。信号传播部分46的线段48设置在第二直线部分26附近,以便在其间限定宽度为g2的间隙B。最好是线段48基本平行于第二直线部分26,使得沿第二直线部分26的整个长度限定一基本恒定的间隙宽度g2。并且最好宽度g1等于宽度g2。
对于被调节到预定谐振频率的椭圆形谐振器20,从输入波导30的输入端32朝着输出端34传播的与椭圆形谐振器20谐振的信号部分,相长干涉,谐振并穿过椭圆形谐振器20,到达输出波导40,而与椭圆形谐振器20失谐的信号部分继续传播到输出端34并作为反射信号被发射出去。谐振的信号穿过输出波导40。由于椭圆形谐振器20的形状,谐振的信号将以与输入波导30中传播的信号相反的方向穿过输出波导40,如箭头所示。特别地,谐振的信号将朝着输出端44的方向在输出波导40中传播,并作为透过信号从输出端44发射。为了将输出波导40中的谐振信号引导成与输入波导20中传播的信号具有相同方向,可以弯曲输出波导40,如图4所示,具有一个最好为180°的弧形弯曲50。了解到此处提及的“输入”和“输出”仅为了方便的目的;可以使用在波导中其信号沿与此处所披露一致的任何方向传播的椭圆形谐振器装置10。
最好是椭圆形谐振器装置10具有对称性。特别地,最好是同样或基本相同地形成输入波导30,输出波导40和椭圆形谐振器20的波导元件22(材料;尺寸),以便有效地传播光信号。波导30、40和波导元件22可以是从衬底52延伸的光子线(photonic wire)波导或光子阱(photonic well)波导。可以使用本领域公知的蚀刻技术来形成波导30、40和波导元件22。本发明最好使用光子阱波导。
图3描述了典型的输入波导30以及波导元件22的截面图。输出波导40最好具有与所示相同的截面。如图所示,包层56环绕在芯54周围。芯54是有源(active)载光介质,并且波导30、40和波导元件22中每一个的芯54最好形成为宽度w。如果使用光子线波导,除了具有相同宽度w以外,最好每个芯54具有相同高度h,以便能够有效地传播光信号。另外,最好是芯54的高度h与宽度w尺寸相等。
图5和6描述了图4中所示椭圆形谐振器装置10的性能特性。图5为表示从输入波导30的输出端34发出的反射信号的强度曲线,而图6表示从输出波导40的输出端44发射出的透射信号的强度。图5中曲线的最小值分别相当于大约1522.5nm和1542.5nm波长。结果,图6中曲线的最大值也分别相当于1522.5nm和1542.5nm。该曲线表示大约1542.5nm的与在该波长处从输入波导30传播到输出波导40的信号部分发生谐振的光谱。不发生谐振的信号部分绕过椭圆形谐振器20,并作为透射信号从输入波导30的输出端34发射出去。可以使用本领域技术人员已知的技术调节椭圆形谐振器20设置为谐振的波长,这些技术如向谐振器施加不同的电压。
设计参数
最好是在一定参数范围内形成椭圆形谐振器装置10。首先,宽度g1和g2最好小于0.5μm。更特别地,最好是选择宽度g1和g2,使得满足下面的关系,
其中:
λ为真空中信号的波长;
nwg为波导的芯内部折射率;
ng为设置在各个间隙中的介质的折射率。
第二,最好是波导30、40和波导元件22均形成为具有小于0.5μm的宽度。最佳宽度w使波导30、40和波导元件22能够满足单模要求(即各个波导/波导元件仅支持一个基频横向电场(TE)和一个基频横向磁场(TM)模式。)
第三,最好是直线部分24和26的长度L均小于10μm。如下面所描述的,长度L受椭圆形谐振器20的往返行程长度限制。
第四,最好是波导的芯内部折射率nwg与各个间隙中介质的折射率ng的比值大于1.5。用数学方式表示为,
nwg/ng>1.5 公式(2)
第五,必须考虑往返行程损失。对于特定参数,椭圆形谐振器装置10最好工作在大约0.01-0.1的耦合系数下。耦合系数是间隙宽度(g1,g2),耦合长度(L),折射率(nwg,ng),被传播的光的偏振态和光波长(λ)的函数。在最佳范围内,可以使间隙宽度g1,g2大于现有技术中所披露的椭圆形和圆形谐振器装置的间隙宽度。为了补偿由于间隙宽度增加所导致的耦合系数的损失,增加耦合长度L,以便获得至少与圆形谐振器装置相同的耦合系数。
如同所有密闭环形装置那样,椭圆形谐振器装置10易于受到“往返行程损失”的影响,其中在椭圆形谐振器20上传播时损失一定部分的信号。最好是椭圆形谐振器装置10的耦合系数大于往返行程损失,更佳地是,比往返行程损失大几倍。在一个实施例中,对于0.03(即3%)的往返行程损失,耦合系数可以为0.13(即13%),即比往返行程损失大4倍多。用这种方式,可以将往返行程损失的不利影响保持最小。毫无疑问,0.13的耦合系数超出了0.01-0.1的最佳范围。当存在极小往返行程损失时,0.01-0.1的范围更为适用。
在椭圆形谐振器装置10的设计中需要考虑的第六个设计参数是谐振波长和自由光谱区(FSR)。谐振波长周期性地出现,并且具有均匀间隔。谐振波长(λm)由下式给出:
mλm=neffL 公式(3)
其中m为整数。
“m”项被称为谐振级,“neff”为谐振器的有效折射率,“neffL”为谐振器的光程。相继谐振之间的间距被称为自由光谱区(FSR)。从而,可以看出谐振器越小,FSR越大。
有利地是,椭圆形谐振器装置10可以用于多种装置和结构中。可以通过调节谐振器的有效折射率来调谐或调节由谐振器的光程确定的谐振器的谐振波长。可以使用包括波导的半导体材料中的电光效应来实现谐振波长的调节,从而直接将电场(或电压)施加给谐振器,来改变其中的材料的折射率。例如,图4描述了一种信道去除滤波器或光开关。作为信道去除滤波器,该装置简单地从输入信号中去除相当于谐振器谐振波长的特定波长(或信道)。作为波长开关,该装置作为可调节滤波器,对于特定波长能够在谐振与失谐之间进行切换。
另外,装置10可以用于1×N多路复用器/解复用器装置中,如图7所示的1×4多路复用器/解复用器装置。此处,沿共同的输入波导130设置四个椭圆形谐振器120A,120B,120C和120D,不过在与装置相连时可以使用任何数量的椭圆形谐振器。调节每个椭圆形谐振器120A-120D在不同波长下发生谐振,以便通过多个椭圆形谐振器120A-120D导致在输入波导130中传播的信号的不同部分谐振,从而去多路复用信号。该装置100还可以被“反向”使用,用于复用输出波导140A-D中传播的多路信号,从而在输入波导130中产生合成信号。
另外,装置10可以用于级联阵列中,如图8和9所示的阵列,以便得到所需频谱。在许多应用中要求滤波器的光谱特性在响应峰值处表现为平坦顶面形状,以便适应温度或源波长波动所导致的源波长的漂移,如图6所示。在图8中描述了通过相互耦合的理想谐振器的平行阵列来实现这种所需结果。通过审慎选择单个谐振器之间以及谐振器与平行直线波导之间的耦合系数,能够实现具有任意特性的滤波器。在最简单的情形中,可以假设这些耦合系数相等。在这种情形中,滤波器的综合性能是各个谐振器的谐振波长被分成等于谐振器数量的多个谐振。谐振器之间耦合系数的强度决定了谐振之间的间隔(耦合越强,谐振之间的间隔越大)。从而,通过慎重选择耦合系数,可以有利地使谐振移动到足够近,使得各个谐振基本上合并成一个具有平坦顶面的单一谐振。
图8具体描述了包括在输入波导230与输出波导240之间彼此耦合的多个椭圆形谐振器220A、220B和220C的平行阵列。作为非限制性例子,三个椭圆形谐振器220A-C表示在图8中,可以使用任意数量的谐振器。椭圆形谐振器220A被耦合到输入波导230和椭圆形谐振器220B,而椭圆形谐振器220C被耦合到输出波导240和椭圆形谐振器220B。因而,这种设置在传送到输出波导240的输出信号中产生以单个谐振波长为中心的频率响应。
滤波器响应的另一个所需要的特性是响应下降地足够快,从而使一个信道与其他所有信道之间的串扰最小(如图6所示)。单个谐振器是具有Lorentzian响应的频率响应下降缓慢的有效的第一级法布里—珀罗(Fabry-Perot)滤波器。为了改善频率响应的下降,可以以串联方式级联多个相同谐振器,以便通过定义更快下降速度实现更高级次滤波器。图9中描述了该目的的实现。必须按它们的谐振频率将谐振器排列起来,否则输出信号将会具有展宽的频谱。图9描述了一个串联阵列300,包括多个均与输入波导330和输出波导340耦合、但彼此并不耦合的椭圆形谐振器320A,320B和320C。再次重申,可以使用任意数量的椭圆形谐振器。结果,在输出波导340中产生具有更宽频谱的输出信号,与根据本发明所形成的单个椭圆形谐振器相比产生更加“陡峭”的边坡特性。
作为另一种应用,本发明的椭圆形谐振器可以与单个波导一起使用,如图10所示。此处,表示出可以被用做调相器的全通滤波器400。全通滤波器400包括一个邻近输入波导420设置的椭圆形谐振器410。椭圆形谐振器410“反射”穿过输入波导420的具有相位响应的所有频率的光,取决于椭圆形谐振器410与输入波导420之间的耦合强度。从而,穿过该滤波器的光其幅值不发生改变而相位发生变化。可以对这种相移进行调制,仍然使用施加给谐振器的电光效应进行相移调制。这种调相器可以用于马赫—曾德(Mach-Zehnder)干涉仪中实现调幅。这种调相器的优点在于对于给定相移(假设π),所需的调制电压可以非常小,因为谐振器的谐振效应有效地增加了该装置的光程。或者,对于给定调制电压,调相器可以非常小,并且仍然可以获得π相移。通过将电压施加给椭圆形谐振器410并改变所施加的电压,可以改变光的相位。与现有技术中的调相器相比,本发明的全通滤波器400相当小。
因此,已经示出、描述并指出了当应用于最佳实施例时本发明的主要新颖特性,应该理解本领域技术人员在不偏离本发明精神的条件下可以对所披露的发明的形式和细节进行多种删除、取代和改变。从而本发明仅由所附权利要求的范围限定。
Claims (29)
1.一种谐振器装置,包括:
一能够使预定波长的光发生谐振的椭圆形谐振器,所述椭圆形谐振器具有两个弧形端和在其间延伸的通常为直线的第一和第二边部分;
一用于在其中传播光的输入波导,所述输入波导具有一输入端和一输出端,所述输入波导的一部分设置在所述椭圆形谐振器的所述第一边部分附近;以及
一用于在其中传播光的输出波导,所述输出波导具有一输出端,所述输出波导的一部分被设置在所述椭圆形谐振器的所述第二边部分的附近,其中在所述输入波导中传播的其波长与所述椭圆形谐振器失谐的光从所述输入波导的所述输出端输出,在所述输入波导中传播的具有与所述椭圆形谐振器谐振的波长的光被耦合到所述椭圆形谐振器,并从所述椭圆形谐振器耦合到所述输出波导,从所述输出波导的输出端输出。
2.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述输入波导通过第一间隙与所述第一边部分分开,所述第一间隙小于0.5μm。
3.如权利要求2所述的谐振器装置,其中所述输出波导通过第二间隙与所述第二边部分分开,所述第二间隙小于0.5μm。
4.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述第一边部分具有小于10.0μm的长度。
5.如权利要求4所述的谐振器装置,其中所述第二边部分具有小于10.0μm的长度。
6.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述输入波导在邻近所述椭圆形谐振器的所述第一边部分设置的所述部分中限定一宽度,相对所述输入波导的纵轴横向测量所述宽度,所述宽度小于1.0μm。
7.如权利要求6所述的谐振器装置,其中所述输出波导在邻近所述椭圆形谐振器的所述第二边部分设置的所述部分中限定一宽度,相对所述输出波导的纵轴横向测量所述宽度,所述宽度小于1.0μm。
8.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述输入波导构成有对光进行传播的第一芯,所述第一芯具有第一内部折射率,并且其中所述输入波导通过第一间隙与所述第一边部分分开,第一介质设置在所述第一间隙中,所述第一介质具有第一外部折射率,所述第一内部折射率与所述第一外部折射率的比值大于1.5。
9.如权利要求8所述的谐振器装置,其中所述输出波导构成有对光进行传播的第二芯,所述第二芯具有第二内部折射率,并且其中所述输出波导通过第二间隔与所述第二边部分分开,第二介质设置在所述第二间隔中,所述第二介质具有第二外部折射率,所述第二内部折射率与所述第二外部折射率的比值大于1.5。
10.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述第一边部分与所述第二边部分基本平行。
11.如权利要求1所述的谐振器装置,其中设置在所述椭圆形谐振器所述第一边部分附近的所述第一波导的所述部分,与所述第一边部分基本平行。
12.如权利要求11所述的谐振器装置,其中设置在所述椭圆形谐振器所述第二部分附近的所述第二波导的所述部分,与所述第二部分附近基本平行。
13.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述椭圆形谐振器由单个、非间断波导元件构成。
14.如权利要求13所述的谐振器装置,其中所述波导元件具有小于1.0μm的宽度。
15.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述输入波导与所述椭圆形谐振器之间的耦合系数在0.01至0.1范围内。
16.如权利要求1所述的谐振器装置,其中所述输入波导与所述椭圆形谐振器之间的耦合系数比所述椭圆形谐振器中往返行程损失大几倍。
17.如权利要求1所述的谐振器装置,其中在所述输入和输出波导之间设置多个椭圆形谐振器。
18.如权利要求17所述的谐振器装置,其中每个所述椭圆形谐振器被耦合到至少一个其他的椭圆形谐振器。
19.如权利要求17所述的谐振器装置,其中每个所述椭圆形谐振器被耦合到所述输入波导和所述输出波导。
20.一种用于对预定波长的光进行谐振的椭圆形谐振器,所述椭圆形谐振器包括两个弧形端和在两个弧形端之间延伸的通常为直线的第一和第二边部分。
21.如权利要求20所的椭圆形谐振器,其中所述第一和第二边部分基本平行。
22.如权利要求20所的椭圆形谐振器,其中所述弧形端均通常为半圆形形状。
23.如权利要求20所述的椭圆形谐振器,其中所述第一边部分具有小于10.0μm的长度。
24.如权利要求23所述的椭圆形谐振器,其中所述第二边部分具有小于10.0μm的长度。
25.如权利要求20所述的椭圆形谐振器,其中所述椭圆形谐振器由单个、非间隔波导元件构成。
26.如权利要求25所述的椭圆形谐振器,其中所述波导元件具有小于1.0μm的宽度。
27.一种谐振器装置,包括:
一种能够使预定波长的光发生谐振的椭圆形谐振器,所述椭圆形谐振器具有两个弧形端和在两个弧形端之间延伸的通常为直线的第一和第二边部分;以及,
一个用于在其中传播光的输入波导,所述输入波导具有一输入端和一输出端,并且所述输入波导的一部分设置在所述椭圆形谐振器的所述第一边部分附近。
28.如权利要求27所述的谐振器装置,其中所述输入波导与所述椭圆形谐振器之间的耦合系数在0.01至0.1范围内。
29.如权利要求27所述的谐振器装置,其中所述输入波导与所述椭圆形谐振器之间的耦合系数大于所述椭圆形谐振器中表现出的往返行程损失。
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