CN104932171A - 一种用于产生光频梳的微环波导光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于产生光频梳的微环波导光器件，包括相互耦合的直波导和环形谐振腔；环形谐振腔包括n个具有第一截面宽度W1的第一部分，n个具有第二截面宽度W2的第二部分，以及用于连接所述第一部分和所述第二部分的锥形耦合器；n个第一部分与n个第二部分相互交替耦合形成所述环形谐振腔。本发明通过改变波导截面尺寸，能够调控一定波长范围内的色散在正值与负值之前交替变化，使得色散对四波混频效应的影响相互抵消，趋近于零，从而使得色散对光频梳产生的影响相互抵消；减小了色散对光频梳产生的影响，提高光频梳的功率平坦性，能够获得功率较平坦的光频梳。

Description

一种用于产生光频梳的微环波导光器件
技术领域
本发明属于集成光子学及非线性光学领域，特别涉及一种用于产生光频梳的微环波导光器件。
背景技术
一系列离散的、等间距频率的像梳子一样形状的光谱被称为光频梳，它在光的任意波发生、波分复用、物理量精密测量、微波光子滤波器、光纤传感、时钟的同步于校准、卫星导航等领域拥有巨大的应用前景。
传统的光频梳技术依赖于锁模激光器，需要倍频程的频率范围，成本昂贵，对应用环境的要求也比较高。并且激光器的腔长通常较长，也就意味着生成的梳齿之间的间隔非常窄，通常小于1GHz。而基于非线性光学谐振腔的连续波光频梳技术，则可以很好地补充传统光频梳技术的不足，并极大地扩展了其应用范围，正受到越来越广泛的关注。外界泵浦光注入由非线性材料(如氮化硅、氟化镁、二氧化硅等)构成的光学谐振腔中，激发起材料的三阶非线性效应——克尔效应，并通过四波混频效应产生新的频率分量。由于在需要实现光频梳的波长范围内，除了克尔效应之外，不存在双光子吸收效应，因而四波混频过程中的能量守恒和动量守恒同时得到满足，从而实现级联四波混频，直至光频梳。该谐振腔通常制备成高品质因子环形腔结构，例如目前已经实现的最高的品质因子已经超过了1010，因而光学微谐振腔内存在极大的场强增强效应，从而可以最大可能地降低阈值光功率。
谐振腔的色散对四波混频的作用过程有较大影响。色散包括材料色散与波导色散，分别由材料特性、结构尺寸决定。在谐振腔的材料确定后，可以通过调整其尺寸大小，对色散进行调控。研究表明，低且平坦(趋于零)的色散曲线有助于产生梳齿功率平坦的光频梳。而色散不为零，即色散为正值或负值，将会导致谐振腔的自由频谱范围(Free Spectral Range，FSR)不等距，进而影响光频梳的产生范围、梳齿之间的平坦性与相位噪声、谐振腔中的孤子脉冲产生等问题。
谐振腔的色散与波导截面的尺寸有关。图1为高度为一定值0.7微米波导中，波长1600nm处的色散随波导宽度的变化情况。如果微环谐振腔结构的横截面尺寸固定，谐振腔的色散为一定值。在色散值不为零的情况下，泵浦光在谐振腔内传输时，固定的微环色散将持续影响四波混频的能量转移效率，影响形成的梳齿功率大小与频谱的平坦性。由于材料的折射率与波长相关，色散始终存在。如图2所示，即使在宽度为1.78微米时，1600nm波长处的色散值趋于零，但在其他波长处色散值并不为零，仍会对光频梳的产生始终存在影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于产生光频梳的微环波导光器件，其目的在于减小色散对光频梳产生的影响，提高光频梳的功率平坦性，能够获得功率较平坦的光频梳。
本发明提供了一种用于产生光频梳的微环波导光器件，包括相互耦合的直波导和环形谐振腔；所述环形谐振腔包括n个具有第一截面宽度W1的第一部分，n个具有第二截面宽度W2的第二部分，以及用于连接所述第一部分和所述第二部分的锥形耦合器；n个第一部分与n个第二部分相互交替耦合形成所述环形谐振腔；所述第一截面宽度W1和所述第二截面宽度W2不相等；所述n为周期数，取值为1-6。
更进一步地，所述第一截面宽度W1或所述第二截面宽度W2为0.2微米～4微米。
更进一步地，所述第一部分的长度为L1＝k×(L0-2*Lt)，第二部分的长度为L2＝(1-k)×(L0-2*Lt)，其中k为比例系数，k的取值范围为0.2～0.8，L0为环形谐振腔的长度，Lt为锥形耦合器长度。
更进一步地，所述锥形耦合器的长度为10微米～50微米。
更进一步地，所述直波导与所述环形谐振腔侧向耦合。
更进一步地，所述直波导与所述环形谐振腔垂直耦合。
更进一步地，所述直波导为两根，分别位于所述环形谐振腔的两侧。
更进一步地，所述直波导与所述环形谐振腔的耦合间隔为0.05微米-0.5微米。
更进一步地，所述环形谐振腔的形状为圆环形、跑道型或多边形。
更进一步地，所述环形谐振腔的长度为L0为谐振腔长度，c为光速，n为波导的有效折射率，FSR为光频梳的梳齿间隔。
本发明通过改变波导截面尺寸，能够调控一定波长范围内的色散在正值与负值之前交替变化，使得色散对四波混频效应的影响相互抵消，趋近于零，从而使得色散对光频梳产生的影响相互抵消；减小了色散对光频梳产生的影响，提高光频梳的功率平坦性，能够获得功率较平坦的光频梳。
附图说明
图1为高度为0.7微米的氮化硅波导中，1600nm波长处的色散值与波导宽度的关系。
图2为高度为0.7微米，宽度为1.78微米的氮化硅波导中，1000～2000nm波长范围内的色散曲线。可以看出，此时1600nm波长处的色散值趋于零，但在其他波长处，并不为零。
图3为现有的圆形微谐振腔侧向耦合波导结构的俯视图。图中，微环横截面宽度W保持不变。其中，31为环形谐振腔，32为直波导。
图4为本发明的跑道型侧向耦合谐振腔的俯视图。图中微环宽度变化一次，即周期数为1，微环横截面宽度在W1、W2之间变化，两部分通过锥形耦合器连接。其中，谐振腔内两段截面宽度不同的波导长度相同；41为环形谐振腔，42为直波导，43为锥形耦合器。
图5为本发明的垂直耦合圆形谐振腔的俯视图。由于采用垂直耦合方式，直波导与谐振腔处于不同平面，因而俯视图中两者发生部分重叠。
图6为本发明的上传下载型侧向耦合谐振腔的俯视图。其中周期数为1，即微环宽度变化一次。
图7为本发明的直通型侧向耦合多边形谐振腔的俯视图。其中周期数为2，即微环宽度变化两次。
图8为现有的圆形谐振腔结构产生的光频梳的仿真结果图。该微环采用氮化硅材料，波导宽度为W＝1.6微米，高度为0.7微米，微环半径100微米，注入泵浦光波长为1420nm，功率为0.775W。
图9为本发明的跑道型谐振腔结构产生的光频梳的仿真结果图。该微环采用氮化硅材料，波导宽度为W1＝1.6微米，W2＝2微米，高度为0.7微米，锥形耦合器长度为40微米，微环谐振腔总长度与图5中微环总长度保持一致，且谐振腔内两段宽度不同波导的长度相等，注入泵浦光波长为1420nm，功率为0.775W。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对这种情况，提出一种可减小色散对光频梳产生的光学微环谐振腔结构，通过周期性调整波导截面的尺寸，具体而言，调整截面宽度，使得波导的色散值在正值与负值之间周期性变化，使得色散的影响相互抵消，提高产生的光频梳的功率平坦性。
在本发明实施例中，为了减小色散对光频梳产生的影响，提高光频梳的功率平坦性，提出了一种微环波导光器件，能够获得功率较平坦的光频梳。
本发明提出的微环波导光器件包括：直波导和环形谐振腔；环形谐振腔的截面宽度周期性改变，每个周期内所述谐振腔截面宽度改变一次。由于波导结构的色散大小与波导截面宽度有关，因而通过改变波导截面尺寸，能够调控一定波长范围内的色散在正值与负值之前交替变化，使得色散对四波混频效应的影响相互抵消，趋近于零，从而使得色散对光频梳产生的影响相互抵消。不同宽度部分之间采用锥形耦合器连接。锥形耦合器的宽度连续变化，用其连接两段截面宽度不同的波导，能够减小光传输过程中的损耗。
作为本发明的一个实施例，直波导为一根，位于微环的一侧，与微环侧向耦合。侧向耦合的方式中，直波导与微环处在同一平面内，可以通过光刻工艺一次刻蚀完成，工艺简单，制作方便。
作为本发明的另一实施例，直波导为一根，位于微环平面的上侧，与微环垂直耦合。在垂直耦合方式中，直波导与微环的接触面积更大，有利于提高耦合效率；垂直耦合方式能够通过控制直波导与微环之间的横向位置偏移与耦合层厚度两个参量来控制其耦合系数，设计、调节更加灵活。
作为本发明的另一实施例，直波导为两根，分别位于所述微环的两侧，与所述微环耦合。在单根波导侧向耦合的结构中，谐振情况下，输入波导的直通端口透射率最低；而在双根波导结构中，谐振情况下，输入波导的直通端口透射率最大。可以根据实际需求，选用所需结构。
在本发明实施例中，对于微环的形状，可选择为圆环形、跑道型、多边形。圆环形结构为最基础的谐振腔结构，跑道型结构中谐振腔与输入波导的耦合区长度增加，能够提高耦合系数，而多边形结构中光沿直线传播，不存在曲率损耗。可以根据实际需求与工艺水平选择所需结构进行设计。
对于所述的微环结构改变的周期数，可选择为1～6。在谐振腔总长度一定的情况下，周期数越多，每周期的波导长度越短，色散对四波混频效应的影响越小，整个谐振腔中，正负色散的共同作用效果越接近于零色散。
对于直波导与微环，其材料可选择为二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氟化钙。这些材料的非线性系数较高，能够产生较强的四波混频效应，且其中的双光子系数、自由载流子吸收较低，有利于光频梳的产生。
在本发明实施例中，微环横截面的宽度为0.2微米-4微米，高度为0.2微米-2微米，定义锥形耦合器长度为锥形耦合器内边缘长度，其值Lt的取值范围为10微米-50微米。截面尺寸的选择与选用的材料有关，在此范围内，波导横截面积适中，有利于增强波导的非线性效应，且能够满足现有的工艺要求，便于制作。而横截面积过大，波导的非线性降低，不利于光频梳产生；横截面过小，又会增加器件制作难度，提高对实际工艺的要求。
在本发明实施例中，为了让直波导和微环更好的耦合，在其耦合区的间隔为0.05微米-0.5微米。耦合间距的改变，能够有效调节光从直波导耦合进微环的能量大小。现有的加工工艺实现不了过小的耦合间距，而耦合间距过大，又会导致耦合进微环的能量过小。选择合理有效的耦合间隔，既能满足现有加工工艺，又能保证足够的能量耦合进微环。直波导的横截面尺寸和耦合区微环的横截面大小一样。
对于微环的半径，其大小取值如下：R为微环的半径，c为光速，n为波导的有效折射率，FSR为光频梳的梳齿间隔。
在本发明实施例中，当谐振腔为多边形时，定义为谐振腔波导内边缘的长度为谐振腔的总长度，其大小可以根据需求进行设计，由以下公式确定：L0为谐振腔长度，c为光速，n为波导的有效折射率，FSR为光频梳的梳齿间隔。
设宽度为W1的谐振腔长度为L1，宽度为W2的谐振腔长度为L2，则L1＝k×(L0-2*Lt)，L2＝(1-k)×(L0-2*Lt)；其中k为比例系数，k的取值范围为0.2～0.8，L0为环形谐振腔的长度，Lt为锥形耦合器长度。
本发明创新地提出了一种光学微环谐振腔波导器件，其特点在于当光耦合进微环波导结构并在其中传输时，微环的横截面宽度周期性改变，控制微环谐振腔的色散在正色散、负色散之间周期性变化，使得色散对注入光的影响相互抵消，减小色散这一参数对光频梳产生的影响，从而提高光频梳的功率平坦性。
如图2所示，泵浦光源通过直波导2侧向耦合进环形谐振腔1中。当光耦合进入环形谐振腔1中，由于微环的谐振效应，在较低的泵浦光功率下，环形谐振腔中的克尔效应得到增强，并通过级联四波混频效应将泵浦光的能量不断从泵浦波长向新的频率分量转移，产生新的频率梳齿。通过周期性改变波导横截面的宽度，使得波导结构的色散正负交替变化，从而使得色散对光频梳产生的影响相互抵消，提高产生的光频梳的平坦性。不同宽度部分采用锥形耦合器连接，以减小光传输过程中的损耗。
图8、9为现有微环谐振腔结构与本发明提出的谐振腔结构产生的光频梳仿真结果图。可以看出，以泵浦波长为基准，图8中光频梳的10dB带宽为29.606THz，15dB带宽为43.166THz；图9中光频梳的10dB带宽为48.364THz，15dB带宽为68.93THz。通过比较可以看出，本发明提出的微环谐振腔结构，通过改变波导横截面宽度，对谐振腔的色散进行调控，波导结构的色散在正值与负值之前交替变化，使得色散对四波混频效应的影响相互抵消，增大了10dB、15dB带宽，提高了光频梳的功率平坦性。
环形谐振腔的微环的形状除了上面的圆环状，还可以为多边形、跑道形、椭圆形。直波导与微环的耦合方式除了侧向耦合(如图4所示)，还可以是垂直耦合(如图5所示)。整体结构不仅可以是图4、5所示的直通型，还可以是如图6所示的上传下载型。各自特点已经在前文中阐明，可以根据实际需求与工艺水平进行选择。
本发明器件尺寸一般为：微环横截面的宽度为0.2-4微米，高度为0.2-2微米，所述锥形耦合器长度为10-50微米，在其耦合区的间隔为0.05-0.5微米。直波导的横截面尺寸和耦合区微环的横截面大小一样。关于各尺寸的大小，前文中已经阐明，既考虑器件性能，又考虑了实际工艺。根据所要求的梳齿间隔，可以灵活设计所述微环的半径式中，R为微环的半径，c为光速，n为波导的有效折射率，FSR为光频梳的梳齿间隔。当谐振腔为多边形时，可以灵活设计所述谐振腔的长度L0为谐振腔长度，c为光速，n为波导的有效折射率，FSR为光频梳的梳齿间隔。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于产生光频梳的微环波导光器件，其特征在于，包括相互耦合的直波导(42)和环形谐振腔(41)；
所述环形谐振腔(41)包括n个具有第一截面宽度W1的第一部分，n个具有第二截面宽度W2的第二部分，以及用于连接所述第一部分和所述第二部分的锥形耦合器；n个第一部分与n个第二部分相互交替耦合形成所述环形谐振腔；
所述第一截面宽度W1和所述第二截面宽度W2不相等；所述n为周期数，取值为1-6。
2.如权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述第一截面宽度W1或所述第二截面宽度W2为0.2微米～4微米。
3.如权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述第一部分的长度为L1＝k×(L0-2*Lt)，第二部分的长度为L2＝(1-k)×(L0-2*Lt)，其中k为比例系数，k的取值范围为0.2～0.8，L0为环形谐振腔的长度，Lt为锥形耦合器长度。
4.如权利要求1-3任一项所述的微环波导光器件，其特征在于，所述锥形耦合器的长度为10微米～50微米。
5.如权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述直波导(42)与所述环形谐振腔(41)侧向耦合。
6.如权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述直波导(42)与所述环形谐振腔(41)垂直耦合。
7.如权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述直波导(42)为两根，分别位于所述环形谐振腔(41)的两侧。
8.如权利要求5-7任一项所述的微环波导光器件，其特征在于，所述直波导(42)与所述环形谐振腔(41)的耦合间隔为0.05微米-0.5微米。
9.如权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述环形谐振腔(41)的形状为圆环形、跑道型或多边形。
10.如权利要求9所述的微环波导光器件，其特征在于，所述环形谐振腔(41)的长度为L0为谐振腔长度，c为光速，n为波导的有效折射率，FSR为光频梳的梳齿间隔。
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