CN105629387B - 一种微环波导器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微环波导器件，包括微环谐振腔、直波导、第一支架、第二支架和衬底；其中，第一支架用于支撑直波导，第二支架用于支撑微环谐振腔，以使微环谐振腔与直波导悬空；微环谐振腔与直波导相互耦合；外部注入的光场通过直波导耦合进入微环谐振腔中，满足微环谐振条件的光场在微环谐振腔中激发出声场，通过悬空的微环谐振腔将产生的声场限制在微环谐振腔中进行传输，进而产生前向布里渊效应；本发明提供的这种悬空的微环波导器件具有布里渊阈值低、结构紧凑、工艺简单、制造成本相对低廉的优点。

Description

一种微环波导器件
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，更具体地，涉及一种微波环导器件。
背景技术
在光信号处理、传感、物理量的精确测量、微波光子滤波器等领域，可在片上集成硅波导中产生低阈值前向布里渊效应的器件具有很好的应用前景。产生受激布里渊效应的关键是实现对声场和光场的限制以及光力的激发。
现有技术中产生前向布里渊效应的器件主要有光子晶体光纤波导和声光混合波导。光子晶体光纤波导在横截面上含有不同排列形式的气孔，这些气孔贯穿器件的整个长度，通过气孔结构的设计对光场和声场进行限制，进而实现前向的布里渊效应。声光混合波导器件由硅与氮化硅形成的复合波导构成。硅光波导用来限制光场并产生声场，氮化硅形成的声子晶体波导用来束缚声场。
其中光子晶体光纤波导器件不能在硅波导器件上集成,而且其波导横截面尺寸较大，不利于光力的激发，导致需要的波导长度很长，并且需要高功率的泵浦光注入；而声光混合波导器件是由两种材料构成，从而导致制作工艺较为复杂，这极大的限制其在硅波导器件上的集成。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微波环导器件，其目的在于在小尺寸的波导结构上实现多阶的前向布里渊效应，由此解决了片上波导尺寸大，且需要高功率泵浦光注入才能实现布里渊效应的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微波环导器件，包括微环谐振腔、直波导、第一支架、第二支架和衬底；
其中，第一支架与第二支架均置于衬底上；直波导置于第一支架上，第一支架用于支撑直波导使之相对衬底悬空；微环谐振腔置于第二支架上，第二支架整体形状与微环谐振腔匹配，第二支架横用于支撑微环谐振腔使之相对衬底悬空；直波导与微环谐振腔相互耦合。
优选的，上述微环谐振腔与直波导的横截面的宽度均为0.4微米～1微米；横截面的宽度在该范围内，使得波导中的光场只存在基模，有利于微波环导器件与其它的波导器件集成。
优选的，上述第一支架与第二支架均是横截面上窄下宽的人字形结构，两个支架靠近波导一侧的上边缘宽度均不大于0.03微米；人字形结构的支架有利于减小声场通过支架泄露到衬底中，从而减小声场的损耗。
优选的，直波导的横截面与第一支架的横截面沿中轴线对齐；微环谐振腔的横截面与第二支架的横截面沿中轴线对齐；如此对齐以利于两个支架分别对直波导以及微环谐振腔形成稳定支撑。
优选的，微环谐振腔与直波导侧向耦合，极大程度上简化了微波环导器件的制作工艺。
优选的，在微环谐振腔与直波导之间的最小间距处，其距离为0.1微米～0.5微米，以利于光场更好地从直波导耦合到微环谐振腔中。
优选的，微环谐振腔整体呈圆环状或跑道型环状；由于所述微环谐振腔采用环形结构，只有波长满足微环谐振条件的光波才能耦合进入微环谐振腔，并在微环谐振腔内循环往复的传播；因此进入微环谐振腔的光功率值与光场的波长值密切相关，且微环谐振腔中的光功率值直接影响到波导中光力及热效应的大小，使得微环谐振腔的形状发生改变，进而引起微环谐振腔的布里渊频移量发生改变；因此，可以通过调节注入泵浦光功率和波长来灵活调节微环谐振腔中的布里渊频移量。
优选的，上述微环波导器件，衬底采用硅基片。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的微环波导器件，其直波导与微环谐振腔互相耦合，外界的泵浦光通过直波导耦合进入悬空的微环谐振腔中；由于微环谐振腔的横截面的尺寸在纳米量级，在其中产生的辐射压力与电致伸缩压力大小相比拟，由此极大的增强微环谐振腔中的光力，从而更易激发出微环谐振腔中的本征声场，微环谐振腔的布里渊效应随着声场的产生而产生；
(2)本发明提供的微环波导器件，其微环谐振腔相对于衬底形成悬空结构，使得微环谐振腔中产生的声场能被限制在谐振腔中低损耗的传播，从而能有效的降低布里渊阈值；并且还能形成多阶的前向布里渊效应；在小尺寸的硅基微环波导器件上实现了低阈值的多阶的布里渊效应；
相对于现有的用于实现布里渊效应的波导器件而言，通过悬空微环结构加强了对声场与光场的限制，一方面减小了波导器件所产生的前向布里渊的效应所需的泵浦光功率的大小、另一方面减小了波导器件的尺寸；
微环谐振腔中的布里渊频移量与谐振腔的结构和材料相关，还与注入波导中的泵浦光的波长和功率密切相关；采用本发明所提供的微环波导器件，由于微环谐振腔隔热性和光力的存在，还可以通过调整注入泵浦光的功率和波长来调节该器件产生的布里渊的频移量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的微波环导器件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微环波导器件的横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的微环波导器件的光场的模式分布图；
图4为本发明实施例提供的微环波导器件中横向上光力场的分布图；
图5为本发明实施例提供的微环波导器件中竖直方向上光力场的分布图；
图6为本发明实施例提供的微环波导器件中本征声场模式的分布图；
图7为本发明实施例提供的微环波导器件的透射光谱图；
图8为本发明实施例提供的微环波导器件在利用逐点扫描方法测得的不同注入光功率情况下的透射光谱图；
图9为在实施例的微环波导器件的微环谐振波长处注入泵浦光后在出射端测得的拍频电信号；
图10为实施例提供微环波导器件在不同注入泵浦光功率下声场频率与注入泵浦光波长的关系曲线图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-微环谐振腔、2-直波导、3-第一支架、4-衬底、5-第二支架。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例所提供的微波环导器件，其结构如图1所示意的，包括微环谐振腔1、直波导2、第一支架3、第二支架5和衬底4；
其中，第一支架3与第二支架5均置于衬底4上；直波导2置于第一支架3上，第一支架3的横截面为人字形，用于支撑直波导2使之相对衬底4悬空；微环谐振腔1置于第二支架5上，第二支架5整体形状与微环谐振腔1匹配，第二支架5的横截面为人字形，用于支撑微环谐振腔1使之相对衬底4悬空；直波导2与微环谐振腔1相互耦合。
图2所示，是实施例所提供的微波环导器件的横截面示意图；如图2所示，直波导2与微环谐振腔波导1分别在“人”字形的第一支架3与第二支架5的支撑下形成了相对于衬底的悬空结构。
本实施例中，直波导2位于微环谐振腔1的一侧，与微环谐振腔波导处于同一平面内，两者形成侧向耦合；泵浦光源通过直波导2侧向耦合进微环谐振腔1中；当泵浦光波长位于微环谐振腔1的谐振波长处时，由于微环的谐振效应，使得在注入泵浦光功率较低的情况下，微环谐振腔中的光功率密度得到增强，进而使得微环中由谐振光场产生的光力得到增强，从而很容易的激发出微环谐振腔中的本征模式声场；在声场和光场的相互作用下产生布里渊散射；又由于悬空的微环谐振腔结构能够将自激发产生的声场限制在微环谐振腔1中低损耗的传输，从而使得微环谐振腔1中的声场得到了加强，进而使得微环谐振腔1中的布里渊效应得到了增强，其直观的表现结果为产生了多阶的前向受激布里渊效应。
本实施例中，微环谐振腔1的半径为20微米，相对于现有技术，可极大的缩小器件的整体封装尺寸，是微环波导器件整体便于密集集成，同时器件的结构简单、所产生的布里渊效应效果明显。
在本发明中，微环谐振腔可采用圆环形、跑道状环形或其它的封闭环形结构；用于支撑微环谐振腔、使之形成悬空结构的支架可以采用“人”字形支架，或其他能使微环谐振腔相对衬底形成悬空结构的形状；可根据实际使用需求与工艺条件来选择；对于直波导与微环谐振腔，其材料可采用硅、氮化硅、硫系玻璃或氟化钙；这些材料的光弹系数较高，能产生较强的布里渊效应。
图3是实施例里提供的微环波导器件里，微环谐振腔中光场的本征模场分布仿真示意图；图4是实施例提供的微环波导器件中，微环谐振腔中光力在横向上光力场的仿真分布图；5是实施例提供的微环波导器件中，微环谐振腔中光力在竖向的仿真分布图；图6为实施例提供的微环波导器件的微环谐振腔中激发出的本征声场模式分布仿真示意图；从上述附图中可以分析，微环谐振腔中声场与光场的分布主要集中在波导中心，这有利于增加声场与光场的重叠面积，进而增强布里渊效应。图7为实施例的微环谐振腔的透射光谱图，其中“a”所标识的凹陷处所对应的波长为微环谐振腔的谐振波长。
图8所示，是实施例的微环波导器件中，悬空的微环谐振腔中谐振波长为1541.25nm附近处，谐振波长与注入泵浦光功率的关系曲线；从该图中可以分析出，随着注入泵浦光功率的增加，谐振波长将会向着长波长漂移。
图9所示，为实施例的微环波导器件中，悬空微环谐振腔结构在注入波长为1542.2nm、功率为5dBm的泵浦光时产生的前向布里渊效应中泵浦光与多阶斯托克斯光的拍频信号的实验室结果图；从该图可以分析出，微环谐振腔中的前向布里渊频移量为18MHz，并且产生了30多阶的级联前向布里渊效应；当改变注入泵浦光功率与泵浦光波长时，前向布里渊频移量与泵浦光功率和波长的关系如图10所示，从图10中可以分析出，本发明所提供的微环波导器件所具有的悬空微环腔形结构可以很方便的通过改变注入泵浦光功率和波长来调节前向布里渊频移量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微环波导器件，其特征在于，包括微环谐振腔(1)、直波导(2)、第一支架(3)、第二支架(5)和衬底(4)；
所述第一支架(3)与第二支架(5)均置于衬底(4)上；所述直波导(2)置于第一支架(3)上,所述第一支架用于支撑直波导(2)使之相对衬底(4)悬空；所述微环谐振腔(1)置于第二支架(5)上，所述第二支架(5)整体形状与微环谐振腔(1)匹配，用于支撑微环谐振腔(1)使之相对衬底(4)悬空；所述直波导(2)与微环谐振腔(1)相互耦合；
所述微环谐振腔(1)相对于衬底(4)形成悬空结构，使得微环谐振腔(1)中产生的声场能被限制在微环谐振腔(1)中低损耗传播，从而降低布里渊阈值，并且还能形成多阶的前向布里渊效应。
2.如权利要求1所述的微环波导器件，其特征在于，所述微环谐振腔(1)与直波导(2)的横截面的宽度均为0.4微米～1微米，使得微环波导器件中的光场只存在基模，利于微波环导器件与其它波导器件集成。
3.如权利要求1或2所述的微环波导器件，其特征在于，所述第一支架(3)与第二支架(5)均采用横截面上窄下宽的人字形结构；两个支架的上边缘宽度均不大于0.03微米。
4.如权利要求1或2所述的微环波导器件，其特征在于，所述直波导(2)的横截面与第一支架(3)的横截面沿中轴线对齐，所述微环谐振腔(1)的横截面与第二支架(5)的横截面沿中轴线对齐。
5.如权利要求1或2所述的微环波导器件，其特征在于，所述微环谐振腔(1)与直波导(2)侧向耦合。
6.如权利要求1或2所述的微环波导器件，其特征在于，所述微环谐振腔(1)与直波导(2)之间的最小间距处的距离为0.1微米～0.5微米，以利于光场从直波导(2)耦合到微环谐振腔(1)中。
7.如权利要求1或2所述的微环波导器件，其特征在于，所述微环谐振腔(1)整体呈圆环状或跑道型环状，可通过调节注入泵浦光功率和波长来调节微环谐振腔(1)中的布里渊频移量。
8.如权利要求1或2所述的微环波导器件，其特征在于，所述衬底(4)采用硅基片。
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