CN109638630A - 一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置。该装置包括波长可调光源、偏振控制器、光纤及光学微腔；波长可调光源通过光纤与偏振控制器的输入端连接；光纤从偏振控制器的输出端延伸至光学微腔，光纤包括锥状结构，光纤通过锥状结构与光学微腔耦合；光学微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；波长可调光源用于提供泵浦光，泵浦光在光学微腔中发生前向布里渊散射，产生斯托克斯光；偏振控制器用于调节泵浦光与光学微腔的耦合效率；调节泵浦光，泵浦光、斯托克斯光和光学微腔相互作用，以使光学微腔表面产生表面声波。本发明的技术方案，可以产生表面声波，而且利用片上集成的光学微腔器件，有利于实现全光集成。
Description
技术领域
本发明实施例涉及表面声波技术，尤其涉及一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置。
背景技术
表面声波(Surface acoustic wave，SAW)是一种沿弹性材料表面传播、振幅随深入表面深度指数衰减的弹性波。利用表面声波的传播原理广泛应用于滤波器、振荡器、变压器和传感器中。
现有技术中，已有利用光束激发表面声波的结构，例如通过将光纤熔融成为球状，通过光束激发出表面声波。但这种结构无法集成在硅片上，不利于将来实现全光集成器件的发展，阻碍了表面声波器件小型化、集成化的发展。
发明内容
本发明提供一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，以产生表面声波，而且利用片上集成的光学微腔器件，有利于实现全光集成。
本发明实施例提供一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，包括波长可调光源、偏振控制器、光纤以及光学微腔；
所述波长可调光源通过所述光纤与所述偏振控制器的输入端连接；所述光纤从所述偏振控制器的输出端延伸至所述光学微腔，延伸至所述光学微腔的所述光纤包括锥状结构，所述光纤通过所述锥状结构与所述光学微腔耦合；
其中，所述光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；
所述波长可调光源用于提供泵浦光，所述泵浦光在所述光学微腔中发生前向布里渊散射，产生斯托克斯光；
所述偏振控制器用于调节所述光纤中的所述泵浦光与所述光学微腔的耦合效率；
调节所述波长可调光源产生的泵浦光，所述泵浦光、所述斯托克斯光和所述光学微腔相互作用，以使所述光学微腔表面产生表面声波。
可选的，还包括：
温度调节单元，用于调节所述光学微腔的温度。
可选的，还包括：
压力调节单元，作用在所述光学微腔的腔体上，用于改变所述光学微腔的腔体的有效折射率。
可选的，还包括第一耦合器、第二耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、示波器以及频谱仪：
所述第一耦合器的输入端通过所述光纤与所述偏振控制器的输出端连接，所述光纤通过所述第一耦合器的第一输出端延伸至所述光学微腔，所述第一耦合器的第二输出端与所述第一光电探测器连接，所述第一光电探测器与所述示波器连接；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第二耦合器的输入端连接，所述第二耦合器的第一输出端与所述第二光电探测器连接，所述第二光电探测器与所述示波器连接，所述第二耦合器的第二输出端与所述第三光电探测器连接，所述第三光电探测器与所述频谱仪连接；
所述示波器用于输出所述第一光电探测器和所述第二光电探测器探测的时域波形，所述频谱仪用于输出所述第三光电探测器探测的频域波形。
可选的，还包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪的输入端通过所述光纤与所述第一耦合器的第二输出端连接，所述马赫-曾德尔干涉仪的输出端与所述第一光电探测器连接，所述马赫-曾德尔干涉仪用于校准所述波长可调光源的压电系数。
可选的，还包括第三耦合器、第四耦合器、第一功率计和第二功率计；
所述第三耦合器的输入端通过所述光纤与所述第一耦合器的第一输出端连接，所述光纤通过所述第三耦合器的第一输出端延伸至所述光学微腔，所述第三耦合器的第二输出端与所述第一功率计连接；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第四耦合器的输入端连接，所述第四耦合器的第一输出端通过所述光纤与所述第二耦合器的输入端连接，所述第四耦合器的第二输出端与所述第二功率计连接。
可选的，还包括衰减器，所述衰减器的输入端通过所述光纤与所述波长可调光源的输出端连接，所述衰减器的输出端通过所述光纤与所述偏振控制器的输入端连接。
可选的，所述波长可调光源为波长可调激光器。
可选的，所述波长可调激光器的波长范围为1520nm～1570nm。
可选的，所述腔体的材料包括二氧化硅或氟化钙。
本发明实施例提供的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，包括波长可调光源、偏振控制器、光纤以及光学微腔；波长可调光源通过光纤与偏振控制器的输入端连接；其中，光学微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；光纤从偏振控制器的输出端延伸至光学微腔，延伸至光学微腔的光纤包括锥状结构，光纤通过锥状结构与光学微腔耦合。通过波长可调光源提供泵浦光，泵浦光在光学微腔中发生前向布里渊散射，产生斯托克斯光；通过偏振控制器调节光纤中的泵浦光与光学微腔的耦合效率；通过调节波长可调光源产生的泵浦光，当泵浦光、斯托克斯光和光学微腔中能够传播的表面声波三者同时满足能量守恒和动量守恒时，光学微腔表面产生表面声波，且本发明实施例利用片上集成的光学微腔，有利于实现全光集成。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种光学微腔的俯视结构示意图；
图3是图2中沿剖线A-A′的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的又一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的又一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图；
图7是本发明实施例光学微腔光学模式的透射谱线示意图；
图8是本发明实施例中频谱仪采集的拍频信号的波形示意图；
图9是本发明实施例中示波器采集的时域波形示意图；
图10是本发明实施例产生的表面声波的射频功率随输入功率变化曲线；
图11是本发明实施例产生的表面声波的功率谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的中的具体含义。
图1所示为本发明实施例提供的一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图。参考图1，该片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置包括波长可调光源10、偏振控制器20、光纤30以及光学微腔40；波长可调光源10通过光纤30与偏振控制器20的输入端连接；光纤30从偏振控制器20的输出端延伸至光学微腔40，延伸至光学微腔40的光纤30包括锥状结构，光纤30通过锥状结构与光学微腔40耦合；其中，光学微腔40包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和腔体；波长可调光源10用于提供泵浦光，泵浦光在光纤微腔40中发生前向布里渊散射，产生斯托克斯光；偏振控制器20用于调节光纤30中的泵浦光与光学微腔40的耦合效率；调节波长可调光源10产生的泵浦光，泵浦光、斯托克斯光和光学微腔40相互作用，以使光学微腔40表面产生表面声波。
其中，波长可调光源10能够输出预设波长范围内可连续调节的泵浦光，用于激发表面声波。本发明实施例利用布里渊散射原理，可以理解的是，在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。光学微腔40为一种片上集成器件，其中可以集成在作为衬底的硅片上，可以理解的是，光学微腔40的腔体具有一个可以传输的本征光学模式，光纤30中传输的光在锥状结构产生倏逝场，实现与光学微腔40与光纤30的耦合，锥状结构可以通过光纤熔融拉锥得到。通过调节偏振控制器20的状态，可以调节泵浦光与光学微腔40的耦合效率，其中偏振控制器20可以采用三环式或嵌入式偏振控制器，本发明实施例对此不作限定。通过设置不同光学微腔40的腔体的形状和尺寸，可以产生不同频率的表面声波。
该片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的工作原理为：波长可调光源10发出的泵浦光，泵浦光通过光纤30传输，经过偏振控制器20后传输到光学微腔40，在光学微腔40中发生布里渊散射产生斯托克斯光。泵浦光光纤30的锥状结构产生的倏逝场与光学微腔40相互耦合，光学微腔40中包括两个光学回音壁模式(频率为ωp、传播常数为Mp光学模式与频率为ωs、传播常数为Ms光学模式)和一个表面声学模式(频率为Ωa、传播常数为Ma的声学模式)。当泵浦光、斯托克斯光和表面声波同时满足能量守恒(ωp＝ωs+Ωa)和动量守恒(Mp＝Ms+Ma)时，由于光弹性散射，沿光学微腔40表面传播的表面声波犹如光学光栅一样将泵浦光散射成为斯托克斯光，而泵浦光和斯托克斯光由于光致伸缩效应又驱动着表面声波的传播。当泵浦光功率超过表面声波激发的阈值时，将会产生表面声波。
本实施例的技术方案，通过波长可调光源提供泵浦光，泵浦光在光学微腔中发生前向布里渊散射，产生斯托克斯光；通过偏振控制器调节光纤中的泵浦光与光学微腔的耦合效率；通过调节波长可调光源产生的泵浦光，当泵浦光、斯托克斯光和光学微腔中能够传播的表面声波三者同时满足能量守恒和动量守恒时，光学微腔表面产生表面声波，且本发明实施例利用片上集成的光学微腔，有利于实现全光集成。
可选的，波长可调光源可以为波长可调激光器。可选的，波长可调激光器的波长范围为1520nm～1570nm。
可以理解的是，由于激光具有亮度高、方向性好、单色性好等诸多优点，在具体实施时，波长可调光源可以为波长可调激光器，例如可以为波长可调的光纤激光器，在本实施例中，波长可调激光器的波长范围为1520nm～1570nm。
可选的，腔体的材料包括二氧化硅或氟化钙。
示例性的，图2所示为本发明实施例提供的一种光学微腔的俯视结构示意图，图3为图2中沿剖线A-A′的剖面结构示意图。参考图2和图3，该光学微腔为包括衬底41和位于衬底一侧的支撑柱42和腔体43。衬底41和支撑柱42都可以选用硅，腔体43可以选用二氧化硅；或者通过打磨氟化钙形成光学微腔结构。在本实施例中，腔体43为微环芯腔，微环芯腔外边缘轮廓俯视呈圆形(如图2所示)，由中间的盘状结构以及边缘的环芯结构组成。在其他实施例中，腔体43还可以为盘状、球状等形状，本发明实施例对此不作限定。
在上述实施例的基础上，图4所示为本发明实施例提供的另一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图。参考图4，可选的，本实施例提供的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置还包括：温度调节单元50，用于调节光学微腔40的温度。
可以理解的是，通过温度调节单元50改变光学微腔40的温度，可以改变光纤微腔40的光学回音壁模式的间距，激发出不同频率的表面声波。具体实施时，可以在光学微腔40下方设置温度控制装置，也可以通过改变环境温度实现，本发明实施例对此不作限定。
图5所示为本发明实施例提供的又一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图。参考图5，可选的，本实施例提供的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置还包括：压力调节单元51，作用在光学微腔40的腔体上，用于改变光学微腔40的腔体的有效折射率。
可以理解的是，通过压力调节单元51给光学微腔40的腔体施加压力，例如可以是通过探针给光学微腔40的腔体施加压力，可以改变光纤微腔40的腔体的有效折射率，从而改变光学微腔40光学回音壁模式的间距，激发出不同频率的表面声波。
通过温度或压力调控光学微腔的光学回音壁模式间的间距，能大大降低对样品制备上的要求，使得激发表面声波的成功率更高。
图6所示为本发明实施例提供的又一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置的结构示意图。参考图6，可选的，本实施例提供的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置还包括第一耦合器60、第二耦合器61、第一光电探测器70、第二光电探测器71、第三光电探测器72、示波器80以及频谱仪81：第一耦合器60的输入端通过光纤与偏振控制器20的输出端连接，光纤通过第一耦合器60的第一输出端延伸至光学微腔40，第一耦合器60的第二输出端与第一光电探测器70连接，第一光电探测器70与示波器80连接；从光学微腔40延伸出的光纤与第二耦合器60的输入端连接，第二耦合器61的第一输出端与第二光电探测器71连接，第二光电探测器71与示波器80连接，第二耦合器61的第二输出端与第三光电探测器72连接，第三光电探测器72与频谱仪81连接；示波器80用于输出第一光电探测器70和第二光电探测器71探测的时域波形，频谱仪81用于输出第三光电探测器72探测的频域波形。第一耦合器60和第二耦合器61具有预设的分光比，例如可以是第一耦合器60分光比为90：10(第一输出端：第二输出端)，第二耦合器61分光比为50：50(第一输出端：第二输出端)，具体分光比可以根据实际条件进行选择。
可以理解的是，为了验证本发明实施例提供的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置在光学微腔40是否产生表面声波，需要进行测试，通过观察示波器的时域波形和频谱仪的频域波形判断是否有表面声波产生。
可选的，继续参考图6，该片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置还包括马赫-曾德尔干涉仪82，马赫-曾德尔干涉仪82的输入端通过光纤与第一耦合器60的第二输出端连接，马赫-曾德尔干涉仪82的输出端与第一光电探测器70连接，马赫-曾德尔干涉仪82用于校准波长可调光源10的压电系数。
通过马赫-曾德尔干涉仪82校准波长可调光源10的压电系数，可以提高示波器80测量数据的准确性。
可选的，继续参考图6，该片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置还包括第三耦合器62、第四耦合器63、第一功率计64和第二功率计65；第三耦合器62的输入端通过光纤与第一耦合器60的第一输出端连接，光纤30通过第三耦合器62的第一输出端延伸至光学微腔40，第三耦合器62的第二输出端与第一功率计64连接；从光学微腔40延伸出的光纤与第四耦合器63的输入端连接，第四耦合器63的第一输出端通过光纤与第二耦合器61的输入端连接，第四耦合器63的第二输出端与第二功率计65连接。
可以理解的是，第三耦合器62和第四耦合器63具有预设的分光比(例如第一输出端与第二输出端的分光比为99：1)，通过设置第一功率计64和第二功率计65，可以实时监测装置中光功率。
可选的，继续参考图6，该片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置还包括衰减器90，衰减器90的输入端通过光纤30与波长可调光源10的输出端连接，衰减器90的输出端通过光纤与偏振控制器20的输入端连接。
具体的，利用图6中所示的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，通过改变波长可调光源10的波长来测量光学微腔40的光学回音壁模式来寻找满足要求的一组泵浦光和斯托克斯光。在本发明实施例中，波长可调光源10为波长可调范围1520nm～1570nm的激光器，光学微腔40为图2所示的微环芯腔，微环芯腔的结构整体半径为28.98μm，边缘环芯结构的半径为5.96μm。测量到在1523nm处附近，有一组合适的光学模式，如图7所示为本发明实施例中光学微腔光学模式的透射谱线示意图。将两个光学模式中的高频一支光学模式当作泵浦光，将激光波长通过热锁的方式锁定在该模式内；由于前向布里渊散射，泵浦光散射产生斯托克斯光。若不满足能量守恒关系，即斯托克斯光的频率与微环芯腔中低频一支光学模式频率不完全一致，将看不到表面声波的产生。此时，需要调节微环芯腔中两个光学模式之前的频率间隔，使之满足能量守恒关系。在本实施例中调节频率间隔的方式是通过改变微环芯腔的温度来实现的；将微环芯腔放置在半导体制冷片上(TEC3-2.5)，然后再通过控制器(PTC-10)来控制半导体制冷片的温度，温度则传递给上面的微环芯腔。当满足能量守恒关系时，在频谱仪81上看到泵浦光和斯托克斯光的拍频信号，如图8所示为本发明实施例中频谱仪采集的拍频信号的波形示意图。由图8可知，拍频信号的频率为181.7MHz，与光学模式的频率差相吻合。
进一步的，要证明表面升波的产生，还需要在示波器80上观察到时域上的呈正弦线型的振荡曲线，如图9所示为本发明实施例中示波器采集的时域波形示意图。通过时域与频域间的换算可以得到，曲线的振荡频率也为181.7MHz，与此前的数据也相吻合。
进一步的，图10所示为本发明实施例产生的表面声波的射频功率随输入功率变化曲线。参考图10，通过拟合得到表面波的阈值为1.3mW。图11所示为本发明实施例产生的表面声波的功率谱示意图。参考图11，通过在较小功率测得表面波的线宽为9.8kHz，计算得到力学品质因子为18500。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，包括波长可调光源、偏振控制器、光纤以及光学微腔；
所述波长可调光源通过所述光纤与所述偏振控制器的输入端连接；所述光纤从所述偏振控制器的输出端延伸至所述光学微腔，延伸至所述光学微腔的所述光纤包括锥状结构，所述光纤通过所述锥状结构与所述光学微腔耦合；
其中，所述光学微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和腔体；
所述波长可调光源用于提供泵浦光，所述泵浦光在所述光学微腔中发生前向布里渊散射，产生斯托克斯光；
所述偏振控制器用于调节所述光纤中的所述泵浦光与所述光学微腔的耦合效率；
调节所述波长可调光源产生的泵浦光，所述泵浦光、所述斯托克斯光和所述光学微腔相互作用，以使所述光学微腔表面产生表面声波。
2.根据权利要求1所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，还包括：
温度调节单元，用于调节所述光学微腔的温度。
3.根据权利要求1所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，还包括：
压力调节单元，作用在所述光学微腔的腔体上，用于改变所述光学微腔的腔体的有效折射率。
4.根据权利要求1所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，还包括第一耦合器、第二耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、示波器以及频谱仪：
所述第一耦合器的输入端通过所述光纤与所述偏振控制器的输出端连接，所述光纤通过所述第一耦合器的第一输出端延伸至所述光学微腔，所述第一耦合器的第二输出端与所述第一光电探测器连接，所述第一光电探测器与所述示波器连接；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第二耦合器的输入端连接，所述第二耦合器的第一输出端与所述第二光电探测器连接，所述第二光电探测器与所述示波器连接，所述第二耦合器的第二输出端与所述第三光电探测器连接，所述第三光电探测器与所述频谱仪连接；
所述示波器用于输出所述第一光电探测器和所述第二光电探测器探测的时域波形，所述频谱仪用于输出所述第三光电探测器探测的频域波形。
5.根据权利要求4所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，还包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪的输入端通过所述光纤与所述第一耦合器的第二输出端连接，所述马赫-曾德尔干涉仪的输出端与所述第一光电探测器连接，所述马赫-曾德尔干涉仪用于校准所述波长可调光源的压电系数。
6.根据权利要求4所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，还包括第三耦合器、第四耦合器、第一功率计和第二功率计；
所述第三耦合器的输入端通过所述光纤与所述第一耦合器的第一输出端连接，所述光纤通过所述第三耦合器的第一输出端延伸至所述光学微腔，所述第三耦合器的第二输出端与所述第一功率计连接；
从所述光学微腔延伸出的所述光纤与所述第四耦合器的输入端连接，所述第四耦合器的第一输出端通过所述光纤与所述第二耦合器的输入端连接，所述第四耦合器的第二输出端与所述第二功率计连接。
7.根据权利要求1所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，还包括衰减器，所述衰减器的输入端通过所述光纤与所述波长可调光源的输出端连接，所述衰减器的输出端通过所述光纤与所述偏振控制器的输入端连接。
8.根据权利要求1所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，所述波长可调光源为波长可调激光器。
9.根据权利要求8所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，所述波长可调激光器的波长范围为1520nm～1570nm。
10.根据权利要求1所述的片上集成的光学微腔表面波光力振荡装置，其特征在于，所述腔体的材料包括二氧化硅或氟化钙。
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