CN112859247B - 一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法 - Google Patents

一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法，属于光通信领域。耦合双环谐振器包括有两个微环谐振腔及两条直波导。其中两个微环谐振腔相互耦合，两条直波导耦合在同一个第一微环上，且不与第二微环发生耦合。本发明能够使输入光在系统内传输时通过改变一个谐振腔的折射率来操纵另外一个谐振腔内的谐振模式，使得相位和群速度发生改变，从而实现快慢光的连续调节。同时第二微环内光的谐振波长保持不变，谐振模式的光带宽会展宽或压缩。通过调节折射率移动第一微环的谐振波长，使得两个微环之间的耦合增大或者减小，不需要严格控制光程的变化，增大了容差。

Description

一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法
技术领域
本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法。
背景技术
微环谐振腔由微型环波导和直波导构成，已经被广泛应用在片上光通信和信息处理等方面，如滤波、调制、光延时、光缓存等。在微环谐振腔内实现快慢光的连续调谐是在集成器件中实现光缓存的基础。在色散材料和色散结构中控制光的速度，实现快慢光的连续可调已经被广泛研究。
目前在微环谐振腔中实现快慢光的主要手段是通过改变输入波导和谐振腔的耦合间距、改变输入光的偏振特性、利用微环和马赫曾德干涉仪或者反馈波导通过干涉调节相位来实现。然而这种调节机制存在难以集成、操作复杂、需要严格控制相位的变化和容差小等缺点。此外，研究者利用电磁感应透明(EIT)特性、受激布里渊散射等效应在微球谐振腔和微环谐振器也观察到了快慢光的变化。然而在连续调谐时必须操纵由多模谐振器或耦合谐振器提供的谐振模式，通过载流子注入等方式调节折射率，改变谐振腔内的谐振模式，会导致谐振波长发生移动。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法，旨在解决现有快慢光调节时操作复杂、容差小、谐振波长移动的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种耦合双环谐振器，包括第一微环、第二微环、第一直波导和第二直波导；所述第一直波导包括第一输入端和第一输出端，所述第二直波导包括第二输入端和第二输出端；
所述第二微环与第一微环相互耦合；
所述第一直波导和第二直波导位于所述第一微环的两侧，均与所述第一微环发生耦合；
入射光从所述第一输入端进入所述第一直波导，经耦合进入所述第一微环，再经耦合进入所述第二微环和所述第二直波导，其中一部分光从所述第二输出端输出，另一部分光经所述第一微环从所述第一输出端输出。
进一步地，所述第一直波导和第二直波导都不与所述第二微环发生耦合。
进一步地，所述第一微环、第二微环、第一直波导和第二直波导采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓制成。
本发明还提供了一种基于上述耦合双环谐振器的快慢光调节方法，包括以下步骤：
调节所述第一微环的折射率，使得第一微环的谐振波长与第二微环相同，并且入射光波长与两个微环谐振波长相同时，当入射光进入微环时会在第一微环和第二微环同时谐振，产生慢光；
改变所述第一微环的折射率，使得入射光的波长只与第二微环的谐振波长相等，当入射光进入所述耦合双环谐振器时只在第二微环内谐振，产生快光。
进一步地，所述第一微环的折射率通过热光、电光、全光或声光效应调节。
进一步地，当改变所述第一微环的折射率，使得入射光的波长只与第二微环的谐振波长相等时，通过控制第一微环和第二微环的相位差调整两个微环的失谐状态：所述相位差越接近π的奇数倍，两个微环的失谐越大，群速度提升越大，快光越大。
本发明还提供了一种光缓存系统，其使用上述耦合双环谐振器。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)当第一微环和第二微环的谐振波长相同时，输出端的透射谱表现为EIT谱线，输入谐振波长的光透过率最大，相位增加，群速度为正值，表现为慢光；当第一微环和第二微环的谐振波长不相同时，输出端的透射谱出现洛伦兹谐振峰，此时输入谐振波长的光透过率最小，相位减小，群速度为负值，表现为快光。
(2)本发明中两个微环的半径差比较小，因此不用同时调节两个微环的折射率来移动谐振波长，简化了实验操作。通过调节折射率移动第一微环的谐振波长，使得两个微环之间的耦合增大或者减小，不需要严格控制光程的变化，增大了容差。
(3)本发明通过改变第一微环的折射率，移动其谐振波长，使得两个谐振腔失谐或者失谐，透射谱发生变化，而第二微环内光的谐振波长保持不变，谐振模式的光带宽会展宽或压缩。
附图说明
图1是本发明耦合双环谐振的结构示意图；
图2是本发明两个微环谐振腔在同时谐振和失谐时第一输出端的频谱和第二微环谐振腔内谐振模式的光强分布图；
图3是本发明两个微环谐振腔在同时谐振和失谐时输入光的相位和延时变化曲线。
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。
本发明提出的一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法，耦合双环谐振器包括有两个微环谐振腔及两条直波导。波导和微环材料可以是绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓等，不局限于特定材料。其中两个微环谐振腔相互耦合，两条直波导耦合在同一个第一微环上，且不与第二微环发生耦合。当输入光进入第二微环后，其群速度与谐振波长附近的相移变化相关，相移变化主要取决于透射谱和两个环的共振和失谐状态，而所述的共振与失谐状态取决于两个微环谐振腔的谐振波长差，微环谐振腔的谐振波长可以利用热光效应、电光效应、全光效应或者声光效应改变折射率来实现，不局限于特定的折射率调节方式。本发明能够使输入光在系统内传输时通过改变一个谐振腔的折射率来操纵另外一个谐振腔内的谐振模式，使得相位和群速度发生改变，从而实现快慢光的连续调节。
下面介绍本发明的基本原理。光经过系统后第一输出端的强度透过率
Figure BDA0002905673720000041
相位变化为φ＝angle(t)，群延时为
Figure BDA0002905673720000042
环内谐振模式的光强为
Figure BDA0002905673720000043
其中，τ21＝[t2-a2exp(-iδ2)/[1-a2t2exp(-iδ2)]，λ是第二微环的谐振波长，t是第一输出端的振幅透过率，k1，2和t1，2分别是直波导和微环谐振腔之间、两个微环之间的振幅耦合系数和透射系数，δ1，2＝ωnπR1，2/c分别是绕第一微环和第二微环一周的相位变化，n是微环谐振腔的折射率，a1，2分别是光在第一微环、第二微环绕一周的损耗系数。当两个微环的相位差是π的偶数倍时，两个微环的谐振波长相同，同时谐振，第一输出端的透射谱展示出EIT谱线，且第二微环内的谐振模式带宽展宽。当两环的相位差是π的奇数倍时，两个微环的谐振波长不同，两个微环谐振腔失谐，第一输出端的透射谱为洛伦兹谐振峰，第二微环内谐振模式的光带宽被压缩。所以通过控制一个微环谐振腔的折射率移动其谐振波长，从而控制两个微环谐振腔的共振或者失谐，输出的透射谱在EIT谱线和洛伦兹谱线之间改变，谐振的带宽发生改变，而第二微环内的谐振波长不变。
在这个过程中，通过调节第一微环的折射率，移动谐振波长，使得两个微环谐振腔的谐振波长相同，并且输入光波长与两个环谐振波长相同时，当输入光进入微环时会在第一微环和第二微环同时谐振，产生EIT效应，在谐振波长处的透过率最大，相位增加，群速度为正值，就会表现为慢光。当调节第一微环1的折射率，使得输入光的波长只与第二微环的谐振波长相等，当输入光进入该系统时只在第二微环内谐振，在谐振波长处的透过率最小，相位减小，群速度为负值，表现为快光。当恢复第一微环的折射率后，输入光波长又同时与两个微环谐振腔的谐振频率相同，在两个环内同时谐振，输入光经过该系统又会出现慢光效应。因此改变第一微环的折射率，当第一输出端的谱线为EIT谱线时，输入谐振波长的光会产生慢光，当第一输出端的谱线为洛伦兹谐振峰时，输入谐振波长的光会产生快光。
同时第一微环折射率的改变量与两个微环谐振腔的相位差相关，当两个环的相位差越接近π的奇数倍时，两个微环谐振腔的失谐越大，那么第一输出端的谱线越接近洛伦兹谐振，群速度提升越大，快光越大。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
如图1所示，本发明设计了一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法，包括第一微环1、第二微环2、第一直波导3、第二直波导4，第一直波导包括第一输入端8和第一输出端9，第二直波导包括第二输入端11和第二输出端10。入射光从第一输入端8进入直波导3，经过第一耦合区5进入第一微环1，在第一微环1内谐振，又因为第二耦合区6的存在，输入光也会进入第二微环2谐振，又因为第三耦合区7的存在，第一微环1的光会进入直波导4，其中一部分光从第二输出端10输出，另一部分光经过第一耦合区5从第一输出端9输出。当两个微环谐振腔的谐振波长相同时，输入光进入两个微环谐振腔，并在两个微环中同时谐振。而改变第一微环1的折射率，使其谐振波长移动，此时两个微环的谐振波长不相同，入射光从第一输入端8输入，经过第一耦合区5和第二耦合区6进入第二微环2，在第二微环2中谐振，而不与第一微环1发生谐振。第一微环1与第二微环2之间共振或者失谐，导致第二微环2谐振腔内的谐振模式发生变化。当两个微环谐振腔共振时，第二微环2内光的谐振模式带宽展宽，更多波长的输入光可以进入谐振腔内，且在谐振波长处的透过率最大，输入光的相位增大，群速度减小，表现为慢光。而当两个微环谐振腔失谐时，第二微环2内光的谐振模式带宽压缩，能在环内谐振的波长减少，且谐振波长处的透过率最小，输入光的相位减小，群速度增大，实现快光。
为了验证本发明能够实现该功能，特举例验证进行说明。
本验证是采用数值仿真进行计算分析，仿真中所用到的主要参数有：第一微环1的半径为28.02μm，第二微环2的半径为21.03μm，直波导与第一微环1的振幅透射系数为0.9，两个环之间的振幅透射系数为0.99。
第一微环1波导的损耗系数为0.95，第二微环2波导的损耗系数为0.99。第一微环1的折射率分别为2.748和2.7506，第二微环2的折射率为2.748，当第一微环1的折射率为2.7506，第二微环2的折射率为2.748时，两个微环同时谐振，谐振波长均为1532.466nm，当第一微环1和第二微环2的折射率都等于2.748时，第一微环1的谐振波长为1531.000nm，第二微环2的谐振波长为1532.466nm。图2示出了第一微环1在两种折射率下，第一输出端的透射谱和第二微环2内谐振模式的光强分布图。图2中的(a)为第一微环1的折射率为2.7506时，第一输出端的透射谱为EIT谱线；图2中的(c)为第一微环1的折射率为2.748时的透射谱，此时透射谱为洛伦兹谐振谱，可以看出在改变第一微环1折射率时，第二微环2谐振波长处对应的透射谱发生了变化。同时图2中的(b)和(d)分别是第一微环1的折射率为2.7506和2.748时第二微环2内光谐振模式的光强分布图，从图中可以看出谐振模式的带宽从0.237nm变为0.023nm，带宽可以在两个微环从共振到失谐的变化过程中被压缩或者展宽。
图3中的(a)、(c)展示了两个微环谐振腔同时谐振时的相位和延时曲线图，其中虚线对应谐振波长，可以看出在谐振波长处的相位增加，输入光经过器件传输后群速度减慢，延时量为10.9ps。图3中的(b)、(d)为两个微环谐振腔失谐时的相位和延时曲线图，谐振波长处对应的相位减小，输入光经过器件后群速度加快，延时量为-15.3ps。
该器件实现快慢光调节时，当两个微环同时谐振时，输入光进入第二微环2内，此时系统为大带宽EIT状态，谐振波长的光透过率最大，输入光相位增大，群速度减慢。当改变第一微环1的折射率，两个微环失谐，系统为窄带宽洛伦兹谐振状态，谐振波长的光透过率最小，输入光相位减小，群速度加快。
综上，本发明提供的一种耦合双环谐振器及快慢光调节方法，通过调节第一微环1的折射率，控制两个微环之间的谐振与失谐，可以实现第二微环2内光的光谐振模式的变化，带宽压缩或展宽，并且实现了快慢光的调谐，可以应用在光缓存和光信号处理等方面。
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 (7)

1.一种耦合双环谐振器，其特征在于，包括第一微环、第二微环、第一直波导和第二直波导；所述第一直波导包括第一输入端和第一输出端，所述第二直波导包括第二输入端和第二输出端；
所述第二微环与第一微环相互耦合；所述第一微环和第二微环之间的振幅透射系数与所述第二微环的损耗系数相等，且均为0.99；
所述第一直波导和第二直波导位于所述第一微环的两侧，均与所述第一微环发生耦合；
入射光从所述第一输入端进入所述第一直波导，经耦合进入所述第一微环，再经耦合进入所述第二微环和所述第二直波导，其中一部分光从所述第二输出端输出，另一部分光经所述第一微环从所述第一输出端输出；通过改变第一微环的折射率，移动第一微环的谐振波长，使得两个谐振腔共振或者失谐，实现快慢光的调谐；在调谐的过程中，所述第二微环的谐振波长保持不变。
2.如权利要求1所述的耦合双环谐振器，其特征在于，所述第一直波导和第二直波导都不与所述第二微环发生耦合。
3.如权利要求1或2所述的耦合双环谐振器，其特征在于，所述第一微环、第二微环、第一直波导和第二直波导采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓制成。
4.基于权利要求1所述的耦合双环谐振器的快慢光调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
调节所述第一微环的折射率，使得第一微环的谐振波长与第二微环相同，并且入射光波长与两个微环谐振波长相同时，当入射光进入微环时会在第一微环和第二微环同时谐振，产生慢光；
改变所述第一微环的折射率，使得入射光的波长只与第二微环的谐振波长相等，当入射光进入所述耦合双环谐振器时只在第二微环内谐振，产生快光。
5.如权利要求4所述的快慢光调节方法，其特征在于，所述第一微环的折射率通过热光、电光、全光或声光效应调节。
6.如权利要求4所述的快慢光调节方法，其特征在于，当改变所述第一微环的折射率，使得入射光的波长只与第二微环的谐振波长相等时，通过控制第一微环和第二微环的相位差调整两个微环的失谐状态：所述相位差越接近的奇数倍，两个微环的失谐越大，群速度提升越大，快光越大。
7.一种光缓存系统，使用如权利要求1-3任一项所述的耦合双环谐振器。
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