CN114207960A - 抑制环形谐振器的单个阶的腔内光栅 - Google Patents
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Abstract
提供了具有腔内光栅以破坏单个谐振阶的光学环形谐振器(102,1802)中的微波光学换能器(100,1800)。在一个方面，微波光学换能器(100,1800)包括：具有腔内光栅的光学环形谐振器(102,1802)；以及微波信号波导(106,1806)，其光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器(102,1802)。还提供了具有光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器(102,1802)的多个泵浦光子光学环形谐振器(1810a,1810b)和多个信号光子光学环形谐振器(1812a,1812b,1812c)以及形成微波光学换能器(100,1800)的方法和用于微波光学换能的方法。
Description
技术领域
本发明涉及微波光学换能器，更具体地，涉及具有腔内光栅的光学环形谐振器中的微波光学换能器，通过模式分裂或过量损耗抑制单个谐振阶，从而允许以峰值效率将微波信号转换成光信号。
背景技术
链接微波电信号和光子以用于量子信息处理的能力要求微波和光域之间的有效转换。微波光学换能器可以用于这种转换。换能器可以包括光学环形谐振器。
其中具有光学环形谐振器结构的微波光学换能器需要在两个光学谐振阶之间耦合微波光子。然而，对于给定的泵浦光子频率，通常存在可以耦合到的蓝色失谐(detuned)和红色失谐谐振。在量子域中，这将导致单谐振的50％的最大效率。
因此，抑制微波光学信号转换到光学环形换能器中的不期望谐振阶的技术是被期望的。
发明内容
本发明提供了一种具有腔内光栅以便分割单个谐振阶的光学环形谐振器中的微波光学换能器，从而允许以峰值效率将微波转换为光学信号。在本发明的一个方面，提供了一种微波光学换能器。该微波光学换能器包括：具有腔内光栅的光学环形谐振器；以及光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器的微波信号波导。
在本发明的另一个方面，提供了另一种微波光学换能器。微波光学换能器包括：具有腔内光栅的光学环形谐振器，该腔内光栅具有芯体和与该芯体相邻的消逝特征；微波信号波导，其光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器；多个泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器，形成隔离的泵浦光子路径；以及多个信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器，形成隔离的信号光子路径。
在本发明的又一方面，提供了一种形成微波光学换能器的方法。该方法包括：在衬底上提供第一Si层；图案化第一Si层以在衬底上形成具有光学环形谐振器形状的第一Si层的图案化部；在衬底上在第一Si层的图案化部上方沉积SiGe层；将SiGe层图案化为芯体和与该芯体相邻的消逝特征，其中消逝特征包括基底部和宽度调制部，宽度调制部具有沿着基底部面向芯体的表面连续调制的宽度以形成腔内光栅；在衬底上在芯体和与芯体相邻的消逝特征上方沉积第二Si层；以及图案化第二Si层以形成第二Si层的图案化部，该图案化部包围芯体和与芯体相邻的消逝特征。
在本发明的又一方面，提供了一种用于微波光学换能的方法。该方法包括：提供微波光学换能器，该微波光学换能器包括具有腔内光栅的光学环形谐振器和光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器的微波信号波导；向具有腔内光栅的光学环形谐振器提供频率为fP的光学泵浦光子，其中相对于该光学泵浦光子频率(fP)存在两个光学谐振，并且其中，腔内光栅破坏该两个光学谐振之一；经由微波信号波导向具有腔内光栅的光学环形谐振器提供频率为fRF的微波输入光子；以及将频率为fP的光学泵浦输入光子转换成频率为fS的输出信号，其中fS＝fP-fRF。
通过参考以下详细描述和附图，将获得对本发明的更完整理解以及本发明的进一步特征和优点。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的微波光学换能器的自顶向下示图，该微波光学换能器在衬底上具有含有腔内光栅的单个光学环形谐振器、输入泵浦光子波导和微波信号波导；
图2是根据本发明实施例的图1的具有腔内光栅(由消逝特征形成，与芯体相邻，具有基底部和宽度调制部)和微波信号波导的光学环形谐振器的横截面示图；
图3是示出根据本发明的实施例的作为基底部从芯体偏移的距离的函数的场反射的示图；
图4是示出根据本发明实施例的低折射率衬底上的(第一)Si层的示图；
图5是示出根据本发明实施例的已经被图案化以在衬底上形成光学环形谐振器、输入泵浦光子波导和微波信号波导的形状的第一Si层的图案化部的自顶向下示图；
图6是示出根据本发明实施例的已经沉积到衬底上第一Si层的图案化部上方的高折射率材料层的自顶向下示图；
图7是示出根据本发明实施例的已被图案化成微波信号波导的芯体和光学环形谐振器的芯体/消逝特征的高折射率材料层的横截面示图；
图8是示出根据本发明实施例的已被图案化成输入泵浦光子波导的芯体的高折射率材料层的横截面示图；
图9是根据本发明实施例的自顶向下示图，其中宽度调制部形成腔内光栅，该腔内光栅沿着与光学环形谐振器的芯体(即，外环)相邻的基底部(即，内环)的一侧是连续的；
图10是示出根据本发明实施例的已经沉积到衬底101上在微波信号波导的芯体、光学环形谐振器的芯体/消逝特征和输入泵浦光子波导的芯体上方的第二Si层的自顶向下示图；
图11是示出根据本发明实施例的第二Si层的横截面示图，该第二Si层已被图案化以形成第二Si层的包围微波信号波导的芯体和光学环形谐振器的芯体/消逝特征的图案化部；
图12是示出根据本发明实施例的已被图案化以形成第二Si层的包围输入泵浦光波导的芯体的图案化部的横截面示图；
图13是示出根据本发明实施例的横截面示图，其中，对于光学环形谐振器，已在衬底上形成底电极，已在第二Si层的图案化部上形成顶电极，并且已在衬底上第一Si层的图案化部的对侧形成偏置电极；
图14是根据本发明实施例的光学环形谐振器的“内环”(即，基底部)上的腔内光栅(由宽度调制部形成)的图像；
图15是示出利用光学环形谐振器，存在泵浦谐振可以耦合到的蓝色失谐谐振和红色失谐谐振的示图；
图16是示出根据本发明实施例的腔内光栅的场反射光谱的示图；
图17是根据本发明实施例的示出在光学环形谐振器中相对于光学泵浦输入光子频率(fP)存在两个相邻的光学谐振，即fG的蓝色侧谐振和fS的红色侧谐振，并且腔内光栅在未使用的谐振阶fG破坏了蓝色相邻模式；
图18是示出根据本发明实施例的具有形成隔离的泵浦和信号路径的多个光学环形谐振器和具有腔内光栅的转换光学环形谐振器的示例性微波光学换能器的示图；以及
图19是示出根据本发明实施例的用于微波光学转换的示例性方法的示图。
具体实施方式
通过电光效应方式的微波光学转换可以使用光学环形谐振器结构来实现，其中微波谐振器被形成为在空间上重叠射频(RF)模式和光学模式。微波频率通常是指大于或等于约1千兆赫(GHz)的那些RF频率。如上所述，光学环形谐振器耦合两个光学谐振阶之间的频率为fRF的微波光子，例如光学泵浦的频率(fP)和输出光学信号的频率(fS)。例如，参见图1。
图1示出了在衬底101上具有单个光学环形谐振器102的微波光学换能器100。图1所示的微波光学换能器100的配置仅仅是示例，下面将详细描述具有多个光学环形谐振器的换能器设计。参考图1，光学环形谐振器102是闭环光学环形形状的波导。如下面将详细描述的，这里使用的每个波导通常包括由第一材料形成的芯体，该芯体被较低折射率的第二/不同材料包围。即，用于芯体的材料具有比围绕它的材料更高的折射率，使得波导提供主模态折射率导光(index guiding)。仅作为示例，用于波导的合适材料包括但不限于作为用于芯体的第一材料的硅锗(SiGe)和作为围绕芯体的第二材料的硅(Si)。
顶电极103位于光学环形谐振器102的至少一部分上方。例如，根据示例性实施例，顶电极103具有月牙形状，其覆盖光学环形谐振器102的一部分，形成四分之一波长的RF谐振器，其提供顶电极103与光学环形谐振器102的紧密集成。
光学环形谐振器102光学耦合到输入泵浦光子波导104。如图1所示，输入泵浦光子波导104将频率为fP的光学泵浦输入光子运载到光学环形谐振器102。如本领域所熟知的，光学泵浦包括将窄线宽激光器的发射耦合到光学泵浦波导中，以在光学环形谐振器102中建立循环光学泵浦模式激励，其中，在频率fP，具有例如100,000和10,000,000之间的平均光子数。微波信号波导106也光学耦合到光学环形谐振器102。微波信号波导106将频率为fRF的微波输入光子运载到光学环形谐振器102。如上所述，如光学环形谐振器102(以及这里采用的任何其它波导)，输入泵浦光子波导104和微波信号波导106通常均包括由第一材料(例如SiGe)形成的芯体，该芯体被具有较低折射率的第二/不同材料(例如Si)包围。
光学环形谐振器102用于耦合由输入泵浦光子波导104运载的光学泵浦输入光子和由微波信号波导106携带的微波光子，以将光学泵浦光子输入信号(fP)转换成频率(fS)的输出信号，其中fS＝fP-fRF。为此，光学环形谐振器102的光学自由光谱范围和输入RF频率(fRF)需要进入单个谐振以便被匹配。然而，如上所述，对于给定泵浦光子频率fP，通常存在光学泵浦输入光子可以耦合到的蓝色失谐谐振和红色失谐谐振(在此也分别称为“蓝色侧”谐振和“红色侧”谐振)两者。如本领域所熟知的，“蓝色失谐”指的是高于谐振频率的频率，而“红色失谐”指的是低于谐振频率的频率。在存在两个谐振耦合的情况下，fP→fS到单个谐振阶的转换效率最多是50％。
有利地，本文提供了用于使用腔内光栅(参见图1)抑制微波光学信号转换到不期望的谐振阶的技术，以通过在未使用的谐振阶处分裂或破坏谐振来抑制单个谐振。根据示例性实施例，fG对应于光栅的一阶Bragg条件，以引入耦合顺时针和逆时针传播模式的反射，从而在该频率分离谐振模式。在另一示例性实施例中，fG对应于腔内光栅的近似二阶Bragg条件以引入破坏该频率的谐振的辐射损耗。例如，根据示例性实施例，未使用的谐振阶数是频率fG的蓝色侧谐振，其中fG＝fP+fRF。因此，fG的蓝色侧谐振被腔内光栅抑制，使得从fP→fS的转换过程占优势。
图2是示出了沿线A-A'(见图1)的横截面示图。在该视图中，光学环形谐振器102和微波信号波导106的部分都是可见的。如图2所示，光学环形谐振器102和微波信号波导106(以及输入泵浦光子波导104，尽管在该图中不可见)都是具有由第一材料形成的芯体的波导结构，该芯体被较低折射率的第二/不同材料包围。然而，对于光学环形谐振器102，在与芯体相同的层中，图案化具有宽度调制的消逝特征以形成腔内光栅。在输入泵浦光子/微波信号波导104/106中不存在这种光栅。
如图2所示，光学环形谐振器102和微波信号波导106(以及输入泵浦光子波导104，尽管在该图中不可见)均设置在衬底101上。根据示例性实施例，衬底101是低折射率材料。“低折射率”是指衬底101的折射率小于硅(Si)的折射率。仅作为示例，合适的低折射率材料包括但不限于蓝宝石、金刚石、碳化硅(SiC)和/或氮化镓(GaN)。例如，在一个示例性实施例中，光学环形谐振器102、输入泵浦光子波导104和微波信号波导106形成在X上硅(SOX)衬底中，其中X表示衬底101的低折射率材料(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)。由多种材料构成的类似这样的衬底在本文中也称为结构化衬底。在光学环形谐振器102、输入泵浦光子波导104和微波信号波导106之下使用低折射率衬底101用于截断消逝光场并使辐射损耗最小化。
首先参考微波信号波导106，如图2所示，微波信号波导106包括由Si(即Si层204'和206')包围的芯体202。使用上面提供的SOX结构化衬底的示例，Si层204'是在例如蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN衬底101上的Si层的图案化部(见下文)。在Si层204'上使用图案化形成芯体202，之后在芯体202上淀积Si层206'，使得芯体202被Si层204'和206'包围。波导中包围芯体的材料在本文中也可以一般地称为“包层”材料。下面详细描述用于形成本发明波导设备的示例性方法。如上所述，芯体202由折射率比包围芯体202的包层材料的折射率高的材料形成。当芯体202被Si(即，Si层204'和206')包围时，用于芯体202的合适材料包括但不限于硅锗(SiGe)。SiGe芯体/Si包层提供主模态折射率导光。尽管在图2中不可见，但是这些相同的细节适用于输入泵浦光子波导104。
另一方面，尽管光学环形谐振器102包含由Si层204”和206”包围的(例如SiGe)芯体208，但具有宽度调制以形成腔内光栅的消逝特征也在与芯体208相同的层中被图案化。根据示例性实施例，标记204”和206”用于表示这些Si层204”和206”是与Si层204'和206'相同的各个层的图案化部。这种区别在以下描述的制造过程中将是显而易见的。由于消逝特征在与芯体208相同的层中被图案化，因此其也将由与芯体相同的材料(例如SiGe)形成。
本文还预期其它配置。例如，在另一示例性实施例中，衬底101由与包层相同的材料形成。在这种情况下，与(Si)衬底101和Si层204'/204”和206'/206”相比，通过芯体202的较高折射率材料如SiGe完全建立光学限制。
如图2所示，消逝特征与芯体208相邻地形成，并且包括基底部210和宽度调制部212。顾名思义，宽度调制部具有沿着基底部210的面向芯体的表面连续调制的宽度，例如形成锯齿图案-见下文。这种图案在这里被称为“腔内光栅”。值得注意的是，图2所示的光学环形谐振器102的横截面是环形结构。因此，基底部210可以被认为是内环结构，并且芯体208可以被认为是外环结构。此外，虽然此示例描绘消逝特征且因此沿着内环描绘腔内光栅，但本文还涵盖其中具有腔内光栅的消逝特征改为沿着外环(例如，其中芯体208交换位置且变为内环)存在或其中具有腔内光栅的消逝特征存在于内环及外环两者上且芯体208处于中间的实施例。因此，将光栅选择在泵浦谐振的高频侧或低频侧是任意的，只要信号谐振然后相应地被移位到低频侧或高频侧(相对的光栅)。
基底210偏移芯体208(参见标记为“距离”的箭头)，使得在消逝特征(即，基底210/宽度调制部212)与芯体208之间存在间隙。在该示例中，芯体208具有1500nm的宽度(参见标记为“1500nm”的箭头)。参见图2，基底210偏移芯体208的“距离”可通过改变基底部210的厚度(参见标记有“基底”的箭头)和/或宽度调制部212的厚度(参见标记有“调制”的箭头)来控制。这样做控制了光学环形谐振器102中的场反射。参见图3。图3是示出作为基底部210偏移芯体208的距离(以纳米(nm)测量)的函数的场反射的示图，该距离基于基底部210的厚度和/或宽度调制部212的厚度(见图2)而变化。
如图3所示，厚度为200nm的基底210与厚度为100nm、150nm和200nm的宽度调制(mod)部212相结合，显示出相应的场反射的增加。将基底部的厚度增加到350nm(有效地减小了消逝特征与芯体208之间的间隙，从而使腔内光栅更靠近芯体208)进一步增加了场反射。这种场反射是在fG的环形谐振器中顺时针和逆时针传播模式之间的耦合强度，其产生了期望的谐振分离的频率间隔。如上所述，腔内光栅的目的是破坏fG的蓝色侧谐振，使得从fP→fS的转换过程占优势。
光学环形谐振器102是闭环光学环形谐振器，其充当特定(谐振)波长的光的滤波器。返回参考图2，根据示例性实施例，光学环形谐振器102包括底电极214、顶电极216和偏置电极218。例如，如图2所示，Si层204”/206”、芯体208、消逝特征(即，基底部210/宽度调制部212)等都设置在衬底101的第一表面上，而底电极214设置在衬底101的第二表面上，其中衬底101的第一表面与第二表面相对。
顶电极216设置在Si层206”上，偏置电极218设置在衬底101上Si层204”的对侧。电极形成传输线谐振器，其中存在驻波射频(RF)场。如上所述，微波频率通常是指大于或等于约1GHz的那些RF频率。因此，传输线谐振器在空间上重叠RF模式和光学模式。根据示例性实施例，Kerr电光效应或DC Kerr效应用于微波光学转换。如本领域所熟知的，DC Kerr效应是指材料的折射率响应于施加到样品材料的缓慢变化的电场而发生的变化。这里，经由偏置电极218或通过后选通(back gating)经由底电极214穿过衬底101来施加电场。
现在参考图4-图13描述用于形成微波光学换能器100的示例性方法，根据示例性实施例，该过程开始于结构化衬底，诸如SOX衬底402。参见图4。如图4所示，SOX衬底402包括衬底101上的Si层204，其中衬底101由合适的低折射率材料形成。如上所述，合适的低折射率材料包括但不限于蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN。此外，根据SOX衬底配置，Si层204在此也可称为SOX层。
参考从视点A的自顶向下视图(参见图4)，如图5所示，然后在衬底101上采用标准光刻和蚀刻技术将Si层204图案化成光学环形谐振器102、输入泵浦光子波导104和微波信号波导106的形状。在图案化之后，如图5所示，Si层204的图案化部现在存在于衬底101上。这些图案化部分别对应于微波信号波导106、光学环形谐振器102和输入泵浦光波导104中的Si层204'、Si层204”和Si层204”'。参见图2，如上所述。值得注意的是，输入泵浦光波导104在图2的横截面示图中没有描绘，然而，使用相同的惯例来表示Si层204”'是从与Si层204'和Si层204”相同的Si层204图案化的。此外，当提到Si层204'、Si层204”和/或Si层204”'时，这里也可以使用名称“第一Si层”以便将这些层与(第二)Si层206'、Si层206”和/或Si层206”'区分开。参见下文。
然后，在Si层204'、204”和204”'上将折射率高于Si的折射率的材料层602沉积到衬底101上。参见图6，该层602将被图案化为输入泵浦光子波导104的芯体、微波信号波导106的芯体以及光学环形谐振器102的芯体/消逝特征。如上所述，合适的芯体/消逝特征材料包括但不限于SiGe。
接着，采用标准光刻和蚀刻技术将层602图案化成微波信号波导106的芯体202和光学环形谐振器102的芯体208/消逝特征(即，基底部210/宽度调制部212)(参见图7中的视图B-B')，以及输入泵浦光子波导104的芯体802(参见图8中的视图C-C')。图5中示出了视图B-B'和C-C'的朝向。值得注意的是，这些特征(即，微波信号波导106的芯体202、光学环形谐振器102的芯体208/消逝特征、以及输入泵浦光子波导104的芯体802)中的每一个都是从相同层602(例如，SiGe)图案化的。
例如，关于光学环形谐振器102，在与芯体208相同的层602中图案化具有基底部210和宽度调制部212(形成腔内光栅)的消逝特征。在光子器件中产生扰动(诸如光栅)的技术一般在例如授予Orcutt等人的题为“Continuous Evanescent Perturbation Gratingsin a Silicon Photonics Device”的美国专利9,316,787号(在下文中称为“美国专利9,316,787”)中描述。参考光学环形谐振器102的自顶向下视图(即，参见图7，从视点B)，可以看到，宽度调制部212形成腔内光栅，该腔内光栅沿着与芯体208(即，外环)相邻的基底部210(即，内环)的一侧是连续的。参见图9，在这个特定示例中，腔内光栅具有锯齿形图案。然而，如美国专利9,316,787中所述，基于光刻工艺，图案中的90度角可能略微变圆。此外，锯齿图案仅仅是用于产生腔内光栅的一个示例。例如，可以替代地使用恒定线宽光栅。参见例如美国专利9,316,787。
接着，在衬底101上，在芯体202/芯体208(以及基底部210/宽度调制部212)/芯体802以及Si层204'/204”/204”'上沉积第二Si层206(其中Si层204是第一Si层)。参见图10的自顶向下示图。然后，在Si层204'、Si层204”和Si层204”'上方采用标准光刻和蚀刻技术将Si层206图案化成Si层Si层206'、Si层206”和Si层206”'，以便分别包围(微波信号波导106的)芯体202、(光学环形谐振器102的)芯体208/基底部210/宽度调制部212(参见图11中的视图B-B')和(输入泵浦光波导104的)芯体802(参见图12中的视图C-C')。
最后，使用标准金属化技术在衬底101上形成底电极214，在Si层206”上形成顶电极216，以及在Si层204”的对侧上在衬底101上形成偏置电极218。参见图13中的视图B-B'，在低温条件下作为微波光学换能器操作时，超导电极通常是最佳的。合适的电极材料包括但不限于铝(Al)、铌(Nb)、钛(Ti)及其组合，例如，诸如氮化铌钛(NbTiN)之类的合金。
图14是光学环形谐振器102的“内环”(即，基底部210)上的腔内光栅(由宽度调制部分212形成)的图像1400。如图14所示，图案(例如锯齿)中的90度角可以基于光刻工艺变得略微圆。
如上文详细描述的，对于给定泵浦光子频率fP，通常存在可以耦合到的蓝色失谐和红色失谐谐振。例如，参见图15。如图15所示，利用光学环形谐振器，存在泵浦谐振(图15中的中心谐振)可以耦合到的蓝色失谐谐振和红色失谐谐振。在这种情况下，将获得与红色相邻模式和蓝色相邻模式的耦合。
然而，根据本技术，已经发现，光学环形谐振器102的腔内光栅可用于破坏未用谐振阶(即，蓝色相邻模式)fG的谐振，使得从光学泵浦输入光子频率(fP)→输出信号频率(fS)的转换过程占主导地位。图16示出了腔内光栅的场反射光谱。如上文结合图3的描述所描述，可通过改变光学环形谐振器102的基底部210和/或宽度调制部212的尺寸来调谐场反射，以控制顺时针传播模式与逆时针传播模式之间的耦合强度且由此控制谐振分裂。如图17所示，在光学环形谐振器102中，相对于光学泵浦输入光子频率(fP)存在两个相邻光学谐振，即fG的蓝色侧谐振和fS的红色侧谐振。然而，腔内光栅在未使用谐振阶fG破坏蓝色相邻模式，从而实现从(fP)→(fS)的高转换效率。图17描述了腔内场增强，因为这是确定换能过程中的转换效率的相关参数。
在其最简单的形式中，本发明的微波光学换能器具有单个光学环形谐振器。例如，参见上述微波光学换能器100。然而，本文还预期具有多个环形谐振器的实施例。例如，参见图18的微波光学换能器1800。如图18所示，微波光学换能器1800在衬底1801上包括多个光学环形谐振器。具体地，微波光学换能器1800通过分别用于泵浦和信号路径的微调对准的光学耦合(泵浦光子)光学环形谐振器1810a、1810b和(信号光子)光学环形谐振器1812a、1812b、1812c，在隔离的路径中谐振地耦合光学泵浦和信号光子。光学环形谐振器1802的光学自由光谱范围与RF频率匹配(参见输入RF信号)。因此，光学环形谐振器1802在本文中也被称为“换能谐振器”。根据示例性实施例，光学环形谐振器1802被配置为与上述光学环形谐振器102相同。即，如图18所示，光学环形谐振器1802具有腔内光栅，以通过破坏未使用的谐振阶的谐振来分裂单个谐振。上面详细描述了用于形成在与芯体/外环相对的内环上(经由基底部和宽度调制部)具有腔内光栅的光学环形谐振器的技术。与光学环形谐振器102一样，顶电极1803位于光学环形谐振器1802的至少一部分的上方。根据示例性实施例，顶电极1803具有月牙形状，其覆盖光学环形谐振器1802的一部分，形成四分之一波长RF谐振器。
在泵浦路径中，泵浦光子光学环形谐振器1810a光学耦合到输入泵浦光子波导1804，并且泵浦光子光学环形谐振器1810b光学耦合到输出泵浦光子波导1814。泵浦光子光学环形谐振器1810a和1810b光学耦合到光学环形谐振器1802。当分别提及泵浦光子光学环形谐振器1810a和1810b时，术语“第一”和“第二”也可以在本文中使用。如图18所示，泵浦光子波导1804将光学泵浦输入光子(频率fP)运载到泵浦光子光学环形谐振器1810a。泵浦路径继续通过光学环形谐振器1802。微波信号波导1806光学耦合到光学环形谐振器1802。如图18所示，微波信号波导1806将频率为fRF的微波输入光子运载到光学环形谐振器1802。沿着泵浦路径，光学泵浦光子随后穿过泵浦光子光学环形谐振器1810b并且经由输出泵浦光子波导1814从微波到光学换能器1800离开。
如上所述，光学泵浦光子输入信号(fP)被转换为频率(fS)的输出信号，其中fS＝fP-fRF。如图18所示，在信号路径中，信号光子环形谐振器1812a光学耦合到环形谐振器1802和信号光子光学环形谐振器1812b。信号光子光学环形谐振器1812b光学耦合到信号光子光学环形谐振器1812c，其又耦合到输出信号光子波导1816。当分别提及信号光子光学环形谐振器1812a、182b和1812c时，本文中也可使用术语“第一”、“第二”和“第三”。沿着信号路径，输出信号(fS)从光学环形谐振器1802通过信号光子光学环形谐振器1812a、1812b和1812c，并且经由输出信号光子波导1816从微波-光学换能器1800离开。
以与上述相同的方式，根据示例性实施例，光学环形谐振器1802、泵浦光子光学环形谐振器1810a、1810b、信号光子光学环形谐振器1812a、1812b、1812c、输入泵浦光子波导1804、微波信号波导1806、输出泵浦光子波导1814和输出信号光子波导1816各自包括由第一材料(例如SiGe)形成的芯体，该芯体被较低折射率的第二/不同材料(例如Si)包围，并且可以形成在低折射率衬底(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)上。对于光学环形谐振器1802，在与芯体相同的层中图案化具有宽度调制的消逝特征以形成腔内光栅。虽然图4-图13(如上所述)描绘了具有单个光学环形谐振器的微波到光学换能器设计的形成，但是本领域技术人员将理解，可以以与所述相同的方式应用那些相同的技术来形成多个光学环形谐振器和输入/输出波导。
图19是示出用于微波光学换能的示例性方法1900的示图。在步骤1902中，提供了微波光学换能器，其包括具有腔内光栅的光学环形谐振器，该光学环形谐振器光学耦合到微波信号波导。例如，在一个示例性实施例中，使用具有单个光学环形谐振器102的(图1的)微波光学换能器100来执行方法1900。或者，在另一示例性实施例中，使用(图18的)具有光学耦合到光学环形谐振器1802形成泵浦和隔离的信号路径的多个光学环形谐振器的微波光学换能器1800来执行方法1900。无论采用哪种换能器设计，换能谐振器(即，光学环形谐振器102或光学环形谐振器1802)具有带宽度调制的消逝特征，以形成在与芯体相同的层中被图案化的腔内光栅(参见上文)。
在步骤1904中，频率fP的光学泵浦光子经由输入泵浦光子波导被提供给光学环形谐振器。例如，在一个示例性实施例中，使用(图1的)微波光学换能器100来执行方法1900，由此输入泵浦光子波导104被直接光学耦合到光学环形谐振器102。在这种情况下，光学泵浦光子的泵浦路径经过输入泵浦光子波导104到光学环形谐振器102。或者，在另一示范性实施例中，使用具有光学耦合到光学环形谐振器1802的隔离的泵浦和信号路径的(图18的)微波光学换能器1800来执行方法1900。在这种情况下，光学泵浦光子的泵浦路径经由隔离的泵浦路径，通过输入泵浦光子波导1804和泵浦光子光学环形谐振器1810a，到达光学环形谐振器1802。离开光学环形谐振器1802的光学泵浦光子穿过光子光学环形谐振器1810B和输出泵浦光子波导1814。
如上所述，对于给定的泵浦光子频率fP，相对于光学泵浦光子可以耦合到的光学泵浦输入光子频率(fP)，通常存在两个(即，蓝色失谐和红色失谐)光学谐振，这降低了转换效率。然而，光学环形谐振器(即，光学环形谐振器102或1802)中的腔内光栅破坏光学谐振之一，即，未使用的谐振阶fG的蓝色相邻模式，从而实现从(fP)→(fS)的高转换效率。
在步骤1906中，频率fRF的微波输入光子经由微波信号波导被被提供给光学环形谐振器。例如，在一个示例性实施例中，使用(图1的)微波光学换能器100执行方法1900，并且经由微波信号波导106将微波输入光子提供给光学环形谐振器102。或者，在另一示例性实施例中，使用(图18的)微波光学换能器1800执行方法1900，并且经由微波信号波导106将微波输入光子提供给光学环形谐振器102。
在步骤1908中，使用频率fRF的微波输入光子，将频率fP的光学泵浦光子转换成频率fS的输出信号，其中fS＝fP-fRF。在微波光学换能器1800的情况下，频率(fS)的输出信号然后经由通过信号光子光学环形谐振器1812a、1812b和1812c的隔离的信号路径被提取，并且经由输出信号光子波导1816从微波光学换能器1800被提取。
值得注意的是，耦合光学环形谐振器1802的泵浦光子路径光学环形谐振器1810a/1810b在fP谐振，并且耦合光学环形谐振器1802的信号路径光学环形谐振器1812a、1812b和1812c在fS谐振，从而分离泵浦路径与信号路径。如图18所示，泵浦光子路径光学环形谐振器1810a/1810b和信号路径光学环形谐振器1812a、1812b和1812c具有与光学环形谐振器1802不同的半径，并且因此不具有相同的自由光谱范围并且仅在期望的频率具有重叠谐振。因此，光子将在进出光学环形谐振器1802的唯一频率路径上行进。
Claims (24)
1.一种微波光学换能器，包括：
具有腔内光栅的光学环形谐振器；以及
微波信号波导，光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器。
2.如权利要求1所述的微波光学换能器，其中，具有腔内光栅的所述光学环形谐振器包括：
芯体；以及
与所述芯体相邻的消逝特征。
3.如权利要求1所述的微波光学换能器，其中，所述消逝特征包括：
基底部；以及
宽度调制部，所述宽度调制部具有沿着所述基底部的面向所述芯体的表面连续调制的宽度，以形成所述腔内光栅。
4.如权利要求3的微波光学换能器，其中，所述腔内光栅具有锯齿图案。
5.如权利要求3所述的微波光学换能器，其中，所述芯体和所述消逝特征由包层材料包围。
6.如权利要求3所述的微波光学换能器，其中，所述芯体和所述消逝特征包括硅锗(SiGe)，并且其中，所述包层材料包括硅(Si)。
7.如权利要求1的微波光学换能器，其中，具有腔内光栅的所述光学环形谐振器和所述微波信号波导形成在包括低折射率材料的衬底上，所述低折射率材料选自包括以下各项的组：蓝宝石、金刚石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)以及它们的组合。
8.如权利要求1所述的微波光学换能器，还包括：
多个泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器，形成隔离的泵浦光子路径；以及
多个信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器，形成隔离的信号光子路径。
9.如权利要求8所述的微波光学换能器，还包括：
输入泵浦光子波导；
输出泵浦光子波导；
第一泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述输入泵浦光子波导并且耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器；以及
第二泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述输出泵浦光子波导并且光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器。
10.如权利要求8所述的微波光学换能器，还包括：
输出信号光子波导；
第一信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器；
第二信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述第一信号光子光学环形谐振器；以及
第三信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述第二信号光子光学环形谐振器并且光学耦合到所述输出信号光子波导。
11.一种微波光学换能器，包括：
具有腔内光栅的光学环形谐振器，其包括芯体和与所述芯体相邻的消逝特征；
微波信号波导，其光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器；
多个泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器，形成隔离的泵浦光子路径；以及
多个信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器，形成隔离的信号光子路径。
12.如权利要求11所述的微波光学换能器，其中，所述消逝特征包括：
基底部；以及
宽度调制部，所述宽度调制部具有沿着所述基底部的面向所述芯体的表面连续调制的宽度，以形成所述腔内光栅。
13.权利要求11的微波光学换能器，其中，所述芯体和所述消逝特征被包层材料包围。
14.如权利要求13所述的微波光学换能器，其中，所述芯体和所述消逝特征包括SiGe，并且其中，所述包层材料包括Si。
15.如权利要求11所述的微波光学换能器，其中，具有腔内光栅的所述光学环形谐振器、所述微波信号波导、所述多个泵浦光子光学环形谐振器和所述多个信号光子光学环形谐振器形成在包括低折射率材料的衬底上，所述低折射率材料选自包括以下各项的组：蓝宝石、金刚石、SiC、GaN和它们的组合。
16.如权利要求11所述的微波光学换能器，还包括：
输入泵浦光子波导；
输出泵浦光子波导；
第一泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述输入泵浦光子波导并且光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器；以及
第二泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述输出泵浦光子波导并且光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器。
17.如权利要求11所述的微波光学换能器，还包括：
输出信号光子波导；
第一信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器；
第二信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述第一信号光子光学环形谐振器；以及
第三信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述第二信号光子光学环形谐振器和所述输出信号光子波导。
18.一种形成微波光学换能器的方法，所述方法包括以下步骤：
在衬底上提供第一Si层；
图案化第一Si层，以在衬底上形成具有光学环形谐振器形状的第一Si层的图案化部；
在衬底上在第一Si层的图案化部上方沉积SiGe层；
将所述SiGe层图案化成芯体和与所述芯体相邻的消逝特征，其中，所述消逝特征包括基底部和宽度调制部，所述宽度调制部具有沿着所述基底部的面向所述芯体的表面连续调制的宽度，以形成腔内光栅；
在衬底上在所述芯体和与所述芯体相邻的所述消逝特征上方沉积第二Si层；以及
图案化所述第二Si层以形成所述第二Si层的图案化部，所述图案化部包围所述芯体和与所述芯体相邻的所述消逝特征。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述衬底包括选自包括以下各项的组的材料：蓝宝石、金刚石、SiC、GaN以及它们的组合。
20.一种用于微波光学换能的方法，所述方法包括以下步骤：
提供微波光学换能器，所述微波光学换能器包括具有腔内光栅的光学环形谐振器和光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器的微波信号波导；
向具有腔内光栅的所述光学环形谐振器提供频率fP的光学泵浦光子，其中，相对于所述光学泵浦光子频率(fP)存在两个光学谐振，并且其中，所述腔内光栅破坏所述两个光学谐振之一；
经由微波信号波导向具有腔内光栅的所述光学环形谐振器提供频率为fRF的微波输入光子；以及
将频率fP的所述光学泵浦输入光子转换成频率fS的输出信号，其中fS＝fP-fRF。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述微波光学换能器还包括：
输入泵浦光子波导；
输出泵浦光子波导；
第一泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述输入泵浦光子波导并且光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器；以及
第二泵浦光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述输出泵浦光子波导并且光学耦合到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器。
22.如权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：
经由通过所述输入泵浦光子波导和所述第一泵浦光子光学环形谐振器的隔离的泵浦路径将频率fP的所述光学泵浦光子提供到具有腔内光栅的所述光学环形谐振器，其中，离开具有腔内光栅的所述光学环形谐振器的所述光学泵浦光子穿过所述第二泵浦光子光学环形谐振器和所述输出泵浦光子波导。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述微波光学换能器还包括：
输出信号光子波导；
第一信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到具有腔内光栅的光学环形谐振器；
第二信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述第一信号光子光学环形谐振器；以及
第三信号光子光学环形谐振器，其光学耦合到所述第二信号光子光学环形谐振器和所述输出信号光子波导。
24.如权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：
经由通过所述第一信号光子光学环形谐振器、所述第二信号光子光学环形谐振器、所述第三信号光子光学环形谐振器和所述输出信号光子波导的隔离的信号路径提取频率fS的输出信号。
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