CN114280728B - 一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置，包括第一微环谐振腔，直波导和第二微环谐振腔；工作时，在直波导输入端输入泵浦光，泵浦光经过直波导传输并耦合至第一微环谐振腔中，在腔内形成相应的谐振模式，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的频率相等的谐振模式发生耦合并产生模式劈裂，使得模式频率产生一定的偏移，通过调节第二微环谐振腔的损耗，实现对于耦合模式处局部的色散的调控。本发明通过两个微环谐振腔耦合的结构为基础来引入模式耦合效应，并通过对第二微环谐振腔损耗的调节，使得由模式耦合效应引入的局部色散改变的程度变化甚至消失，从而达到方便快捷的调控腔内由于模式耦合而引入的局部的色散变化的目的。

Description

一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置

技术领域

本发明属于光学器件领域，更具体地，涉及一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置。

背景技术

通信产业的高速发展，伴随着的是人们对于通信容量的需求大大增加，光互连正在渐渐取代远远无法满足用户相关需求的电互联。而基于克尔微环谐振腔的光学频率梳技术能够实现频域精准测量、光孤子传输和提高光通信容量等功能，并且微环谐振腔具有尺寸足够小、功耗非常低、制作工艺十分成熟等等优点，因此如何促进微腔光频梳的产生成为了近期的研究热点。其中的一种手段便是通过模式耦合改变局部色散而促进光频梳的生成。2007年，P.Del'Haye和他的团队在《Nature》这本杂志上发表了一篇文章“Opticalfrequency comb generation from a monolithic microresonator”，这篇文章报道了一种基于高Q值克尔微环谐振腔的光学频率梳的产生方案，该方案利用高Q值的微环谐振腔的损耗小、模式面积小的特点，使环内产生非线性光学效应的阈值降低，获得了波长范围宽、梳齿间隔稳定的光学频率梳。

2014年，T.Herr及V.Brasch和他们的团队在《Physical Review Letters》杂志上发表了一篇文章“Mode spectrum and temporal soliton formation in opticalmicroresonators”，这篇文章介绍了在微腔中引入不同阶次的模式进行耦合，所得到的色散曲线如图1所示，他们通过在经典的由频率表现的色散方程中加入一项经验公式从而改变局部的色散，去模拟实验上的模式耦合，加入到光频梳的仿真中，同时在实验上也在单个微环中引入模式耦合与仿真的结果相对照，得到了耦合的模式离泵浦模式越近，会越阻碍光频梳的生成，离得相对远，会促进光频梳产生的结果。

2015年，Xiaoxiao Xue和他的团队在《Laser Photonics Review》杂志上发表了一篇文章“Normal-dispersion microcombs enabled by controllable modeinteractions”，这篇文章介绍了在一个环的基础上再耦合上一个环，引入两个环的基础模式之间的耦合用以改变局部色散，从而能够在正常色散介质中产生光频梳，对辅助环加热电极，通过引入电流的大小调节其谐振频率的偏移从而构建对应的模式耦合，改变局部色散，促进了光频梳的产生。

2017年，ChengYing Bao和他的团队在《Optica》杂志上发表了一篇文章“Spatialmode-interaction induced single soliton generation in microresonators”，这篇文章提出了在微腔中的空间模式的耦合诱导单孤子也就是光频梳的产生。他通过在实验上给出两个参数一致的微环，但其中模式耦合的强度不同，验证了引入模式耦合改变局部色散后这两种环都可以很容易的到达单孤子态，且模式耦合强度大的环的频谱上局部畸变的程度比耦合强度小的环要大。此外，他们还在仿真上验证了引入模式耦合后可以很容易的到达单孤子态。

从以上来看，有两种引入模式耦合从而使得微环谐振腔内耦合模式处色散改变的方法，第一种是在一个微环谐振腔中引入不同阶次模式的耦合；第二种则是通过两个微环谐振腔的耦合引入两个环腔中的模式的耦合。第一种的局限性在于腔内的各阶模式是确定的，也就是在参数确定的情况下无法做到对模式耦合进行调节从而达到调控因模式耦合而改变的局部色散值的作用；第二种虽然相较于第一种能够通过事先设计参数从而控制模式耦合的强度，但却没有办法在参数确定的情况下连续的调节耦合强度的大小从而达到调控因模式耦合而改变的局部色散值的作用。此外，这两种方法都局限在如图2所示的阴影部分①中，色散曲线形状与图1(a)或(b)类似。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置，旨在解决现有技术中在参数确定的情况下无法做到对模式耦合进行连续调节从而达到连续调控由于模式耦合导致的局部色散变化的大小的问题。

本发明提供了一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置，包括：第一微环谐振腔，与第一微环谐振腔的一侧相耦合且用于传输光信号的直波导，以及与第一微环谐振腔的另一侧相耦合用于引入模式耦合效应的第二微环谐振腔；工作时，在直波导输入端输入泵浦光，泵浦光经过直波导传输并耦合至所述第一微环谐振腔中，在腔内形成相应的谐振模式，此时第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的频率相等的谐振模式发生耦合并产生模式劈裂，使得模式频率产生一定的偏移，而腔的色散与模式的频率相关，所以耦合模式处的局部色散值也会产生相应的改变，通过调节第二微环谐振腔的损耗，可以调节两个环腔模式之间的耦合强弱，甚至使得由于耦合产生的模式劈裂消失，从而可以实现对于耦合模式处局部的色散的调控。

其中，包括：损耗引入单元，用于对所述第二微环谐振腔引入可调控的损耗使得由于模式耦合效应引入的局部色散改变的程度得到调节。

更进一步地，损耗引入单元包括：波导和电极，所述波导与第二微环谐振腔耦合，将所述电极设置在第二微环谐振腔与所述波导的耦合区域，通过加热电极，利用热光效应来改变耦合区域的折射率，从而改变新波导与第二微环谐振腔的耦合系数，以此来调节第二微环谐振腔的损耗。

更进一步地，损耗引入单元包括：两个电极，分别设置在基于p-i-n结构波导制作的第二微环谐振腔的p区和n区，通过对pn结施加正向偏置电压，并向第二微环谐振腔中注入载流子，利用载流子吸收效应，引起近红外光的吸收损耗增加从而使得第二微环谐振腔的损耗增加，通过调节所加的正向偏置电压的大小来控制第二微环谐振腔损耗的大小。更进一步地，损耗引入单元包括：点光源，设置在所述第二微环谐振腔的上方，且所述点光源的出射光斑全部落在所述第二微环谐振腔上，由于可见光的吸收而产生载流子，利用这种载流子吸收效应，引起近红外光的吸收损耗增加来使得第二微环谐振腔的损耗增加，通过调节点光源的强度大小来调整吸收光子的多少从而实现调整第二微环谐振腔的损耗大小。

其中，可以通过对所述第二微环谐振腔连续的引入大小可控的损耗从而实现对环腔中由于模式耦合导致的局部变化的色散值进行连续的调控。

其中，当第二微环谐振腔的损耗加大到模式耦合导致的两个劈裂的模式合并时，模式频率偏移消失，从而与模式频率相关的局部色散变化消失。

其中，可以将第一微环谐振腔的原本由于模式耦合而变化的色散调控到不受模式耦合影响时的色散的状态。

通过本发明所构思的以上技术方案，相较于现有的基于模式耦合效应引入局部色散值改变的方法，本发明中由于通过对引入模式耦合效应的第二微环谐振腔的损耗进行调节，从而使得由模式耦合效应引入的局部色散改变的程度变化甚至消失，即使在给定的参数条件下，也能够达到连续调控腔内由于模式耦合而引入的局部的色散变化的目的，使其具有便捷的色散调控能力，不会因为事先结构参数的确定从而无法对耦合导致的局部变化的色散值进行调节，同时也不会只局限在模式耦合导致局部色散改变的区域，而是可以进入到模式耦合导致的局部色散改变消失的区域，设计与操作十分方便快捷。

附图说明

图1中的(a)和(b)分别表示不同参数下现有技术提供的微环谐振腔中不同阶次模式耦合所得到的色散曲线示意图；

图2中(a)为现有技术中描述耦合模式处的本征频率随损耗的变化图；(b)为①区域的某损耗下的色散点图；(c)为②区域的某损耗下的色散点图；

图3是本发明实施例提供的耦合模式处的透射率随第二微环谐振腔损耗变化的示意图；

图4是本发明实施例提供的基于p-i-n结构的第二微环谐振腔用于引入损耗所加电极的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的调控由于模式耦合导致的局部色散值变化的效果图；

图7是本发明实施例提供的调控由于模式耦合导致的局部色散值变化的三维效果图；

图8是本发明实施例提供的第一微环谐振腔不受模式耦合效应影响时的色散点图。

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。

本发明要解决的技术问题是在现有的引入模式耦合改变耦合模式处的色散值的基础上，提供一种能够对模式耦合进行调控从而使得因模式耦合而改变的局部色散值被调控的方法，它能够达到调控在引入模式耦合后的局部变化的色散值的大小的效果，还能够调控使得因模式耦合而导致的局部色散变化消失类似不受模式耦合影响时的色散的状态，从而为不论是微腔光频梳还是其他有关微环谐振腔的研究提供更广阔的方向。

本发明采用两个微环谐振腔耦合的方式引入模式耦合，提供了一种基于两个微环谐振腔耦合的可以达到调控腔内因模式耦合而引入的局部变化的色散效果的方法。该方法首先是将第一微环谐振腔与一段直波导相耦合，构成经典的单波导微环谐振腔结构，在此基础上再将一个第二微环谐振腔耦合到原本的第一微环谐振腔上去从而引入两个微环谐振腔的模式耦合，第二微环谐振腔具有可以通过光照或者在基于p-i-n结构的微环的p区和n区镀上电极从而加电等可控的方式引入一定量的损耗的功能。此时结构会工作在图2所示的阴影部分区域①，也就是模式耦合使得模式劈裂而导致局部色散改变的区域；再通过对基于p-i-n结构的第二微环谐振腔的p区和n区加电极的方法连续的引入损耗，如图3所示，电极分别设置在基于p-i-n结构的第二微环谐振腔的p区和n区上，位于微环的内外两侧，通过对pn结施加正向偏置电压，向第二微环谐振腔中注入载流子，利用载流子吸收效应，引起近红外光的吸收损耗增加从而使得第二微环谐振腔的损耗增加，通过调节所加的正向偏置电压的大小来控制第二微环谐振腔损耗的大小。此时模式耦合效应将受到调控，而由于模式耦合而导致局部变化的色散值则会因此而相关的变化，当辅助环引入的损耗加大到模式耦合导致的两个劈裂的模式合并时，模式频率偏移消失，从而与模式频率相关的局部色散变化消失，此结构便工作在图2所示的区域②，也就是由于模式耦合导致的两个劈裂的模式合并，局部色散改变消失的区域，类似于单个第一微环谐振腔不受模式耦合效应影响时的色散曲线。

按照上述方法发明出的基于两个微谐振腔耦合的色散调控装置，相较于现有的基于模式耦合效应引入局部色散值改变的方法，具有便捷的色散调控能力，不会因为事先结构参数的确定从而无法对耦合导致的局部变化的色散值进行调节，同时也不会局限在如图2所示模式耦合导致局部色散改变的阴影区域①，而是可以进入到类似于不受模式耦合效应影响时的局部色散改变消失的区域②。而且设计起来也十分方便。它可以通过对第二微环谐振腔连续的引入损耗从而实现对环腔中的由于耦合导致的局部变化的色散值进行连续调控的功能。

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。

表1

如图4所示，双环耦合结构由第一微环谐振腔1、用于传输的耦合波导3以及用于耦合的第二微环谐振腔2组成。结构的具体参数如表1所示。在波导输入端输入泵浦光后光经过波导3传输耦合到了第一微环谐振腔1中，在腔内形成相应的谐振模式，谐振模式之间的间距大小由环的自由光谱范围决定，此时又存在第二微环谐振腔2的耦合，两个微环谐振腔之间的频率相等的谐振模式发生耦合，产生模式劈裂，此处的模式频率发生改变，而色散又与模式的频率相关，所以耦合模式处的局部色散值发生也会产生相应的改变，角频率的表达式为：

由此可以得到与模式频率相关的色散公式为ω_μ-ω₀-D_1μ，其中D₁＝FSR，

分别为一阶和二阶色散系数，FSR＝c/nL，而μ则表示距离中心频率ω₀的第μ个模式，也就意味着一旦模式的频率发生改变，那么此模式的色散值也将相应改变。例如模式耦合发生在距离泵浦光中心频率的短波长的第10根疏齿1532nm附近，且结构工作在如图2所示的阴影区域①中，也就是模式耦合导致模式劈裂，从而局部色散值发生改变的区域，此时得到的腔内色散点图如图2(a)所示，可以看出在此区域中由于模式耦合效应的作用使得在耦合的第10个模式处发生了局部的色散值的改变，为了达到能够调控改变的局部色散值的效果，首先从公式上推导，引入广义的耦合模方程，由此可以推导出两个微环谐振腔中模式的耦合的稳态时的本征频率，推导过程如下所示:

其中，ω₁和ω₂是两个微谐振腔模式的谐振频率族，可以由前面所示的角频率表达式给定，γ₁和γ₂分别表示第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的损耗，κ₁₂和κ₂₁为两个微谐振腔模式族的相对耦合系数。当结构参数都已给定的情况下，此时ω和κ的值确定，那么便可以通过改变损耗γ来改变耦合后的本征频率ω_±，从而达到调控色散的效果。通过改变第二微环谐振腔的损耗γ₂，由此得到的本征频率变化关系如图2所示，耦合的谐振模式的透射率变化如图3所示，随着γ₂的增大，原本由于模式耦合导致的劈裂的谐振模式随着第二位微环谐振腔损耗的增加慢慢合并，并因此影响与模式频率相关的色散。

通过如图4所示的给基于p-i-n结构的第二微环谐振腔内外两侧的pn结施加正向偏置电压，通过调节施加正向偏压的大小便可以调节第二微环谐振腔的损耗。例如在由表1所给出的结构参数条件下，模式耦合发生在距离泵浦的第10个谐振模式处，将第二微环谐振腔的环程损耗由初始的损耗a连续调节20次，每次增加10^-3，由此得到的色散关系的变化如图6和图7所示，图6横轴表示相对中心频率模式的模式数，这里只给出包含泵浦在内的61个模式的色散值便可以看出相应的变化趋势，图7为图6的三维视角图，横轴arf2表示第二微环谐振腔的损耗大小，Relative mode number表示相对中心频率模式的模式数。可以看出随着第二微环谐振腔的损耗的增加，原本因模式耦合而导致的局部改变的色散值变化程度逐步减小，但仍会处于图2的阴影区域①，但当第二微环谐振腔的损耗加大到模式耦合导致的两个劈裂的模式合并时，模式频率偏移消失，从而与模式频率相关的局部色散变化消失，此时则工作在图2②区域，色散点图如图2(b)所示一样变得光滑，原本的因模式耦合而导致的局部变化的色散值回到不受模式耦合影响时的，如图8所示一般的色散的状态，在图6和图7中也有相应的体现。相较于现有的利用模式耦合效应引入局部色散值改变的方法，这种基于两个微环谐振腔耦合结构的装置可以通过对第二微环谐振腔引入可控的损耗从而便捷的实现对由于模式耦合而导致的局部变化的色散值进行调控的效果。

由此，本发明通过两个微环谐振腔耦合的装置来方便快捷的调控腔内由于模式耦合而引入的局部的色散变化。

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)

1.一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置，其特征在于，包括：第一微环谐振腔(1)，与所述第一微环谐振腔(1)的一侧相耦合且用于传输光信号的直波导(3)，以及与所述第一微环谐振腔(1)的另一侧相耦合且用于引入一定量损耗的第二微环谐振腔(2)；将第一微环谐振腔(1)中由于模式耦合而变化的色散调控至不受模式耦合影响时色散的状态；

工作时，在直波导(3)输入端输入泵浦光，所述泵浦光经过所述直波导(3)传输并耦合至所述第一微环谐振腔(1)中，在腔内形成相应的谐振模式，此时所述第一微环谐振腔(1)和所述第二微环谐振腔(2)之间频率相等的谐振模式发生耦合并产生模式劈裂，使得模式频率产生一定的偏移，耦合模式处的局部色散值也会产生相应的改变，通过调节第二微环谐振腔的损耗，可以调节两个环腔模式之间的耦合强弱，甚至使得由于耦合产生的模式劈裂消失，从而可以实现对于耦合模式处局部的色散的调控。

2.如权利要求1所述的色散调控装置，其特征在于，包括：损耗引入单元，用于对所述第二微环谐振腔(2)引入可调控的损耗使得由于模式耦合效应引入的局部色散改变的程度得到调节。

3.如权利要求2所述的色散调控装置，其特征在于，所述损耗引入单元包括：波导和电极，所述波导与第二微环谐振腔(2)耦合，将所述电极设置在第二微环谐振腔(2)与所述波导的耦合区域，通过加热电极，利用热光效应来改变耦合区域的折射率，从而改变新波导与第二微环谐振腔(2)的耦合系数，以此来调节第二微环谐振腔(2)的损耗。

4.如权利要求2所述的色散调控装置，其特征在于，所述损耗引入单元包括：两个电极，分别设置在基于p-i-n结构波导制作的第二微环谐振腔(2)的p区和n区，通过对pn结施加正向偏置电压，并向第二微环谐振腔(2)中注入载流子，利用载流子吸收效应，引起近红外光的吸收损耗增加从而使得第二微环谐振腔(2)的损耗增加，通过调节所加的正向偏置电压的大小来控制第二微环谐振腔损耗(2)的大小。

5.如权利要求2所述的色散调控装置，其特征在于，所述损耗引入单元包括：点光源，设置在所述第二微环谐振腔(2)的上方，且所述点光源的出射光斑全部落在所述第二微环谐振腔(2)上，由于可见光的吸收而产生载流子，利用这种载流子吸收效应，引起近红外光的吸收损耗增加来使得第二微环谐振腔(2)的损耗增加，通过调节点光源的强度大小来调整吸收光子的多少从而实现调整第二微环谐振腔(2)的损耗大小。

6.如权利要求1-5任一项所述的色散调控装置，其特征在于，通过对所述第二微环谐振腔(2)连续的引入大小可控的损耗从而实现对第一微环谐振腔(1)中由于模式耦合导致的局部变化的色散值进行连续的调控。

7.如权利要求1-5任一项所述的色散调控装置，其特征在于，当所述第二微环谐振腔(2)的损耗加大到模式耦合导致的两个劈裂的模式合并时，模式频率偏移消失，从而与模式频率相关的局部色散变化消失。

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