CN115453690A - 一种主动模式选择的高q微盘谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动模式选择的高Q微盘谐振器、带通滤波器及带阻滤波器。主动模式选择的高Q微盘谐振器包括：绝热挖孔的微盘谐振腔、加热电极、以及关于第三弯曲波导对称分布的第一单模波导和第二单模波导、第一锥形波导和第二锥形波导、第一弯曲波导和第二弯曲波导；入射光从第一单模波导入射，入射光中满足谐振频率的光耦合进入微盘谐振腔，不满足谐振频率的光从第二单模波导输出；加热电极覆盖在微盘谐振腔的表面，微盘谐振腔上设置绝热挖孔，用于主动激发的特定模式，并保证特定模式在微盘谐振器中绝热传输。解决了容易引起多模竞争，产生增益饱和和跳模的问题，实现了激发的特定模式在微盘谐振腔中绝热传输，降低了散射损耗的有益效果。

Description

一种主动模式选择的高Q微盘谐振器

技术领域

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种主动模式选择的高Q微盘谐振器、带通滤波器及带阻滤波器。

背景技术

对于光学谐振腔来说，Q值表示了谐振峰相对于中心频率的锐度，描述了谐振腔存储和限制光的能力，在许多需要狭窄过滤窗口或强谐振增强效应的场景中，经常需要追求高Q值。根据光限制机理，光学谐振腔可主要可分为F-P谐振腔、光子晶体谐振腔和回音壁模式微腔。其中，回音壁模式(WGM)微腔具有更高的Q值，且集成性强、造价低廉，是制作滤波器、光电振荡器﹑光缓存﹑传感器等器件的关键元件。

小模体积和高质量Q因子的回音壁模式微谐振器可以极大地增强光与物质的相互作用，是研究各种光学现象的理想平台。到目前为止回音壁模式微谐振器已被广泛应用于各种研究领域，包括腔光学、腔量子电动力学、非线性光学和光学传感。

由于多个空间自由度，支撑在大型微腔中的回音壁模式通常表现出复杂的模式轮廓和较大的模式密度。当回音壁模式微谐振器应用于低阈值激光器时，其密集的模式容易引起多模激光，导致模式竞争，从而在实际应用中产生增益饱和、跳模等不利影响。

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主动模式选择的高Q微盘谐振器、带通滤波器及带阻滤波器，旨在解决容易引起多模激光，导致模式竞争，产生增益饱和和跳模的问题。

为实现上述目的，发明采用以下的技术方案。

第一方面，本发明提供了一种主动模式选择的高Q微盘谐振器，包括：微盘谐振腔、加热电极、以及关于第三弯曲波导对称分布的第一单模波导和第二单模波导、第一锥形波导和第二锥形波导、第一弯曲波导和第二弯曲波导；

入射光从所述第一单模波导入射，依次经由所述第一锥形波导和所述第一弯曲波导，在所述第三弯曲波导的区域进行耦合，所述入射光中满足谐振频率的光耦合进入所述微盘谐振腔，不满足所述谐振频率的光依次经由所述第二弯曲波导、所述第二锥形波导，传输至所述第二单模波导输出；

所述加热电极覆盖在所述微盘谐振腔的表面，用于加热改变波导的谐振频率，主动激发特定模式；

所述微盘谐振腔上设置绝热挖孔，用于保证所述特定模式在所述微盘谐振器中绝热传输。

可选的，所述绝热挖孔根据挖孔曲线函数确定，所述绝热挖孔满足波导宽度沿径向线性增加，满足渐变宽度波导的半角小于等于模式扩散半角，保证激发出的特定模式的绝热传输；

其中，所述挖孔曲线函数为：

x_inner(m)＝(R-K·(α(i)-θ₀))·cos(α(i))；

y_inner(m)＝(R-K·(α(i)-θ₀))·sin(α(i))；

其中，K为线性系数，theta0为起始角度，R为微盘谐振腔半径，h2,h1指绝热挖孔边缘距离微盘谐振腔边缘的径向距离，i为挖孔与微盘谐振腔圆心的微分角度；x、y为挖孔曲线每点的横纵坐标；

可选的，所述第三弯曲波导区域采用弱锥形间隙耦合的形式；耦合波导与所述微盘谐振腔的特定模式的折射率匹配。

可选的，所述加热电极设置于所述微盘谐振腔远离所述第三弯曲波导的一侧。

可选的，所述的第一锥形波导、所述第二锥形波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导以及所述第三弯曲波导均为多模波导；

所述第一单模波导、所述第二单模波导、所述第一锥形波导、所述第二锥形波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导和所述第三弯曲波导均为条型波导、脊型波导、多层波导中的任一种。

可选的，所述第一单模波导、所述第二单模波导、所述第一锥形波导、所述第二锥形波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导和所述第三弯曲波导均采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟、砷化镓中的任意一种制成。

可选的，还包括补偿装置，用于对所述微盘谐振腔的谐振波长漂移进行反馈补偿。

第二方面，本发明提供了一种带通滤波器，所述带通滤波器采用如第一方面中任意一项所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器。

第三方面，本发明提供了一种带阻滤波器，所述带阻滤波器采用如第一方面中任意一项所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器。

通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的主动模式选择的高Q微盘谐振器，采用大尺寸微盘高Q特性使微波信号获得更大的延时和更窄的带宽，增大起振模式与次极大模式之间的功率差，再利用耦合区域特定激发某种模式，再配合波导宽度渐变的绝热挖孔，使得微盘中激发的特定模式在微盘中绝热传输，使微波信号最终得到稳定的单模起振。

2、本发明提供的主动模式选择的高Q微盘谐振器，能将大部分基模光场限制在波导内部，减少了光场与侧壁的相互作用，从而降低了侧壁粗糙导致的散射损耗，提高了微环谐振器的本征Q值。

3、本发明提供的主动模式选择的高Q微盘谐振器，采用弱锥形间隙耦合，满足耦合弯曲波导与微盘谐振腔的曲率满足模式的有效折射率匹配，该主动选择模式的激发效率更高，更易实现该模式的绝热传输。

4、本发明提供的高Q值微盘谐振器，在与其他器件集成方面有很大优势，可用在带通或带阻滤波器中。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种主动模式选择的高Q微盘谐振器的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的微盘谐振腔中绝热挖孔的四种位置的示意图；

图3为本发明实施例一提供的在微盘谐振腔中不同光场模式分布图。在上述附图中，相同的为附图标记用来表示相同的原件或结构，其中：

1-第一单模波导；2-第一锥形波导；3-第一弯曲波导；4-第三弯曲波导；5-第二弯曲波导；6-第二锥形波导；7-第二单模波导；8-绝热挖孔设计的微盘谐振腔。

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。

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。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种主动模式选择的高Q微盘谐振器的结构示意图。

如图1所示，一种主动模式选择的高Q微盘谐振器，包括：微盘谐振腔8、加热电极(未示出)、以及关于第三弯曲波导4对称分布的第一单模波导1和第二单模波导7、第一锥形波导2和第二锥形波导6、第一弯曲波导3、第二弯曲波导5；

入射光从所述第一单模波导1入射，依次经由所述第一锥形波导2和所述第一弯曲波导3，在所述第三弯曲波导4的区域进行耦合，所述入射光中满足谐振频率的光耦合进入所述微盘谐振腔8，不满足所述谐振频率的光依次经由所述第二弯曲波导5、所述第二锥形波导6，传输至所述第二单模波导7输出；

所述加热电极覆盖在所述微盘谐振腔8的表面，用于加热改变波导的谐振频率，主动激发特定模式；

所述微盘谐振腔8上设置绝热挖孔，用于保证所述特定模式在所述微盘谐振器中绝热传输。

可选的，所述加热电极设置于所述微盘谐振腔8远离所述第三弯曲波导4的一侧。

入射光在各段波导中传输，经过第三弯曲波导4的区域时，进行耦合，将满足谐振频率的光耦合进入微盘谐振腔8，入射光经过耦合区选择后，输出一种特定模式的光斑；覆盖在微盘谐振腔8边缘的加热电极加热，通过电信号进行加热，引起波导材料的折射率发生变化，从而额实现谐振波长的调谐，从而实现目标模式选择，激发特定模式，其他模式不会出射。进一步的，通过构建特定函数在微盘谐振腔8上进行挖孔，设置绝热挖孔使得特定模式可以在微盘谐振腔8挖孔后进行绝热传输，而其他模式被抑制。

本实施例中所选择的微盘谐振腔的尺寸较大，能够保证光场在传输过程中辐射损耗和侧壁散射损耗很低。当微盘谐振腔的尺寸较小时，光场的一部分会直接泄露到腔侧壁之外，随着微盘谐振腔的半径逐渐增大，光场被更好的限制在微盘谐振腔内部，离微盘谐振腔侧壁的距离逐渐增大，减小了由侧壁粗糙导致的散射损耗。随着微盘谐振腔半径的增加，有效折射率和群折射率先快速增加，然后增加的速度越来越慢，最后几乎趋于稳定，说明随着微盘谐振腔尺寸的增大，光场能够被更好地限制在腔内传播，削弱了辐射损耗的影响，但当尺寸增大到一定程度后，光场基本上都被限制在微盘谐振腔内，再增大微盘谐振腔尺寸，对光场限制作用的增加不再明显。

由于微盘谐振腔只有一个侧壁，故微盘谐振腔中模式的光场与侧壁接触相比同尺寸的微环来说更少，因此其散射损耗、辐射损耗对微盘谐振腔的Q值的影响更低，其Q值理论上更高。

微盘结构由微盘谐振腔8与弯曲耦合波导组成，在耦合区，微盘谐振腔与第三弯曲波导4同心，其半径分别为R₁、R₂，微盘中该主动选择模式的有效折射率数值为n₁，特定宽度w₁的耦合波导的基模有效折射率为n₂，使其满足n₁*R₁＝n₂*R₂，故通过该设计可以实现耦合波导中基模与微盘中特定模式的折射率匹配，进行特定模式的激发。

可选的，所述绝热挖孔根据挖孔曲线函数确定，所述绝热挖孔满足波导宽度沿径向线性增加，满足渐变宽度波导的半角小于等于模式扩散半角，保证激发出的特定模式的绝热传输；

其中，所述挖孔曲线函数为：

x_inner(m)＝(R-K·(α(i)-θ₀))·cos(α(i))；

y_inner(m)＝(R-K·(α(i)-θ₀))·sin(α(i))；

其中，K为线性系数，theta0为起始角度，R为微盘谐振腔半径，h2,h1指绝热挖孔边缘距离微盘谐振腔边缘的径向距离，i为挖孔与微盘谐振腔圆心的微分角度；x、y为挖孔曲线每点的横纵坐标。

由于微盘谐振腔只有一个侧壁，因此模式在微盘谐振腔中进行传输很容易激发高阶模式，而高级模式不但损耗相比基模要大，并且对光电振荡器的相位噪声有较大影响，因此在微盘谐振腔中进行简单纯正模式传播显得十分困难。构建一个沿微盘谐振腔中心波导宽度线性渐变的曲线方程，并通过挖孔曲线设计实现了特定模式的在微盘谐振腔中的绝热传输。

通过构建的挖孔曲线函数，确定微盘谐振腔上绝热挖孔的位置，使得其满足波导宽度沿径向线性增加，可以得出最佳的宽度渐变速率，满足最佳渐变宽度波导的半角小于等于激发模式的扩散半角，实现对微盘谐振腔的谐振波长的调谐，保证激发出的特定模式的绝热传输。

进一步的，采用主动模式选择的高Q微盘谐振器波导宽度的渐变曲率可以最快速率在满足特定模式下绝热传输，使得模式在波导中传输始终满足：渐变宽度波导的半角小于等于模式扩散半角，从而保证特定模式的绝热传输，不激发其他模式，降低模式串扰，提高器件Q值。进一步，通过特定的挖孔曲线，使得在耦合区中满足折射率匹配激发处的特定模式通过挖孔曲线后可以保证该模式的绝热传输，进而实现微盘中模式单一传输。

具体的，绝热挖孔位置的选择，通过特定的挖孔曲线，使得在耦合区中满足折射率匹配激发处的特定模式通过挖孔曲线后可以保证该模式的绝热传输，进而实现微盘中模式单一传输。为了进一步提高微盘的性能，对四种位置的挖孔进行了分析，如图2所示。绝热挖孔曲线四种位置在0°挖孔(如图2中a)，在90°挖孔(如图2中b)，在180°挖孔(如图2中c)，在270°挖孔(如图2中d),通过结合FDTD与MATLAB软件分布，当挖孔位置位于如图2中b，即90°位置时，特定模式纯度更高，边摸抑制比更好，高Q微盘谐振器性能越好。因此，本实施例中采用90°设置绝热挖孔。

本发明实施例提供的主动模式选择的高Q微盘谐振器，采用大尺寸微盘谐振腔结构，高Q特性使微波信号获得更大的延时和更窄的带宽，增大起振模式与次极大模式之间的功率差；同时利用耦合区激发特定模式，配合微盘谐振腔上的绝热挖孔，使得激发的特定模式在微盘谐振腔结构中绝热传输，使微波信号最终得到稳定的单模起振。解决了容易引起多模激光，导致模式竞争，产生增益饱和和跳模的问题，实现了激发的特定模式在微盘谐振腔中绝热传输，降低了散射损耗的有益效果。

在上述实施例的基础上，可选的，所述第三弯曲波导4区域采用弱锥形间隙耦合的形式；耦合波导与所述微盘谐振腔的特定模式的折射率匹配。

发生在耦合区间隙最小处的耦合为弱锥形间隙耦合(weakly taper)，入射光从输入直波导入射，满足谐振频率的光在弯曲波导处以弱锥形间隙耦合的方式进入微盘谐振腔，不满足谐振频率的光经由输出直波导输出，通过优化总线波导的宽度，使其满足特定激发模式的折射率匹配。耦合部分采用弱锥形间隙耦合的形式，满足耦合波导与微盘谐振腔中特定模式的折射率匹配关系，使得该主动选择模式的激发效率更高，减少光场与侧壁的相互作用，降低微盘谐振腔侧壁的散射损耗，增大Q值。

利用COMSOL对R＝500μm半径的微盘谐振腔中不同阶模式进行了仿真，对SOI微盘进行的分析，波导厚度为220nm，刻蚀深度为150nm，可以得出该回音壁微盘中不同模式的主要能量宽度分布：TE0:3μm，TE1:5μm，TE2:7μm，TE3:9μm，这为进行绝热挖孔设计提供了帮助，同时仿真得到不同模式的有效折射率，当满足折射率匹配：n₁*R₁＝n₂*R₂的时候，对应的耦合波导的宽度：w₁＝2.1μm，w₁＝1.75μm，w₁＝1.4μm，w₁＝1.05μm。

如图3所示，通过仿真软件COMSOL得出特定圆盘半径下的不同模式的宽度，其中基模的宽度为L1、TE1模式的宽度为L2、TE2模式的宽度为L3、TE4模式的宽度为L4，这为我们的挖孔位置和大小提供了理论依据。同时过耦合区域的折射率匹配，并结合特定曲线挖孔使得激发出的特定模式在微盘中绝热传输，两者方法进行结合从而得到了单一模式的高Q微盘，其中耦合波导为弱锥形间隙耦合，从SOI的单模条件0.5μm绝对过渡到与微盘中特定模式折射率匹配的波导宽度。耦合区设置为弯曲耦合，满足折射率匹配n₁*R₁＝n₂*R₂，满足耦合弯曲波导与微盘谐振腔的曲率满足模式的有效折射率匹配，该主动选择模式的激发效率更高，从而实现对微盘中特定模式的主动选择，也更易实现该模式的绝热传输。

可选的，所述的第一锥形波导2、所述第二锥形波导6、所述第一弯曲波导3、所述第二弯曲波导5以及所述第三弯曲波导4均为多模波导；

所述第一单模波导1、所述第二单模波导7、所述第一锥形波导2、所述第二锥形波导6、所述第一弯曲波导3、所述第二弯曲波导5和所述第三弯曲波导4均为条型波导、脊型波导、多层波导中的任一种。

可选的，所述第一单模波导1、所述第二单模波导7、所述第一锥形波导2、所述第二锥形波导6、所述第一弯曲波导3、所述第二弯曲波导5和所述第三弯曲波导4均采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟、砷化镓中的任意一种制成。

可选的，还包括补偿装置(未示出)，用于对所述微盘谐振腔8的谐振波长漂移进行反馈补偿。

示例性的，通过后续算法对微盘谐振腔8的谐振波长漂移进行补偿，即可消除由环境抖动等因素导致的不稳定性，提高主动模式选择的高Q微盘谐振器的性能稳定性。

实施例二

在上述实施例的基础上，本发明提供了一种带通滤波器，所述带通滤波器采用如上述实施例中任意一项所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器。

在上述实施例的基础上，本发明提供了一种带阻滤波器，所述带阻滤波器采用如上述实施例中任意一项所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器。

本发明提供的高Q值微盘谐振器，在与其他器件集成方面有很大优势，可用在带通或带阻滤波器中。

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 (9)

1.一种主动模式选择的高Q微盘谐振器，其特征在于，包括：微盘谐振腔、加热电极、以及关于第三弯曲波导对称分布的第一单模波导和第二单模波导、第一锥形波导和第二锥形波导、第一弯曲波导和第二弯曲波导；

入射光从所述第一单模波导入射，依次经由所述第一锥形波导和所述第一弯曲波导，在所述第三弯曲波导的区域进行耦合，所述入射光中满足谐振频率的光耦合进入所述微盘谐振腔，不满足所述谐振频率的光依次经由所述第二弯曲波导、所述第二锥形波导，传输至所述第二单模波导输出；

所述加热电极覆盖在所述微盘谐振腔的表面，用于加热改变波导的谐振频率，主动激发特定模式；

所述微盘谐振腔上设置绝热挖孔，用于保证所述特定模式在所述微盘谐振器中绝热传输。

2.如权利要求1所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器，其特征在于，所述绝热挖孔根据挖孔曲线函数确定，所述绝热挖孔满足波导宽度沿径向线性增加，满足渐变宽度波导的半角小于等于模式扩散半角，保证激发出的特定模式的绝热传输；

其中，所述挖孔曲线函数为：

x_inner(m)＝(R-K·(α(i)-θ₀))·cos(α(i))；

y_inner(m)＝(R-K·(α(i)-θ₀))·sin(α(i))；

其中，K为线性系数，θ₀为起始角度，R为微盘谐振腔半径，h2,h1指绝热挖孔边缘距离微盘谐振腔边缘的径向距离，i为挖孔与微盘谐振腔圆心的微分角度；x、y为挖孔曲线每点的横纵坐标。

3.如权利要求1所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器，其特征在于，所述第三弯曲波导区域采用弱锥形间隙耦合的形式；耦合波导与所述微盘谐振腔的特定模式的折射率匹配。

4.如权利要求1所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器，其特征在于，所述加热电极设置于所述微盘谐振腔远离所述第三弯曲波导的一侧。

5.如权利要求1所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器，其特征在于，所述的第一锥形波导、所述第二锥形波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导以及所述第三弯曲波导均为多模波导；

所述第一单模波导、所述第二单模波导、所述第一锥形波导、所述第二锥形波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导和所述第三弯曲波导均为条型波导、脊型波导、多层波导中的任一种。

6.如权利要求5所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器，其特征在于，所述第一单模波导、所述第二单模波导、所述第一锥形波导、所述第二锥形波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导和所述第三弯曲波导均采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟、砷化镓中的任意一种制成。

7.如权利要求1所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器，其特征在于，还包括补偿装置，用于对所述微盘谐振腔的谐振波长漂移进行反馈补偿。

8.一种带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器采用如权利要求1-7任意一项所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器。

9.一种带阻滤波器，其特征在于，所述带阻滤波器采用如权利要求1-7任意一项所述的主动模式选择的高Q微盘谐振器。

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