CN115832858A - 微腔光频梳结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微腔光频梳结构，包括：增益芯片，适用于提供宽谱光源；光耦合器，适用于将增益芯片提供的宽谱光源进行模斑变换；微环谐振腔，适用于对光耦合器输出的光信号发生共振；移相器，适用于调节光信号在光耦合器与反射元件之间的等效光程；反射元件，适用于对移相器输出的光信号进行反射；其中，增益芯片的增透端朝向氮化硅芯片，增透端表面镀有抗反膜；增益芯片的输出端用于对氮化硅芯片反射出的光信号发生部分透射和部分反射。本发明提供的微腔光频梳结构，通过将光耦合器、微环谐振腔、移相器、反射元件集成在同一个氮化硅芯片上，和增益芯片混合集成，结构简单，使得微腔光频梳结构的集成度更高、体积更小。

Description

微腔光频梳结构

技术领域

本发明涉及光信号产生的集成光学领域，具体涉及一种微腔光频梳结构。

背景技术

光频梳，是指由一系列离散、等间距且具有相位锁定关系的激光组成的宽谱相干光源，在光通信、传感、测量以及计时等领域具有重要应用。

目前光频梳有多种不同的实现方式。一方面，基于锁模激光器产生光频梳的方案较为成熟，输出光谱稳定，但是该方案产生的光频梳结构具有体积较大、输出功率较大以及频率的重复性较低的缺点；另一方面，基于高阶非线性方案的如四波混频(FWM)，交叉相位调制(XPM)，自相位调制(SPM)等激发新的光频率从而产生光频梳，但基于非线性效应产生光频梳需要高功率的泵浦光，并且调控机制较为复杂。因此，基于上述因素，进而限制了光频梳的进一步应用。

发明内容

针对上述问题，本申请提供了一种微腔光频梳结构，通过引入微环谐振腔以及基于选模机制产生并获得频率稳定的光学频率梳信号。

为了实现上述目的，本发明提供一种微腔光频梳结构，包括：增益芯片，适用于提供宽谱光源；光耦合器，上述光耦合器的输入端与上述增益芯片的增透端连接，适用于将上述增益芯片提供的宽谱光源进行模斑变换；微环谐振腔，上述微环谐振腔的输入端与上述光耦合器的输出端连接，适用于对上述光耦合器输出的光信号发生共振；移相器，上述微环移相器的输入端与上述微环谐振腔的输出端连接，适用于调节光信号在上述光耦合器与反射元件之间的等效光程；上述反射元件，适用于对上述移相器输出的光信号进行反射；其中，上述光耦合器、上述微环谐振腔、上述移相器、上述反射元件集成在同一个氮化硅芯片上；上述增益芯片的增透端朝向上述氮化硅芯片，上述增透端表面镀有抗反膜；上述增益芯片的输出端用于对上述氮化硅芯片反射出的光信号发生部分透射和部分反射。

根据本发明的实施例，上述微环谐振腔构成第一滤波器，适用于对上述光耦合器输出的光信号进行一级滤波，得到上述第一自由光谱范围(FSR1)；上述增益芯片的输出端到上述反射元件之间构成第二滤波器，适用于对上述第二滤波器内的光信号进行二级滤波，得到第二自由光谱范围(FSR2)。

根据本发明的实施例，通过上述第一滤波器和上述第二滤波器的相互作用对上述增益芯片的增透端输出的激射光谱进行选模，以获得频率稳定的光学频率梳信号；其中，在上述第一自由光谱范围等于上述第二自由光谱范围的偶数倍的情况下，上述第一自由光谱范围的峰值和上述第二自由光谱范围的峰值对应的频率一致，从而输出该频率对应的光信号，完成选模。

根据本发明的实施例，上述第一滤波器上设置有热调结构元件，通过上述热调结构元件对上述第一自由光谱范围的光信号的频率进行调节；通过上述移相器对上述第二自由光谱范围的光信号的等效光程进行调节。

根据本发明的实施例，上述移相器利用热光效应以及压电效应中的一种，对上述第二自由光谱范围的光信号的等效光程进行调节。

根据本发明的实施例，上述第一自由光谱范围通过公式(一)计算得到；

公式(一)中，λ₁表示上述微环谐振腔的谐振波长，n_g1为上述微环谐振腔的波导的群折射率，R为上述微环谐振腔的半径；

上述第二自由光谱范围通过公式(二)计算得到；

公式(二)中，λ₂为上述第二滤波器的谐振波长，n_g2为上述第二滤波器的等效群折射率，L为上述第二滤波器的实际光程。

根据本发明的实施例，上述微环谐振腔包括全通型、上下话路型、非同心圆以及跑道型中的任一种结构。

根据本发明的实施例，上述光耦合器为端面耦合器，包括倒锥形、阶梯型以及悬空波导中的任一种结构。

根据本发明的实施例，上述反射元件为多模干涉耦合器和反射膜中的任一种；上述多模干涉耦合器和上述反射膜构成上述第二滤波器的一个反射端面，从而实现光信号的反射；其中，上述多模干涉耦合器的输入端连接到上述移相器的输出端，上述多模干涉耦合器的两个输出端相连并构成回路，以实现用于对上述移相器输出的光信号进行反射。

根据本发明的实施例，上述光耦合器、上述微环谐振腔、上述移相器、上述多模干涉耦合器均由氮化硅材料制成，并通过氮化硅波导连接，以实现整个光路中光信号的传输。

根据本发明的实施例，通过引入微环谐振腔，并将光耦合器、微环谐振腔、移相器以及反射元件集成在同一氮化硅芯片上，得到了集成度高、体积小的新型微腔光频梳结构；此外，该微腔光频梳结构除增益芯片外，其余光学元件均在氮化硅材料上单片集成，随后通过和增益芯片混合集成进一步降低损耗，提高系统稳定性。

根据本发明的实施例，通过基于选模机制产生并获得频率稳定的光学频率梳信号，简化了产生光频梳结构的制备过程及其调控机制。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本发明实施例提供的一种微腔光频梳结构的示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例提供的一种微腔光频梳结构中滤波光谱图；

图3示意性示出了根据本发明另一实施例提供的一种微腔光频梳结构的示意图。

附图标记说明

1：增益芯片；

2：光耦合器；

3：微环谐振腔；

4：移相器；

5：多模干涉耦合器；

6：反射膜。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

目前，在研究光频梳信号的产生与应用的过程中，实现器件的高集成化成为关键研究之一，降低系统损耗，实现可调控的光电兼容以及高质量的光频梳已成为研究重点，因此基于光学微腔产生光频梳凭借高Q腔体可以带来低阈值、窄线宽以及低相噪等优势得到广泛的研究。此外，如何确保产生更加简单、稳定、高效的光频梳也将成为研究重点。

近年来，随着硅基光子集成技术的不断发展，不同功能的光学器件实现了可以集成在单个硅基芯片上，从而大大降低系统损耗，提高系统的稳定性。其中高Q微腔具有极高的储能能力，在光电振荡器，微腔激光器、生物传感等方向具有重要的应用。

图1示意性示出了根据本发明实施例提供的一种微腔光频梳结构的示意图。

根据本发明提供的一种示例性实施例，本发明公开了一种微腔光频梳结构，参考图1所示，微腔光频梳结构包括：增益芯片1(英文全称为Gain chip，简称GC)、光耦合器2、微环谐振腔3、移相器4和多模干涉耦合器5(英文全称为Multimode Interference Couplers，简称MMI)。增益芯片1，适用于提供宽谱光源；光耦合器2，光耦合器2的输入端与增益芯片1的增透端连接，适用于将增益芯片1提供的宽谱光源进行模斑变换；微环谐振腔3，微环谐振腔3的输入端与光耦合器2的输出端连接，适用于对光耦合器2输出的光信号发生共振；移相器4，微环移相器4的输入端与微环谐振腔3的输出端连接，适用于调节光信号在光耦合器2与多模干涉耦合器5之间的等效光程；多模干涉耦合器5，适用于对移相器4输出的光信号进行反射；其中，光耦合器2、微环谐振腔3、移相器4、多模干涉耦合器5集成在同一个氮化硅芯片上；增益芯片1的增透端朝向氮化硅芯片，增透端表面镀有抗反膜；增益芯片1的输出端用于对氮化硅芯片反射出的光信号发生部分透射和部分反射。

根据本发明的实施例，增益芯片1的增透端镀有抗反膜，具有高透射率，较低的反射率(AR)，其反射可以忽略，从而将较宽的自由激射光谱经光耦合器2输入到氮化硅波导中，随后光信号依次通过微环谐振腔3、移相器4、以及反射元件后从原路返回，最终从增益芯片1的输出端输出。

根据本发明的实施例，通过引入微环谐振腔3，并将光耦合器2、微环谐振腔3、移相器4以及多模干涉耦合器5集成在同一氮化硅芯片上，得到了结构紧凑、集成度高、体积小的新型微腔光频梳结构，从而克服了现有技术中由于传统光频梳结构的体积过大导致应用范围受限的技术缺陷；此外，该微腔光频梳结构除增益芯片1外，其余光学元件均在氮化硅材料上单片集成，随后通过和增益芯片1混合集成进一步降低损耗，提高系统稳定性。

根据本发明的实施例，微环谐振腔3构成第一滤波器，适用于对光耦合器2输出的光信号进行一级滤波，得到第一自由光谱范围；增益芯片1的输出端到反射元件之间构成第二滤波器，适用于对第二滤波器内的光信号进行二级滤波，得到第二自由光谱范围。

根据本发明的实施例，增益芯片1的增透端输出的宽谱光源在通过第一滤波器和第二滤波器的滤波后，光信号从增益芯片1的输出端输出，得到频率稳定光频梳信号。

根据本发明的实施例，通过第一滤波器和第二滤波器的相互作用对增益芯片1的增透端输出的激射光谱进行选模，以获得频率稳定的光学频率梳信号；其中，在第一自由光谱范围等于第二自由光谱范围的偶数倍的情况下，第一自由光谱范围的峰值和第二自由光谱范围的峰值对应的频率一致，从而输出该频率对应的光信号，完成选模。

根据本发明的实施例，第一自由光谱范围通过公式(一)计算得到；

公式(一)中，λ₁表示微环谐振腔3的谐振波长，n_g1为微环谐振腔3的波导的群折射率，R为微环谐振腔3的半径；

第二自由光谱范围通过公式(二)计算得到；

公式(二)中，λ₂为第二滤波器的谐振波长，n_g2为第二滤波器的等效群折射率，L为第二滤波器的实际光程。

根据本发明的实施例，第一滤波器上设置有热调结构元件，通过热调结构元件对第一自由光谱范围的光信号的频率进行调节；通过移相器4对第二自由光谱范围的光信号的等效光程进行调节。

根据本发明的实施例，热调结构元件包括调相热电阻，通过调相电极实现对第一自由光谱范围调谐。

根据本发明的实施例，移相器4利用热光效应以及压电效应中的一种，对第二自由光谱范围的光信号的等效光程进行调节，具体根据实际要求选用合适的调谐方式。

根据本发明的实施例，利用热调结构元件调节第一自由光谱范围和利用移相器4的热光效应对第二自由光谱范围进行调节的机制相同，包括：在氮化硅波导上覆盖有一层热光材料，如氮化钛材料等，对光频梳结构进行通电后，热光材料具有较高的方阻，继而温度升高，进而传递到氮化硅波导上，导致氮化硅波导的折射率改变，从而改变从光耦合器2到反射元件之间的等效光程。

根据本发明的实施例，从光耦合器2到反射元件之间的等效光程通过公式(三)计算得到；

l＝L×n_g2；(三)

公式(三)中，L为第二滤波器的实际光程，n_g2为第二滤波器的等效群折射率。

根据本发明的实施例，基于选模机制产生光频梳信号具有结构简单、线宽压窄、频率可调谐的技术效果。

图2示意性示出了根据本发明实施例提供的一种微腔光频梳结构中滤波光谱图。

如图2所示，FSR1表示第一自由光谱范围，FSR2表示第二自由光谱范围；通过第一滤波器和第二滤波器共同作用对增益芯片1的增透端输出的激射光谱进行选模，获得稳定光频梳信号输出。

首先，第二滤波器实现对增益芯片1激射光谱的第一次选模，形成第二自由光谱范围；因为第二滤波器的长度更大，导致第二自由光谱范围具有更小的梳齿间隔，得到恒定频率间隔。其次，第一滤波器，实现低损耗、高Q值滤波，对经过第二滤波器选模的光信号再次选模，形成第一自由光谱范围。通过合理设置两个滤波器的尺寸，调控微环谐振腔3上的热电阻以及移相器4对第一自由光谱范围和第二自由光谱范围进行微调，使得第一自由光谱范围等于第二自由光谱范围的偶数倍，进而使得第一自由光谱范围的一个周期内含有奇数个第二自由光谱范围的最大值。即在第一自由光谱范围等于第二自由光谱范围的偶数倍的情况下，第一自由光谱范围的一个周期中可以完整包含整数个第二自由光谱范围的周期，进而使得第一自由光谱范围的传输谱的最大值正好对应第二自由光谱范围的传输谱的最大值。

例如，第一自由光谱范围可以设计为200GHz，第二自由光谱范围可以设计为12.5GHz，则在第一自由光谱范围的一个周期中可以包含16个完整的第二自由光谱范围周期，并且第一自由光谱范围的传输光谱最大值正好对应第二自由光谱范围传输谱的最大值。此外，微环谐振腔3采用氮化硅波导，可以实现低损耗、高Q值滤波，从而第一滤波器可以实现较高的精细度。在经过第一滤波器和第二滤波器通过作用下，第二滤波器中光谱最大值两侧的模式被第一滤波器较好的抑制，因此经过第一滤波器滤波后，增益芯片1输出的光信号为以第一自由光谱范围为频率间隔的光频梳信号。

根据本发明的实施例，微环谐振腔3包括全通型、上下话路型、非同心圆以及跑道型中的任一种结构。

根据本发明的实施例，微环谐振腔3还可以通过弯曲波导等方式进一步减小尺寸，提升耦合效率。

根据本发明的实施例，光耦合器2为端面耦合器，包括倒锥形、阶梯型以及悬空波导中的任一种结构。

根据本发明的实施例，光耦合器2用实现将增益芯片1光信号高效耦合，一般可以通过优化倒锥形波导结构的变化曲线等提升耦合效率，对TE和TM偏振的光耦合效率可以达到90％以上；另外可以采用垂直方向的阶梯型优化设计等方案，进一步提升竖直方向的模场匹配程度，从而进一步提升耦合效率。

根据本发明的实施例，反射元件为多模干涉耦合器5和反射膜6中的任一种；多模干涉耦合器5和反射膜6构成第二滤波器的一个反射端面，从而实现光信号的反射；其中，多模干涉耦合器5的输入端连接到移相器4的输出端，多模干涉耦合器5的两个输出端相连并构成回路，以实现用于对移相器4输出的光信号进行反射。

根据本发明的实施例，光耦合器2、微环谐振腔3、移相器4、多模干涉耦合器5均由氮化硅材料制成，并通过氮化硅波导连接，以实现整个光路中光信号的传输。

根据本发明的实施例，氮化硅材料的透明光学窗口覆盖可见、近红外通信波段到中红外波段，并且没有双光子吸收和自由载流子效应，因此在此窗口内，可实现非常低的传输损耗；采用氮化硅波导连接多个光学元件可以进一步降低传输损耗，提高系统Q值。

根据本发明的实施例，多个光学元件之间通过氮化硅波导传输光信号，氮化硅波导采用脊波导结构，由于脊型波导结构可以实现更强的模场限制，并且脊型波导可以减小模场和侧壁的重合程度，从而可以进一步降低传输损耗。

图3示意性示出了根据本发明另一实施例提供的一种微腔光频梳结构的示意图。

如图3所示，在该实施例中，多模干涉耦合器5由反射膜6代替，该反射膜为高反膜(英文全称为Highly Reflective，简称HR)；其他光学元件和第一个实施例中的微腔光频梳结构完全相同，该实施例的变形结构具有和第一个实施例中的微腔光频梳结构相同的功能。需要注意的是，此实施例中，需要在移相器4的输出端波导镀有增反膜，从而实现反射效果，相较于第一个实施例中的微腔光频梳结构，该实施例对应的结构由于减少了一个光学元件，使得整个结构更加简单。

本发明提供的微腔光频梳结构能够实现产生高Q值、窄线宽、频率可调的光频梳，该结构具有简单、易于实现紧凑、集成度高等优点，为光频梳的快速制备提供了一种可行的方案。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微腔光频梳结构，包括：

增益芯片(1)，适用于提供宽谱光源；

光耦合器(2)，所述光耦合器(2)的输入端与所述增益芯片(1)的增透端连接，适用于将所述增益芯片(1)提供的宽谱光源进行模斑变换；

微环谐振腔(3)，所述微环谐振腔(3)的输入端与所述光耦合器(2)的输出端连接，适用于对所述光耦合器(2)输出的光信号发生共振；

移相器(4)，所述微环移相器(4)的输入端与所述微环谐振腔(3)的输出端连接，适用于调节光信号在所述光耦合器(2)与反射元件之间的等效光程；

所述反射元件，适用于对所述移相器(4)输出的光信号进行反射；

其中，所述光耦合器(2)、所述微环谐振腔(3)、所述移相器(4)、所述反射元件集成在同一个氮化硅芯片上；

所述增益芯片(1)的增透端朝向所述氮化硅芯片，所述增透端表面镀有抗反膜；所述增益芯片(1)的输出端用于对所述氮化硅芯片反射出的光信号发生部分透射和部分反射。

2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述微环谐振腔(3)构成第一滤波器，适用于对所述光耦合器(2)输出的光信号进行一级滤波，得到所述第一自由光谱范围；

所述增益芯片(1)的输出端到所述反射元件之间构成第二滤波器，适用于对所述第二滤波器内的光信号进行二级滤波，得到第二自由光谱范围。

3.根据权利要求2所述的结构，其中，通过所述第一滤波器和所述第二滤波器的相互作用对所述增益芯片(1)的增透端输出的激射光谱进行选模，以获得频率稳定的光学频率梳信号；其中，在所述第一自由光谱范围等于所述第二自由光谱范围的偶数倍的情况下，所述第一自由光谱范围的峰值和所述第二自由光谱范围的峰值对应的频率一致，从而输出该频率对应的光信号，完成选模。

4.根据权利要求2或3所述的结构，其中，所述第一滤波器上设置有热调结构元件，通过所述热调结构元件对所述第一自由光谱范围的光信号的频率进行调节；通过所述移相器(4)对所述第二自由光谱范围的光信号的等效光程进行调节。

5.根据权利要求4所述的结构，其中，所述移相器(4)利用热光效应以及压电效应中的一种，对所述第二自由光谱范围的光信号的等效光程进行调节。

6.根据权利要求2或3所述的结构，其中，所述第一自由光谱范围通过公式(一)计算得到；

公式(一)中，λ₁为所述微环谐振腔(3)的谐振波长，n_g1为所述微环谐振腔(3)的波导的群折射率，R为所述微环谐振腔(3)的半径；

所述第二自由光谱范围通过公式(二)计算得到；

公式(二)中，λ₂为所述第二滤波器的谐振波长，n_g2为所述第二滤波器的等效群折射率，L为所述第二滤波器的实际光程。

7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述微环谐振腔(3)包括全通型、上下话路型、非同心圆以及跑道型中的任一种结构。

8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述光耦合器(2)为端面耦合器，包括倒锥形、阶梯型以及悬空波导中的任一种结构。

9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述反射元件为多模干涉耦合器(5)和反射膜(6)中的任一种；所述多模干涉耦合器(5)和所述反射膜(6)构成所述第二滤波器的一个反射端面，从而实现光信号的反射；其中，所述多模干涉耦合器(5)的输入端连接到所述移相器(4)的输出端，所述多模干涉耦合器(5)的两个输出端相连并构成回路，以实现用于对所述移相器(4)输出的光信号进行反射。

10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述光耦合器(2)、所述微环谐振腔(3)、所述移相器(4)、所述多模干涉耦合器(5)均由氮化硅材料制成，并通过氮化硅波导连接，以实现整个光路中光信号的传输。

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