CN115981070B - 回音壁模式微腔及其色散控制方法、倍频程光梳产生装置 - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
本发明实施例公开了一种回音壁模式微腔及其色散控制方法、倍频程光梳产生装置。回音壁模式微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和微盘腔，微盘腔处于反常色散区且包括至少一个色散波；改变微盘腔的尺寸，以实现色散波位置调节。本发明实施例的技术方案，提出了一种通过控制微盘腔的尺寸实现回音壁模式微腔的色散控制，在合适的位置产生色散波，该回音壁模式微腔可以产生跨倍频程的光学频率梳。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种回音壁模式微腔及其色散控制方法、倍频程光梳产生装置。
背景技术
目前基于微腔的跨倍频程光梳均在微环结构(microring)中产生，该类型的结构通过改变波导的宽度和厚度来实现色散的控制，并利用色散波(dispersive wave)来展宽光梳，这要求将微环的尺寸误差控制在纳米范围内，这对微纳加工的精度提出了很高的要求。
为了产生倍频程光梳，需要使微腔具有较小的反常色散(D2>0)。微腔色散(Dint)定义为如下公式：
其中ω与ωpump分别表示产生光梳模式的频率与泵浦模式的频率，D1表示光学微腔的自由光谱范围，D2和D3为高阶色散项，μ为产生光梳模式与泵浦模式间的相对模式数。通过设计光学微腔的色散可以使光梳产生色散波(Dint＝0处)，色散波可以拓宽光梳光谱并且增加梳齿功率。
对于片上回音壁模式微腔而言，仅在氧化硅微环芯微腔(microtoroid)中产生了跨倍频程光梳，该结构通过控制激光回流(reflow)过程来调节微腔的几何结构。但是目前没有任何实验数据证明这种方法可以实现色散的调控，包括色散波的位置，色散数值的大小等。
发明内容
本发明实施例提供了一种回音壁模式微腔及其色散控制方法、倍频程光梳产生装置，该色散控制方法提出了一种通过控制微盘腔的尺寸实现回音壁模式微腔的色散控制，在合适的位置产生色散波，该回音壁模式微腔可以产生跨倍频程的光学频率梳。
根据本发明的一方面，提供了一种回音壁模式微腔的色散控制方法，所述回音壁模式微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和微盘腔，所述微盘腔处于反常色散区且包括至少一个色散波；
改变所述微盘腔的尺寸，以实现所述色散波位置调节。
可选的，所述微盘腔的形状为圆台，所述改变所述微盘腔的尺寸，以实现所述色散波位置调节，包括：
调整所述圆台的直径、厚度和侧壁倾角中的至少一者，以改变所述色散波的位置；
其中，所述直径为所述圆台的下底直径，所述厚度为所述圆台的高，所述侧壁倾角为所述圆台的母线与所述圆台的下底的夹角。
可选的，所述微盘腔包括第一色散波和第二色散波，所述第一色散波的对应波长小于所述第二色散波的对应波长；
调整所述直径、厚度和侧壁倾角中的一者，以改变所述第一色散波和所述第二色散波的位置。
可选的，固定所述厚度和所述侧壁倾角，增大所述直径，所述第一色散波向短波方向移动，所述第二色散波向长波方向移动。
可选的，固定所述直径和所述厚度，增大所述侧壁倾角，所述第一色散波向短波方向移动，所述第二色散波向长波方向移动。
可选的，固定所述直径和所述侧壁倾角，增大所述厚度，所述第二色散波向长波方向移动。
根据本发明的另一方面，提供了一种回音壁模式微腔，包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和微盘腔，所述微盘腔的色散波的位置利用上述任意一种回音壁模式微腔的色散控制方法调节。
可选的，所述微盘腔的材料包括氟化镁、氟化钡、铌酸锂、氮化铝、氮化硅或碳化硅。
可选的，所述回音壁模式微腔利用干法刻蚀工艺制备。
根据本发明的又一方面，提供了一种倍频程光梳产生装置，包括上述任意一种回音壁模式微腔。
本发明实施例提供的回音壁模式微腔的色散控制方法，回音壁模式微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和微盘腔，微盘腔处于反常色散区且包括至少一个色散波；通过改变微盘腔的尺寸，以实现色散波位置调节。本发明实施例的技术方案，提出了一种通过控制微盘腔的尺寸实现回音壁模式微腔的色散控制，在合适的位置产生色散波，该回音壁模式微腔可以产生跨倍频程的光学频率梳。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种回音壁模式微腔的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种回音壁模式微腔的显微结构示意图及尺寸表征示意图；
图3为本发明实施例提供的一种不同直径对应的色散仿真曲线示意图；
图4为本发明实施例提供的一种不同侧壁倾角对应的色散仿真曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的一种不同厚度对应的色散仿真曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的倍频程光梳产生装置产生的倍频程光梳的光谱示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供了一种回音壁模式微腔的色散控制方法，其中回音壁模式微腔包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和微盘腔，微盘腔处于反常色散区且包括至少一个色散波；改变微盘腔的尺寸，以实现色散波位置调节。
图1为本发明实施例提供的一种回音壁模式微腔的结构示意图，参考图1，该回音壁模式微腔包括衬底10和位于衬底10一侧的支撑柱20和微盘腔30，其中衬底10的材料可以包括硅，微盘腔30可以包括氧化硅、铌酸锂、氮化硅等材料。在应用时可以利用锥形光纤的锥状结构与微盘腔30耦合，该回音壁模式微腔可以为片上集成器件。该回音壁模式微腔包括至少一个色散波(Dint＝0)，通过调整微盘腔30的尺寸，可以调整色散波的不同位置。
图2为本发明实施例提供的一种回音壁模式微腔的显微结构示意图及尺寸表征示意图，其中(a)示出了微盘腔的扫描电镜图，(c)示出了侧壁形貌的电镜图，(b)示出了微盘腔的三个尺寸参数：直径D、厚度T和侧壁倾角α，其中微盘腔的形状为圆台，直径D为圆台的下底直径，厚度T为圆台的高，侧壁倾角α为圆台的母线与圆台的下底的夹角。
本发明实施例的技术方案，提出了一种通过控制微盘腔的尺寸实现回音壁模式微腔的色散控制，在合适的位置产生色散波，该回音壁模式微腔可以产生跨倍频程的光学频率梳。
本实施例中，以氧化硅微盘腔为例，经过仿真发现，微盘腔的尺寸会影响色散波的位置。可选的，微盘腔的形状为圆台，改变微盘腔的尺寸，以实现色散波位置调节，包括：
调整圆台的直径、厚度和侧壁倾角中的至少一者，以改变色散波的位置；其中，直径为圆台的下底直径，厚度为圆台的高，侧壁倾角为圆台的母线与圆台的下底的夹角。
可选的，微盘腔包括第一色散波和第二色散波，第一色散波的对应波长小于第二色散波的对应波长；调整直径、厚度和侧壁倾角中的一者，以改变第一色散波和第二色散波的位置。
具体实施时，可以固定直径D、厚度T和侧壁倾角α中的两个，调整第三个参数的大小，确定色散波的移动规律。
可选的，固定厚度和侧壁倾角，增大直径，第一色散波向短波方向移动，第二色散波向长波方向移动。
示例性的，在某一实施例中，选定侧壁倾角为α＝32°，厚度T＝1.36μm，通过改变直径D的大小，可以调节色散波的位置。图3为本发明实施例提供的一种不同直径对应的色散仿真曲线示意图，由图3可知，当侧壁倾角和厚度固定，直径增加时，色散会增加，长波方向的色散波(第二色散波)位置会往长波方向移动，短波方向的色散波(第一色散波)位置会往短波方向移动。
可选的，固定直径和厚度，增大侧壁倾角，第一色散波向短波方向移动，第二色散波向长波方向移动。
示例性的，在另一实施例中，选定直径D＝102μm，侧壁倾角为α＝32°，通过改变侧壁倾角α的大小，可以调整色散波的位置。图4为本发明实施例提供的一种不同侧壁倾角对应的色散仿真曲线示意图，由图4可知，当厚度和直径固定，倾角增加时，长波方向的色散波位置会往长波方向移动，短波方向的色散波位置会往短波方向移动。
可选的，固定直径和侧壁倾角，增大厚度，第二色散波向长波方向移动。
示例性的，在又一实施例中，选定直径D＝102μm，厚度侧壁倾角为α＝32°，图5为本发明实施例提供的一种不同厚度对应的色散仿真曲线示意图，由图5可知，通过改变厚度可以调控长波的色散波位置，厚度增加时，长波方向的色散波位置会往长波方向移动，相比于短波，厚度对长波色散波位置的影响应该更大。
本实施例中，通过合理调控厚度、侧壁倾角和直径，可以在合适的位置产生色散波。
本发明实施例还提供一种回音壁模式微腔，包括衬底和位于衬底一侧的支撑柱和微盘腔，其结构可参考图1所示，微盘腔的色散波的位置利用上述任意一种回音壁模式微腔的色散控制方法调节。回音壁模式微腔可以通过控制微盘腔的尺寸实现回音壁模式微腔的色散控制，在合适的位置产生色散波，该回音壁模式微腔可以产生跨倍频程的光学频率梳。
可选的，微盘腔的材料包括氟化镁、氟化钡、铌酸锂、氮化铝、氮化硅或碳化硅，具体实施时可以根据实际情况选择，本发明实施例对此不作限定。
可选的，回音壁模式微腔利用干法刻蚀工艺制备，其中干法刻蚀工艺的重复性强，回音壁模式微腔的尺寸可控。
本发明实施例还提供一种倍频程光梳产生装置，包括上述任意一种回音壁模式微腔。
示例性的，作为对理论仿真的验证，制备了如下尺寸的样品：厚度1.39μm，侧壁倾角32.3°，直径分别是100.5μm、102.3μm、104.8μm的氧化硅微盘腔。当选取合适的实验条件时，分别得到了混沌态的倍频程光梳，图6为本发明实施例提供的倍频程光梳产生装置产生的倍频程光梳的光谱示意图，其中梳齿功率突然增加的位置即为色散波的位置，用箭头指示。色散波位置随直径的变化趋势与理论仿真是一致的。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种回音壁模式微腔的色散控制方法，其特征在于，所述回音壁模式微腔包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和微盘腔，所述微盘腔处于反常色散区且包括至少一个色散波；
改变所述微盘腔的尺寸，以实现所述色散波位置调节；
所述微盘腔的形状为圆台，所述改变所述微盘腔的尺寸，以实现所述色散波位置调节，包括：
调整所述圆台的直径、厚度和侧壁倾角中的至少一者，以改变所述色散波的位置；
其中，所述直径为所述圆台的下底直径，所述厚度为所述圆台的高，所述侧壁倾角为所述圆台的母线与所述圆台的下底的夹角；
所述微盘腔包括第一色散波和第二色散波，所述第一色散波的对应波长小于所述第二色散波的对应波长；
调整所述直径、厚度和侧壁倾角中的一者，以改变所述第一色散波和所述第二色散波的位置。
2.根据权利要求1所述的回音壁模式微腔的色散控制方法，其特征在于，固定所述厚度和所述侧壁倾角，增大所述直径，所述第一色散波向短波方向移动，所述第二色散波向长波方向移动。
3.根据权利要求1所述的回音壁模式微腔的色散控制方法，其特征在于，固定所述直径和所述厚度，增大所述侧壁倾角，所述第一色散波向短波方向移动，所述第二色散波向长波方向移动。
4.根据权利要求1所述的回音壁模式微腔的色散控制方法，其特征在于，固定所述直径和所述侧壁倾角，增大所述厚度，所述第二色散波向长波方向移动。
5.一种回音壁模式微腔，其特征在于，包括衬底和位于所述衬底一侧的支撑柱和微盘腔，所述微盘腔的色散波的位置利用权利要求1~4任一所述的回音壁模式微腔的色散控制方法调节。
6.根据权利要求5所述的回音壁模式微腔，其特征在于，所述微盘腔的材料包括氟化镁、氟化钡、铌酸锂、氮化铝、氮化硅或碳化硅。
7.根据权利要求5所述的回音壁模式微腔，其特征在于，所述回音壁模式微腔利用干法刻蚀工艺制备。
8.一种倍频程光梳产生装置，其特征在于，包括权利要求5~7任一所述的回音壁模式微腔。
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