CN117742056A - 一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔，包括衬底，在所述衬底上制备二氧化硅层；二氧化硅层上制备铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜刻蚀脊型环形波导和脊型直波导。本发明利用铌酸锂薄膜材料，采取微环谐振腔，结合非线性效应搭建光频梳激发系统，提高泵浦‑光孤子的能量转换效率，提高耦合效率，减少光损耗，增强光梳相干性，实现高品质因子、高平坦度微腔光梳。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学与集成光电子技术领域，特别是涉及一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔及制备方法。
背景技术
克尔光频梳是一种在频域上产生离散等间距梳线的高精度频率参考源，时域上表现为具有重复频率的短脉冲，具有极高的稳定性，广泛应用于科学研究中。它作为高精度频率参考源，可用于计量学、光谱学、光通信、光计算、量子光学、卫星导航、激光雷达等多个领域。在计量学中，光频梳为国际计量单位的定义提供了精确性，而在光通信领域，它提供了多载波光源的关键技术。此外，光频梳在量子技术领域的应用也备受瞩目，为量子计算和量子通信提供了支持。上述多领域的需求背景为光频梳技术的发展提供了坚实的基础。
然而，传统克尔光频梳存在体积大、制作复杂等问题，限制了其应用场合。近年来，基于微环谐振腔的克尔光频梳得到了广泛关注，即通过在微环谐振腔中注入光信号，输入的泵浦光与谐振腔相互作用，经克尔效应产生一系列等间距光频率梳状结构，同时片上结构可增强其集成度和系统可重构性。相比于法布里-珀罗腔(Fabry-Perot resonator)，微环谐振腔由于其行波特性，可以控制光的传播方向与路径，且结构简单、体积小、易集成。特别的，在相干光通信中，光频梳可以作为一种高效且灵活的多波长信号源，实现大容量、低成本、低功耗和低复杂度的数据传输。相比传统的密集波分复用系统，使用单一光源产生的光频梳具有更好的波长利用率和相干性，降低信号之间的串扰和噪声。2017年，德国卡尔斯鲁厄理工学院P.Marin-Palomo等人利用单孤子克尔光频梳，结合波分复用技术，在75km长的光纤通信系统中达成了55Tbit/s的通信速率。2020年，澳大利亚蒙纳士大学BillCorcoran等人基于微腔孤子，采用正交强度调制编码方式实现了44.2Tbit/s的通信速率。
现用于产生光频梳的非线性波导主要为氮化硅材料，其非线性系数为1m-1W-1，损耗为0.03dB/cm，参数均优于二氧化硅。铌酸锂(LiNbO3)材料的非线性系数和损耗数值分别为0.55m-1W-1和0.03dB/cm，与氮化硅相近，但与之相比，铌酸锂(LiNbO3)具有很强的电光调制特性，在1550nm波段没有双光子吸收效应。然而，铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的器件体积较大、不易集成，因此引出了从块状铌酸锂晶体上分离出铌酸锂薄膜。且针对传统的微腔克尔光频梳，多采用泵浦频率调谐的方式，调谐泵浦光的中心波长从蓝失谐区至红失谐区，光梳依次经过图灵环、混沌态、多孤子态、单孤子态等状态。然而该方法存在不足，需要对可调谐激光器的频率进行精准调控，严格控制调谐范围、速度与步长。
发明内容
为了解决现有技术中微腔克尔光频梳需要对可调谐激光器的频率进行精准调控，严格控制调谐范围、速度与步长，光频梳效率低、色散高、结构不稳定的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔，微环谐振腔包括衬底，在所述衬底上制备二氧化硅层；
所述二氧化硅层上制备铌酸锂薄膜，所述铌酸锂薄膜刻蚀脊型环形波导和脊型直波导。
优选地，所述脊型环形波导和所述脊型直波导的刻蚀角度θ为75°；
所述铌酸锂薄膜的总厚度H为600nm；所述脊型环形波导和所述脊型直波导的宽度W为3000nm，所述脊型环形波导和所述脊型直波导的厚度D为450nm。
优选地，所述衬底为硅衬底。
本发明的另一个目的在于提供一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上制备二氧化硅层；
在所述二氧化硅层上表面旋涂一层苯丙环丁烯，将铌酸锂薄膜通过苯丙环丁烯贴合于所述二氧化硅层上表面，并高温固化；
在所述铌酸锂薄膜上表面刻蚀脊型环形波导和脊型直波导。
优选地，所述脊型环形波导和所述脊型直波导的刻蚀角度θ为75°；
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优选地，所述衬底为硅衬底。
本发明提供的一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔及制备方法，利用腔内布里渊激光作为腔内泵浦光产生布里渊克尔孤子梳的方法，无需精准调谐腔外泵浦的频率，腔内产生的多波长布里渊激光在腔内循环，其产生的时域孤子脉冲是微腔内自发形成的。同时，改变腔内布里渊激光的频率间隔，可实现梳齿间隔从千兆赫兹到太赫兹的光频梳。
本发明提供的一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔及制备方法，利用铌酸锂薄膜材料，采取微环谐振腔，结合非线性效应搭建光频梳激发系统，提高泵浦-光孤子的能量转换效率，提高耦合效率，减少光损耗，增强光梳相干性，实现高品质因子、高平坦度微腔光梳。
本发明提供的一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔及制备方法，相比于传统的仅仅依赖于克尔非线性效应的微腔光频梳，引入SBS效应(Stimulated Brillouin Scattering，受激布里渊散射)的克尔光频梳中，SBS效应可以提供一个额外的非线性机制，增强微腔中的克尔效应，从而有利于孤子光频梳的形成和维持。另外，SBS效应可以通过调节泵浦光和微腔模式之间的相位失配，实现对孤子光频梳的主动调控，即自发形成孤子脉冲，改善频率调谐微腔光梳存在的局限性。
本发明提供的一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔及制备方法，能够克服传统微环谐振腔存在的转化效率极限，提高泵浦至光孤子的能量转换效率，实现泵浦与孤子之间的灵活控制，同时生成由大量等间距的谱线组成的相干光信号，以满足不同应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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示意性示出了本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的平面示意图。
图2示出了图1中A-A方向的截面图。
图3示出了图1中B-B方向的截面图。
图4示出了本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔克尔介质产生克尔光频梳的四波混频效应示意图。
图5示出了本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的SBS效应腔内作用示意图。
图6示出了本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的布里渊-克尔光频梳激发系统的示意图。
图7示出了本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的布里渊-克尔光频梳产生过程的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
结合图1至图3，根据本发明的实施例，提供一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔，包括衬底300，在衬底300上制备二氧化硅层200。衬底300为硅衬底。
二氧化硅层200上制备铌酸锂(LiNbO3)薄膜100，铌酸锂薄膜100刻蚀脊型环形波导101和脊型直波导102。脊型环形波导101和脊型直波导102的刻蚀角度θ为75°。
铌酸锂薄膜100的总厚度H为600nm。脊型环形波导101和脊型直波导102的宽度W为3000nm，脊型环形波导101和脊型直波导102的厚度D为450nm。
根据本发明的实施例，提供一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的制备方法，包括：
在衬底300上制备二氧化硅层200。衬底300为硅衬底。
在二氧化硅层200上表面旋涂一层苯丙环丁烯(BCB)，将铌酸锂(LiNbO3)薄膜100通过苯丙环丁烯贴合于所述二氧化硅层200上表面，并高温固化。
在铌酸锂薄膜100上表面刻蚀脊型环形波导101和脊型直波导102。脊型环形波101导和脊型直波导102的刻蚀角度θ为75°。铌酸锂薄膜100的总厚度H为600nm；脊型环形波导101和脊型直波导102的宽度W为3000nm，脊型环形波导101和脊型直波导102的厚度D为450nm。
本发明中高Q值(高品质因子)微环谐振腔的自由光谱范围设置为100GHz，通过仿真测得1550nm波长处脊型环形波导101和脊型直波导102的群折射率为1.9314，随后根据公式R0＝c/(2πng*FSR)，计算得出微环的圆周半径R0约为247.21um，故微腔周长为L＝2πR0＝1553.27um。
如图1所示，连续波激光器输出中心波长为1550nm的连续泵浦光(CW pump)，从微环谐振腔S端口进入微腔后，利用微环内的级联四波混频、调制不稳定性、光参量振荡等非线性效应，从而在泵浦光周围产生一系列等间距的谱线，这些谱线构成了克尔光频梳。若满足一定的条件，如色散、非线性、损耗和泵浦功率之间的平衡，则在微环内可形成稳定的孤子态，从而产生平坦且宽谱的克尔孤子梳(Kerr-soliton comb，简称K-s comb)，并从微环谐振腔K端口输出。
本发明借助受激布里渊散射效应，在腔内激发布里渊激光，进而产生一个与泵浦光反向的布里渊克尔孤子梳(Brillouin Kerr-soliton comb，简称BK-scomb)，由微环谐振腔S端口输出。
本发明铌酸锂薄膜100采用直通型微环谐振腔结构，环形波导和直波导采用脊型结构(倒锥型(inverse taper)结构)，仅激发TE0基模。这样的结构可实现高效的光耦合，减小损耗，提高器件的传输效率和性能。由于脊型环形波导101和脊型直波导102下方的二氧化硅层200以及脊型环形波导101和脊型直波导102上方的空气折射率存在较大差异，光模场主要聚集在脊型环形波导101和脊型直波导102中，使其成为高功率限制因子光波导，实现较高的非线性系数。
本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的工作原理。
(1)自相位调制与交叉相位调制
自相位调制(SPM)是光场自身造成的一种相位偏移，它通过光强的瞬时改变，对波导的折射率进行相应调节，从而实现对波导的相位调制，其相位偏移量可表示为：
其中，n2为非线性折射率，L为有效传播长度，k0表示中心频率对应的波数。从该公式(1)可得出相位偏移量随光功率和传输距离的增大而增大。
此外，SPM不仅与展宽超短脉冲的谱线相关，而且对反常色散下光孤子的实现有一定影响。
交叉相位调制(XPM)是指多个不同频率、不同传播方向、不同偏振状态的光波在一个波导中同时传输时，光场之间进行的非线性相位调制，彼此之间发生耦合作用，产生非线性相移。此外，XPM能够造成共同传输的光脉冲产生非对称的谱展宽现象，引起调制不稳定性的发生。XPM引起的相位变化量如下：
研究表明，光场在微环谐振腔中发生的SPM和XPM会引起相位的偏移，且XPM引起的相位偏移是SPM的两倍。XPM发生的过程中，SPM也同时存在。
(2)四波混频效应
四波混频效应(FWM)是克尔介质产生克尔光频梳的基本物理效应，具体表现为，两个光子发生湮灭的过程中，产生两个新的不同频率的光子。如图4所示，图4(a)为非简并四波混频(NDFWM)，图4(b)为简并四波混频(DFWM)。若发生相互作用的是两个相同频率的光子，则称为简并四波混频，图4(b)中2ω1＝2ω2＝ω3+ω4。
若是基于两个不同频率的光子，则为非简并的四波混频过程，图4(a)中ω1+ω2＝ω3+ω4。
当输入微环谐振腔的泵浦光功率达到一定阈值，由于较强的克尔非线性效应，引发级联四波混频效应，即简并和非简并的过程同时进行，不断产生新的频率光，造成光梳频谱的拓宽，即为克尔光频梳产生的物理过程。
(3)调制不稳定性
调制不稳定性指非线性系统中色散和非线性共同左右时产生的一种频率抖动。具体来说，当连续波通过非线性色散系统时，由于调制不稳定性的作用，会发生对自身频率以及幅度的调制，并且能呈现使相关叠加的干扰量达到指数增长的明显效果。调制不稳定性也称作边带不稳定性，其周期波形被破坏，由于非线性使这种背离被加强，最后导致光梳频谱边带的产生，形成一系列脉冲。其通常发生在反常色散下，可看作是一种特殊的影响信噪比的四波混频。
(4)受激布里渊散射效应(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)
SBS效应是一种光波与声波在介质中相互作用而产生的非线性散射过程，它可以影响孤子光频梳的产生和稳定性。孤子光频梳的产生需要满足一定的条件，例如色散、非线性、损耗和泵浦功率之间的平衡，以及泵浦光和微腔模式之间的相位匹配。受激布里渊散射效应会对这些条件产生影响，从而影响孤子光频梳的产生。
如图5所示，给微环谐振腔的S端口输入一个高强度的泵浦光(pump)，当其达到腔内SBS效应发生的阈值后，便会产生一个与泵浦光反向的布里渊激光。所产生的布里渊激光在腔内循环，随之与腔内的克尔非线性效应，如四波混频效应相互作用，造成对频率和相位的调制，从而产生新的频率分量，即产生布里渊-克尔孤子梳(Brillouin Kerr-soliton)反向于泵浦光(pump)从微环谐振腔的S端口输出。
如图6，搭建本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环布里渊-克尔光频梳激发系统。
泵浦光源选用功率为140mW、中心波长为1550nm的单波长连续波可调谐激光器(CWTunable Laser)，发出的光信号经掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率放大，后接一个可变光衰减器(VOA)用于调节泵浦光的功率，以达到腔内受激布里渊散射效应发生的阈值。
经过可调谐带通滤波器(TBF)滤去EDFA引入的噪声，信号由偏振控制器(FPC)实现对其偏振状态的调控。经过处理后的泵浦光通过环形器(Circulator)进入本发明一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔，光信号经输入端口S耦合进微腔后，通过频率调控给定泵浦光的扫频速率，由光谱仪(OSA1)观察微腔输出端口K处的光谱，即K-s，由此初步判定孤子存在范围，即红失谐区范围。
之后调节可变光衰减器(VOA)，使达到腔内发生SBS效应的阈值，从而在克尔非线性光学腔中引入布里渊增益。随之产生的与泵浦光反向的布里渊克尔孤子梳经微腔S端口输出，经环形器从端口2经过端口3，连接耦合器(Coupler)进入到下一支路，由光谱仪(OSA2)观测其光谱，此时的信号记为BK-s comb、微腔产生的布里渊激光，以及微腔中耦合出S端口的泵浦激光。通过光纤布拉格光栅(FBG)滤去杂波，得到BK-s comb，即布里渊克尔孤子梳，光谱仪(OSA3)观测其光谱。
通过调节连续波可调谐激光器(CW Tunable Laser)的泵浦频率，设置精确的扫频速率，控制扫描步长，输出端口K(Output2)能够输出由腔内克尔非线性效应产生的克尔光频梳。调节泵浦光的频率，使其从腔内蓝失谐区扫描至红失谐区，并控制失谐量，可观测到克尔光梳产生过程中的几个阶段。
如图7所示，图7(a)为克尔光频梳产生过程的克尔光频梳混沌态，其中图7(a)上方的曲线为克尔光频梳混沌态的时域，图7(a)下方的曲线为克尔光频梳混沌态时的频域。
图7(b)为克尔光频梳产生过程的克尔光频梳多孤子态，其中图7(b)上方的曲线为克尔光频梳多孤子态的时域，图7(b)下方的曲线为克尔光频梳多孤子态时的频域。
调节可变光衰减器(VOA)以触发SBS效应，腔内产生与泵浦光方向相反的布里渊激光，其与克尔非线性效应相结合，生成同样反向的布里渊克尔孤子梳，信号经滤波后，分别观测其时域波形和频域光谱。由于布里渊激光的频率间隔为微腔自由光谱范围的整数倍，故生成的布里渊克尔孤子梳具有比传统克尔微腔光梳更宽的频谱范围、更平坦的梳齿结构，上述可通过对比OSA1和OSA3中的光谱得出结论。同时，观测光谱仪OSA2，可观察到布里渊激光的频率通常位于微腔谐振频率(谐振峰)处，其中反射至此的泵浦光分量较少，可忽略不计。
本发明通过基于铌酸锂薄膜微环的布里渊-克尔孤子梳产生方案，可以由小调谐范围的泵浦激光器，得到相对宽谱、相干性良好的平坦光频梳，以实现更高的耦合效率和泵浦光-孤子转换率，减少光损耗。其可应用于光计算、相干光通信、激光雷达等领域，如作为发射端的光源，利用相干光梳的高重频平坦梳齿进行多波长的信号调制和发送，以提高信道利用率和传输容量。具体做法为，将不同的数据信号调制到不同的梳齿上，再通过信道(长距离光纤或自由空间)传输到接收端，如相干接收机上，对信号进行解调和恢复，并测量误码率等性能指标。
本发明针对传统光学频率梳的低相干性和高噪声问题，通过采用片上微环，增加光子在腔内相互作用的时间，实现更高的耦合效率和更低的插入损耗与传输损耗，进而提升梳状结构的稳定性。同时，利用铌酸锂薄膜非线性系数大、透明范围宽的优点，解决了传统光频梳效率低、色散高的难题。通过在克尔非线性微腔中引入布里渊增益，由于级联四波混频效应和调制不稳定性，使得腔内产生与泵浦光反向的受激布里渊激光作为腔内泵浦光，代替传统的外部泵浦方案。结合频率调谐方式，腔内可自发产生由大量等间距的谱线组成的相干光信号。结果表明，基于铌酸锂薄膜微环的布里渊克尔孤子光频梳产生方案可以由相对小范围的频率调谐得到相对宽谱的平坦光频梳，实现更高的耦合效率和泵浦光-孤子转换率，减少光损耗，在光计算、相干光通信、微波光子学、激光雷达、精密测量等领域有着极为广泛的应用前景。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔，其特征在于，所述微环谐振腔包括衬底，在所述衬底上制备二氧化硅层；
所述二氧化硅层上制备铌酸锂薄膜，所述铌酸锂薄膜刻蚀脊型环形波导和脊型直波导。
2.根据权利要求1所述的微环谐振腔，其特征在于，所述脊型环形波导和所述脊型直波导的刻蚀角度θ为75°；
所述铌酸锂薄膜的总厚度H为600nm；所述脊型环形波导和所述脊型直波导的宽度W为3000nm，所述脊型环形波导和所述脊型直波导的厚度D为450nm。
3.根据权利要求1所述的微环谐振腔，其特征在于，所述衬底为硅衬底。
4.一种基于铌酸锂薄膜的微环谐振腔的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上制备二氧化硅层；
在所述二氧化硅层上表面旋涂一层苯丙环丁烯，将铌酸锂薄膜通过苯丙环丁烯贴合于所述二氧化硅层上表面，并高温固化；
在所述铌酸锂薄膜上表面刻蚀脊型环形波导和脊型直波导。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述脊型环形波导和所述脊型直波导的刻蚀角度θ为75°；
所述铌酸锂薄膜的总厚度H为600nm；所述脊型环形波导和所述脊型直波导的宽度W为3000nm，所述脊型环形波导和所述脊型直波导的厚度D为450nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底。
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