CN117996555A - 一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器 - Google Patents

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李智信
夏迪
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Abstract

本发明涉及非线性光学技术领域,具体公开一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,包括片上泵浦激光器和布里渊光子芯片。布里渊光子芯片包括衬底、波导结构和包层,所述波导结构包括微环谐振腔和耦合波导;所述耦合波导的位置设置在所述耦合波导内的光可以耦合到微环谐振腔中的范围内;所述耦合波导包含有上耦合波导和下耦合波导;所述上耦合波导用于只耦合泵浦光模式的光,所述下耦合波导用于只耦合斯托克斯光模式的光,以使泵浦光和斯托克斯光从不同的耦合波导输出;该片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器解决了布里渊激光器中存在环形器等非互易器件,难以片上全集成的问题。

Description

一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器
技术领域
本发明涉及非线性光学技术领域,具体涉及一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器。
背景技术
受激布里渊效应描述了电磁波与载光材料中的声波相干耦合的相互作用,在许多领域包括高质量激光光源、陀螺仪,微波信号产生与处理方面,慢光,布里渊诱导透明和光储存,光学生物成像都有重要的应用。
由于在后向受激布里渊效应中,布里渊激光与泵浦光方向相反,在布里渊光路中需要环形器等非互易器件来分离泵浦光和信号光,同时保护激光器。
然而一方面,由于目前磁光材料与基底晶格和热的严重失配;利用非线性或者电光效应实现片上环形器则需要额外能量,并且器件结构复杂。
另一方面,由于声子频率都在GHz量级,模内布里渊产生往往需要在大半径的微环内,这增大了加工难度,也降低了集成度。同时,泵浦光和产生的斯托克斯光的波长位置十分接近,分离两者往往需要高性能滤波器。这不仅增加了光路中的损耗,而且进一步增加了布里渊光子器件的复杂度,不利于集成。
综上所述,实现全集成的布里渊激光器仍具有挑战性。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,旨在解决布里渊激光器中存在环形器等非互易器件,难以片上全集成的问题。
为解决上述问题,本发明采用如下技术方案:
一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,包括片上泵浦激光器和布里渊光子芯片,所述布里渊光子芯片包括衬底、波导结构和包层。
所述耦合波导的位置设置在所述耦合波导内的光可以耦合到微环谐振腔中的范围内,
所述耦合波导包含有上耦合波导和下耦合波导。
所述上耦合波导用于只耦合泵浦光模式的光,所述下耦合波导用于只耦合斯托克斯光模式的光,以使泵浦光和斯托克斯光从不同的耦合波导输出。
本公开至少一实施例提供的片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器中,所述耦合波导为滑轮型的耦合波导。
本公开至少一实施例提供的片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器中,所述泵浦光模式与斯托克斯光模式的频率差等于所述微环谐振腔材料的声子频率。
本公开至少一实施例提供的片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器中,所述下耦合波导与微环谐振腔于泵浦模式的耦合系数为第一耦合系数,且配置为调节所述第一耦合系数能使泵浦光在所述下耦合波导达到临界耦合状态。
所述下耦合波导与微环谐振腔于斯托克斯光的耦合系数为第二耦合系数,且配置为调节所述第二耦合系数能使斯托克光在所述下耦合波导达到欠耦合状态。
所述上耦合波导与微环谐振腔于泵浦光模式的耦合系数为第三耦合系数,且配置为调节第三耦合系数能使泵浦光在上耦合波导达到欠耦合状态。
所述上耦合波导与微环谐振腔于斯托克斯光的耦合系数为第四耦合系数,且配置为调节所述第四耦合系数能使斯托克斯光在上耦合波导达到过耦合状态。
本公开至少一实施例提供的片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器中,所述下耦合波导与微环谐振腔构成第一子耦合系统。
所述第一子耦合系统对于泵浦光处于临界耦合状态,则所述第一子耦合系统对于斯托克斯光处于欠耦合状态,以使所述下耦合波导输入的泵浦光完全耦合进入所述微环谐振腔,并且所述微环谐振腔内产生的斯托克斯光不会从下耦合波导耦合出去。
本公开至少一实施例提供的片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器中,所述上耦合波导与微环谐振腔构成的第二子耦合系统。
所述第二子耦合系统对于泵浦光处于欠耦合状态,则所述第二子耦合系统对于斯托克斯光处于过耦合状态,以使所述微环谐振腔内产生的斯托克斯光从上耦合波导耦合出所述微环谐振腔,并且泵浦光不会从所述上耦合波导耦合出去。
本公开至少一实施例提供的片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器中,所述第一耦合系数配置为通过调节所述下耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节。
所述第二耦合系数配置为通过调节所述下耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节。
所述第三耦合系数通过调节所述上耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节。
所述第四耦合系数通过调节所述上耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节。
本公开至少一实施例提供的片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器中,所述耦合波导的折射率大于所述包层的折射率,且所述耦合波导中的声速小于所述包层的声速。
本发明的有益效果为:
第一,摆脱了传统的模式内布里渊激光器对于微环半径的限制,可以在小半径的微环中实现布里渊激光器,结构更加紧凑。
第二,无需环形器和高性能滤波器便可实现泵浦光和布里渊激光的方向管理和空间分离,降低了器件的损耗,提高了集成度,利于片上集成,可以实现布里渊激光的纯净输出。
第三,抑制了高阶布里渊激光的产生,有利于提高激光的输出功率。
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为本发明一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器的结构示意图。
图2为布里渊光子芯片的结构示意图。
图3为实施例中调整微环宽度变化TE00模式与TM00模式频率差变化图。
图4为实施例中两个耦合区域的耦合情况示意图。
图5为本发明实施例中温度变化1550nm波长附近TE00模式与TM00模式的波长变化示意图。
图中:
1、衬底;
2、波导结构;21、微环谐振腔;22、上耦合波导;23、下耦合波导;
3、包层。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图,对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是一部分实施例,而不是全部的实施例。
本发明为了解决布里渊激光器由于光路中存在环形器等非互易元件而难以片上集成的问题,提出了一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光。传统的布里渊效应发生在相同模式之间,即泵浦光和斯托克斯光为同种模式,称为模内布里渊。泵浦光和斯托克斯光处于不同光学模式时,也可以发生布里渊效应,称为模间布里渊。模间布里渊相较于模内布里渊提供了一个额外的自由度,使得无需环形器、滤波器等元件对泵浦光和斯托克斯光实现方向管理和空间分离。因此,本发明提供了两个耦合区域来分别耦合不同模式的泵浦光和斯托克斯光,提高了器件的集成度。
实施例
如图1至2所示,一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,包括片上泵浦激光器和布里渊光子芯片。布里渊光子芯片包括衬底1、波导结构2和包层3。
进一步的,波导结构2包括微环谐振腔21和耦合波导。耦合波导的位置设置在耦合波导内的光可以耦合到微环谐振腔21中的范围内。
进一步的耦合波导包含有上耦合波导22和下耦合波导23。上耦合波导22用于只耦合泵浦光模式的光,下耦合波导23用于只耦合斯托克斯光模式的光,从而使泵浦光和斯托克斯光从不同的耦合波导输出。
具体地,耦合波导为滑轮型的耦合波导。
在本实施例中,泵浦光模式与斯托克斯光模式的频率差等于微环谐振腔21材料的声子频率。
在本实施例中,下耦合波导23与微环谐振腔21于泵浦模式的耦合系数为第一耦合系数,通过调节第一耦合系数能使泵浦光在下耦合波导23达到临界耦合。
在本实施例中,下耦合波导23与微环谐振腔21于斯托克斯光的耦合系数为第二耦合系数,通过调节第二耦合系数能使斯托克光在下耦合波导23达到欠耦合。
在本实施例中,上耦合波导22与微环谐振腔21于泵浦光模式的耦合系数为第三耦合系数,通过调节第三耦合系数能使泵浦光在上耦合波导22达到欠耦合。
在本实施例中,上耦合波导22与微环谐振腔21于斯托克斯光的耦合系数为第四耦合系数,通过调节第四耦合系数能使斯托克斯光在上耦合波导22达到过耦合。
在本实施例中,下耦合波导23与微环谐振腔21构成第一子耦合系统。
进一步的,第一子耦合系统对于泵浦光处于临界耦合状态,则第一子耦合系统对于斯托克斯光处于欠耦合状态,从而使下耦合波导23输入的泵浦光完全耦合进入微环谐振腔21,并且微环谐振腔21内产生的斯托克斯光不会从下耦合波导23耦合出去。
在本实施例中,上耦合波导22与微环谐振腔21构成的第二子耦合系统。
进一步的,第二子耦合系统对于泵浦光处于欠耦合状态,则第二子耦合系统对于斯托克斯光处于过耦合状态,从而使微环谐振腔21内产生的斯托克斯光从上耦合波导22耦合出微环谐振腔21,并且泵浦光不会从上耦合波导22耦合出去。
在本实施例中,下耦合波导与微环谐振腔于泵浦光模式处于临界耦合状态,具体为:通过调节下耦合波导23的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔21的距离实现调节第一耦合系数,从而使泵浦模式的光的波导引入的耦合损耗等于微环谐振腔21的本征损耗。
在本实施例中,下耦合波导与微环谐振腔于斯托克斯光模式处于欠耦合状态,具体为:通过调节下耦合波导23的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔21的距离实现调节第二耦合系数,从而使斯托克斯光模式的波导引入的耦合损耗小于微环谐振腔21的本征损耗。
在本实施例中,上耦合波导与微环谐振腔于泵浦光模式处于欠耦合状态,具体为:通过调节上耦合波导22的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔21的距离实现调节第三耦合系数,从而使泵浦模式的光的波导引入的耦合损耗小于微环谐振腔21的本征损耗。
在本实施例中,上耦合波导与微环谐振腔于斯托克斯光模式处于过耦合状态,具体为:通过调节上耦合波导22的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔21的距离实现调节第四耦合系数,从而使斯托克斯光模式的光的波导引入的耦合损耗大于微环谐振腔21的本征损耗。
在本实施例中,泵浦光和斯托克斯光的光学模式不受特殊限制,只要能满足频率匹配和耦合设计即可。
在本实施例中,耦合波导的耦合方式不受限制,只要确保上耦合波导和下耦合波导可以分别耦合不同模式的光即可。
在本实施例中,微环谐振腔21与耦合波导之间的距离并不受特别限制,只要确保上耦合波导和下耦合波导能分别耦合不同模式的光即可。
在本实施例中,耦合波导的材料并不受特别限制,可根据实际需要随意选择。
在本实施例中,微环谐振腔21的材料并不受特别限制,可根据实际需要随意选择。
在本实施例中,包层3的材料并不受特别限制,可根据实际需要随意选择,只要该材料和波导结构2可以束缚声子即可。
在本实施例中,衬底1的材料并不受特别限制,可根据实际需要随意选择,只要满足晶格匹配即可。
作为一个具体示例,包层3的材料为二氧化硅。
作为一个具体示例,衬底1的材料为硅。
作为一个具体示例,采用硅衬底沉积硫系薄膜,衬底表面有一层二氧化硅层,硫系薄膜刻蚀形成波导,再在上方沉积二氧化硅作为包层。其中,波导折射率大于包层折射率,以保证光束缚在波导内;波导声速小于包层声速,以保证声波能束缚在波导内。
为了方便理解,下面对本发明一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器的工作原理进行简单说明。
利用TE00模式的泵浦光通过光纤耦合到下耦合波导,由于下耦合波导对TE00模式的光为临界耦合,因此泵浦光可以通过倏逝场完全耦合到微环谐振腔内。通过调整微环谐振腔的结构参数,可以使得TE00模式与临近的TM00模式的频率差为材料的声子频率,因此在TE00模式的泵浦光进入微环谐振腔后,如果此时泵浦光的波长位于微环谐振峰位置处,那么强度会得到极大地增强。由于电致伸缩效应的影响,会导致微环谐振腔产生周期性的密度变化,产生声波场。泵浦光与声波场相互耦合,会产生TM00模式的斯托克斯光,斯托克斯光会进一步增强声波信号,实现正反馈。下耦合波导由于无法耦合TM00模式,因此斯托克斯光只能有上耦合波导输出。同时,上耦合波导无法耦合TE00模式,因此上耦合波导端输出的为纯净的布里渊激光信号。同时,使用泵浦激光调谐泵浦波长,并通过温度控制精细调谐两种模式的频率差,调整布里渊激光的波长。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,但本发明的保护范围并不局限于此,任何不经过创造性劳动想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内;除非明确说明,否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。

Claims (8)

1.一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,包括片上泵浦激光器和布里渊光子芯片,所述布里渊光子芯片包括衬底、波导结构和包层,其特征在于:
所述波导结构包括微环谐振腔和耦合波导;
所述耦合波导的位置设置在所述耦合波导内的光可以耦合进或耦合出微环谐振腔中的范围内;
其中,所述耦合波导包含有上耦合波导和下耦合波导;
所述上耦合波导用于只耦合泵浦光模式的光,所述下耦合波导用于只耦合斯托克斯光模式的光,以使泵浦光和斯托克斯光从不同的耦合波导输出。
2.根据权利要求1所述的一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,其特征在于,所述耦合波导为滑轮型的耦合波导。
3.根据权利要求2所述的一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,其特征在于,所述泵浦光所处的光模式与斯托克斯光所处的光模式不同,同时所述泵浦光所处的光模式与斯托克斯光所处的光模式的频率差等于所述微环谐振腔材料的声子频率。
4.根据权利要求3所述的一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,其特征在于,所述下耦合波导与微环谐振腔于泵浦模式的耦合系数为第一耦合系数,且配置为调节所述第一耦合系数能使泵浦光在所述下耦合波导达到临界耦合状态;
所述下耦合波导与微环谐振腔于斯托克斯光的耦合系数为第二耦合系数,且配置为调节所述第二耦合系数能使斯托克光在所述下耦合波导达到欠耦合状态;
所述上耦合波导与微环谐振腔于泵浦光模式的耦合系数为第三耦合系数,且配置为调节第三耦合系数能使泵浦光在上耦合波导达到欠耦合状态;
所述上耦合波导与微环谐振腔于斯托克斯光的耦合系数为第四耦合系数,且配置为调节所述第四耦合系数能使斯托克斯光在上耦合波导达到过耦合状态。
5.根据权利要求4所述的一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,其特征在于,所述下耦合波导与微环谐振腔构成第一子耦合系统;
所述第一子耦合系统对于泵浦光处于临界耦合状态,则所述第一子耦合系统对于斯托克斯光处于欠耦合状态,以使所述下耦合波导输入的泵浦光完全耦合进入所述微环谐振腔,并且所述微环谐振腔内产生的斯托克斯光不会从下耦合波导耦合出去。
6.根据权利要求5所述的一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,其特征在于,所述上耦合波导与微环谐振腔构成的第二子耦合系统;
所述第二子耦合系统对于泵浦光处于欠耦合状态,则所述第二子耦合系统对于斯托克斯光处于过耦合状态,以使所述微环谐振腔内产生的斯托克斯光从上耦合波导耦合出所述微环谐振腔,并且泵浦光不会从所述上耦合波导耦合出去。
7.根据权利要求6所述的一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,其特征在于,所述第一耦合系数配置为通过调节所述下耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节;
所述第二耦合系数配置为通过调节所述下耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节;
所述第三耦合系数配置为通过调节所述上耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节。
所述第四耦合系数配置为通过调节所述上耦合波导的宽度、滑轮耦合角度及与微环谐振腔的距离实现调节。
8.根据权利要求1所述的一种片上全集成的紧凑型可调谐布里渊激光器,其特征在于,所述耦合波导的折射率大于所述包层的折射率,且所述耦合波导中的声速小于所述包层的声速。
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