CN118174114A - 一种太赫兹波产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波产生装置及方法，该装置包括半导体片上激光器、波导延迟线、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、微环耦合波导、半导体光放大器和光电导天线，其中：所述第一微环谐振腔的一侧连接有Sagnac反射环，所述Sagnac反射环用于将部分光场反射；所述第二微环谐振腔与所述第一微环谐振腔通过点耦合方式连接，所述第二微环谐振腔用于改变所述第一微环谐振腔的局部色散特性。该方法为应用于如上所述太赫兹波产生装置的产生方法。本发明提出了一种频率可调谐、低噪声、高稳定、紧凑、低功耗的太赫兹波合成方案。本发明可广泛应用于光学技术领域。

Description

一种太赫兹波产生装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种太赫兹波产生装置及方法。

背景技术

太赫兹波(0.1THz-10THz)是一种介于微波波段和红外波段之间的电磁频率，具有光子能量低、分辨率高、透射能力强等优点，因此在许多应用领域都发挥着重要作用，如安全检测、超快过程的精确探测、生物化学传感、生物医学光学成像、大容量通信等。这些应用对太赫兹源性能有着严格要求，例如在雷达应用中需要低噪声、高信噪比，在分子探测中则需要线宽缩小到kHz量级，无线通信上需要频率稳定和精确。

目前太赫兹波产生方案主要有电学和光学两种。基于全电振荡器方式产生的太赫兹波受到电子器件的带宽限制，只能产生低频段的太赫兹辐射，具有有限的频率调谐范围。基于光子混频的光子太赫兹波合成利用了两束激光作为激励源，对于太赫兹波产生的调谐性、带宽方面具有优势；然而这种光子混频产生连续太赫兹波辐射的方案存在主要问题是，如果采用两个独立运行、非相干的激光器，会存在频率偏移和相位噪声高的问题，导致产生的太赫兹源噪声高、频率稳定性差；商用光纤光学频率梳中的频率梳齿之间具有高相干性，避免了频率偏移和相位噪声的问题，并且可以滤波器灵活选择其中两个边带频率，实现频率调谐，但低噪声的光频梳系统结构相对复杂，成本高。

目前亟需一种可以在芯片尺寸的光学平台中，实现频率可调谐、低噪声、高稳定、紧凑、低功耗的太赫兹波合成方案。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有太赫兹波合成方案中无法同时实现频率可调谐、低噪声、高稳定、紧凑和低功耗的技术问题，第一方面，本发明提出一种太赫兹波产生装置，所述装置包括半导体片上激光器、波导延迟线、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、微环耦合波导、半导体光放大器和光电导天线，其中：

所述第一微环谐振腔的一侧连接有Sagnac反射环，所述Sagnac反射环用于将部分微环谐振腔中的光场反射；

所述第二微环谐振腔与所述第一微环谐振腔通过光场耦合方式连接；

所述第二微环谐振腔用于改变所述第一微环谐振腔的局部色散特性，进而改变光学参量震荡的波长。

其中，微环谐振腔的光学参量震荡产生的信号光、闲频光与泵浦光之间具有固有的相干性，并且频率间隔可以由微环谐振腔的色散工程控制，将参与相互作用的三束激光输入到光电导天线中，可以产生相干太赫兹辐射。所述Sagnac环形成光反馈注入半导体激光器，实现泵浦激光线宽压窄，同时通过非线性过程将窄线宽特性传递给信号光和闲频光，进一步提高产生太赫兹波的相干性。

在一些实施例中，所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔上均设有加热电极，所述加热电极用于调控对应微环谐振腔的谐振频率。

在一些实施例中，所述Sagnac反射环由波导定向耦合器构成，耦合比设置为50:50，可以将输入反射环的光场全部反射。

在一些实施例中，所述半导体片上激光器采用的是不含光隔离器的半导体激光器，输出激光线宽小于100KHz，输出功率大于80mW，可以是分布式布拉格激光器或分布式反馈激光器。

其中，该半导体片上激光器与光子芯片之间的耦合可以通过直接耦合或微透镜耦合。

在一些实施例中，所述第一微环谐振的波导层由具有高三阶非线性增益、低传输损耗光子材料制成，所述第一微环谐振腔具有正常群速度色散和高品质因子。

在一些实施例中，所述波导延迟线的长度满足以下设定：

激光在所述波导延迟线中的延迟时间应大于载流子弛豫振荡时间，减弱由Sagnac环引入的反射光场和半导体激光器内部光场相干性，为消除注入锁定过程的反馈相位依赖性提供前提条件。

第二方面，本发明还提出了一种太赫兹波产生方法，所述方法应用于如上所述一种太赫兹波产生装置，包括：

通过所述半导体片上激光器输出激光；

所述激光经过波导延迟线后耦合至所述第一微环谐振腔，并在所述第一微环谐振腔内发生光学参量震荡过程产生相干的信号光和闲频光边带；

所述Sagnac反射环将部分光场反射，反馈注入至所述半导体片上激光器；

其泵浦光、信号光和闲频光边带经过所述半导体光放大器后进入所述光电导天线；

通过所述光电导天线进行光学混频，产生太赫兹波。

在一些实施例中，还包括：

当所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔通过加热电极调谐谐振频率对准时，产生模式耦合，可以满足非线性过程需要的相位匹配条件，从而可以改变光学参量震荡产生的信号光和闲频光边带波长，实现太赫兹源的频率调谐。

基于上述方案，本发明提供了一种太赫兹波产生装置及方法，可以在产生大带宽光学参量震荡的同时，利用激光自注入锁定机制来提高激光相干性，进而降低产生太赫兹波的相位噪声和提高频率长期稳定性；进一步，结合片上的光波导延迟线，和反射环对反馈光注入激光器的反射率的主动控制，消除了自注入锁定过程对延迟反馈相位的依赖性，提高自注入锁定激光的频率稳定性；最后，利用两个微环之间的耦合来改变局部色散条件，进一步控制光学参量震荡边带的波长，从而实现太赫兹波的频率可调谐。

附图说明

图1是本发明一种太赫兹波产生装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施例第一微环谐振腔产生光学参量震荡的原理示意图。

图3是本发明具体实施例产生的光学参量震荡光谱示意图。

图4是本发明具体实施例产生的太赫兹波的频谱图。

图5是本发明一种太赫兹波产生方法的过程示意图；

附图标记：1、半导体片上激光器；2、波导延迟线；3、第一微环谐振腔；4、第二微环谐振腔；5、Sagnac反射环；6、加热电极；7、微环耦合波导；8、半导体光放大器；9、光电导天线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应当理解，本申请中使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。以下术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

另外，本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

参照图1，为本发明提出的高太赫兹波产生装置的一可选示例的示意图，该装置包括半导体片上激光器、波导延迟线、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、微环耦合波导、半导体光放大器和光电导天线，其中：

所述第一微环谐振腔的一侧连接有Sagnac反射环，所述Sagnac反射环用于将部分微环谐振腔中的光场反射；

具体地，所述第一个微环谐振腔一侧连接有由定向耦合器构成的Sagnac反射环，将一部分的光场反射回到微腔中，改变腔内光场的传输方向，形成逆时针传输的光场。该反向光场将再次经过波导延迟线后，反馈注入回到半导体激光器内部。

所述第二微环谐振腔与所述第一微环谐振腔通过光场耦合方式连接，所述第二微环谐振腔用于改变所述第一微环谐振腔的局部色散特性。

在本实施例中，所述半导体片上激光器的输出激光耦合到第一个光学微环谐振腔中，并在腔内发生光学参量震荡过程产生相干的信号光和闲频光边带，通过所述光电导天线进行光学混频之后产生太赫兹波。

此外，所述半导体激光器的输出激光，首先经过片上波导延迟线，通过直波导或滑轮波导结构连接耦合到第一微环谐振腔中，光场在微环谐振腔中沿着顺时针方向传输。

半导体片上激光器的输出激光和光学参量震荡边带激光从片上输出后，经过半导体光放大器放大，通过光电导天线进行光混频，产生太赫兹波。

光电导天线输出带宽可以达到太赫兹量级。

所述第一微环谐振腔的自由光谱范围由其半径控制，设置在50GHz左右。光学参量震荡产生的闲频光和信号光波长位置由第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的模式耦合来控制，与泵浦光的波长间隔为整数倍的自由光谱范围，因此太赫兹波频率为整数倍自由光谱范围(太赫兹频率的调谐方式)。

本实施例通过在第一微环谐振腔旁边引入Sagnac反射环，可以主动控制微环光反射注入回半导体片上激光器内，实现激光自注入锁定压窄线宽，最终获得低噪声、窄线宽、高相干的太赫兹源。

在一些可行的实施例中，所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔上均设有加热电极，所述加热电极用于调控对应微环谐振腔的谐振频率。

所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔的谐振频率可以由加热电极通过热光效应进行调谐。调谐过程需要满足以下条件：第一微环谐振频率可调谐对准半导体片上激光器输出频率，用于实现激光自注入锁定；第二微环谐振频率可调谐对准第一微环谐振腔中的某个谐振频率，用于局部色散调控，实现宽带OPO过程相位匹配波长调谐，进一步实现光混频产生的太赫兹波调谐。

此外，当两个微环谐振腔的谐振频率对准时，可以产生模式耦合，改变光学参量震荡产生的信号光和闲频光边带波长，最终实现太赫兹源的频率调谐。

在一些可行的实施例中，所述Sagnac反射环由波导定向耦合器构成，耦合比设置为50:50，可以将输入反射环的光场全部反射。

该实施例中，理论上可以将输入到反射环中的光全部反射。实际反馈注入回半导体激光器的反射光比例由微环和反射环之间的耦合强度即耦合间隔控制，从而可以主动调控自注入半导体激光器线宽压窄倍数。

在一些可行的实施例中，所述半导体片上激光器采用的是不含光隔离器的半导体激光器，输出激光线宽小于100KHz，输出功率大于80mW，可以是分布式布拉格激光器或分布式反馈激光器。

该实施例中，所述半导体片上激光器无内置隔离器，可以是单模激光器如分布式布拉格激光器或分布式反馈激光器，激光线宽不高于100KHz，输出功率不小于80mW。

在一些可行的实施例中，所述半导体片上激光器和光子芯片之间的耦合可以通过直接耦合或微透镜耦合，根据激光器输出光斑大小确定。

在一些可行的实施例中，所述波导延迟线的长度满足以下设定：

减弱由Sagnac环引入的反射光场和半导体激光器内部光场相干性，为消除注入锁定过程的反馈相位依赖性提供前提条件，通常为厘米到米数量级。

在一些可行的实施例中，所述第一微环谐振的波导层由具有高三阶非线性增益、低传输损耗光子材料制成，所述第一微环谐振腔具有正常群速度色散和高品质因子。

其中，激光输入至第一微环谐振腔内作为泵浦，可以产生三阶非线性光学参量震荡过程。所述第二微环谐振腔作用在于改变第一个微环的局部色散特性，进而改变光学参量震荡的波长。

其中，基于上述方案，图2是本发明具体实施例第一微环谐振腔产生光学参量震荡的原理示意图，左图描述了相位失配曲线，其中圆圈标记了微环分立谐振峰对应的失配量，光学参量震荡产生信号光和闲频光位置对应的是失配量为零的谐振。第一微环谐振腔微环是正常色散，没有模式耦合引入时，失配曲线(虚线)没有零点，说明无法满足参量震荡产生条件。通过加热电极调整第二个微环的谐振频率对准第一个微环，产生模式耦合，使得相对频率f-f0＝250GHz处的谐振峰发生模式劈裂，劈裂量，如右图谐振峰曲线所示。此时在失配曲线中f-f0＝250GHz处引入额外的频率移动，从而补偿非线性相位失配，产生光学参量震荡。进一步，通过第一、第二微环谐振腔的加热电极调控，可以选择在其他相对频率满足相位匹配，从而可以实现光学参量震荡的调谐效果。参照图3可知，在图2所提到的相位匹配设计前提下，通过DFB泵浦第一个微环谐振腔，光谱中可以观察到距离泵浦f0频率差等于250GHz处产生了一对频率对称的边带，验证了光学参量震荡产生效果。参照图4可知，在图3产生了光学参量震荡的基础上，输入到半导体光放大器后，通过光电导天线拍频，采用频谱分析仪可以观察到产生250GHz的拍频信号，从而验证了太赫兹波的产生。

如图5所示，一种太赫兹波产生方法，应用于如上所述的太赫兹波产生装置，包括：

通过所述半导体片上激光器输出激光；

所述激光经过波导延迟线后耦合至所述第一微环谐振腔，并在所述第一微环谐振腔内发生光学参量震荡过程产生相干的信号光和闲频光边带；

所述Sagnac反射环将部分光场反射，反馈注入至所述半导体片上激光器；

所述相干的信号光和闲频光边带经过所述半导体光放大器后进入所述光电导天线；

通过所述光电导天线进行光学混频，产生太赫兹波。

在一些实施例中，还包括：

所述加热电极用于调谐所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔的谐振频率，谐振峰频率对准时产生模式耦合，改变第一微环谐振腔的局部色散来满足非线性相位匹配条件，从而产生光学参量震荡；

当调谐加热电极使得所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔在其他谐振频率对准，改变光学参量震荡产生的信号光和闲频光边带波长，从而实现太赫兹源的频率调谐。

上述转置实施例中的内容均适用于本方法实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述装置实施例相同，并且达到的有益效果与上述装置实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种太赫兹波产生装置，其特征在于，包括半导体片上激光器、波导延迟线、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、微环耦合波导、半导体光放大器和光电导天线，其中：

所述第一微环谐振腔的一侧连接有Sagnac反射环，所述Sagnac反射环用于将部分微环谐振腔中的光场反射；

所述第二微环谐振腔与所述第一微环谐振腔通过光场耦合方式连接，所述第二微环谐振腔用于改变所述第一微环谐振腔的局部色散特性。

2.根据权利要求1所述一种太赫兹波产生装置，其特征在于，所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔上均设有加热电极，所述加热电极用于调控对应微环谐振腔的谐振频率。

3.根据权利要求1所述一种太赫兹波产生装置，其特征在于，所述Sagnac反射环由波导定向耦合器构成，耦合比设置为50:50。

4.根据权利要求1所述一种太赫兹波产生装置，其特征在于，所述半导体片上激光器采用的是不含光隔离器的半导体激光器，输出激光线宽小于100KHz，输出功率大于80mW。

5.根据权利要求1所述一种太赫兹波产生装置，其特征在于，所述第一微环谐振的波导层由具有高三阶非线性增益、低传输损耗光子材料制成，所述第一微环谐振腔具有正常群速度色散和高品质因子，品质因子不低于10^5。

6.根据权利要求1所述一种太赫兹波产生装置，其特征在于，所述波导延迟线的长度满足以下设定：

激光在所述波导延迟线中的延迟时间大于载流子弛豫振荡时间。

7.一种太赫兹波产生方法，应用于如权利要求1所述一种太赫兹波产生装置，其特征在于，包括：

通过所述半导体片上激光器输出激光；

所述激光经过波导延迟线后耦合至所述第一微环谐振腔，并在所述第一微环谐振腔内发生光学参量震荡过程产生相干的信号光和闲频光边带；

所述Sagnac反射环将部分光场反射，反馈注入至所述半导体片上激光器；

所述相干的信号光和闲频光边带经过所述半导体光放大器后进入所述光电导天线；

通过所述光电导天线进行光学混频，产生太赫兹波。

8.根据权利要求7所述一种太赫兹波产生方法，其特征在于：

所述加热电极用于调谐所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔的谐振频率，谐振峰频率对准时产生模式耦合，改变第一微环谐振腔的局部色散来满足非线性相位匹配条件，从而产生光学参量震荡；

当调谐加热电极使得所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔在其他谐振频率对准，改变光学参量震荡产生的信号光和闲频光边带波长，从而实现太赫兹源的频率调谐。