DE112019007597T5

DE112019007597T5 - Optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf einem Chip

Info

Publication number: DE112019007597T5
Application number: DE112019007597.7T
Authority: DE
Inventors: Zhijun Yin; Bing Wu; Zhicheng Xu
Original assignee: Nanjing Nanzhi Advanced Photoelectric Integrated Tech Research Institute Co Ltd; Nanjing Nanzhi Advanced Photoelectric Integrated Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Nanjing Nanzhi Advanced Photoelectric Integrated Tech Research Institute Co Ltd; Nanjing Nanzhi Advanced Photoelectric Integrated Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: GB2588065A; DE112019007597B4; WO2021017385A1; GB202100323D0; GB2588065B; CN110212401A; CN110212401B

Abstract

In der vorliegenden Anmeldung ist ein optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip bereitgestellt, in dem die Struktur des herkömmlichen optischen parametrischen Oszillators verändert ist, wodurch der Resonanzhohlraum und die Hohlraumspiegel und dergleichen beseitigt werden. Durch Einstellen eines Brechungsindexgitters auf einer oberen Schicht des periodischen polarisierten rippenförmigen Wellenleiters wird das Pumplicht gefiltert, während es sich im Wellenleiter ausbreitet, um das Ausgangslicht der Zielwellenlänge mit schmaler Linienbreite zu erhalten. Der in der vorliegenden Anmeldung bereitgestellte optische parametrische Oszillator reduziert das Volumen des optischen parametrischen Oszillators stark, so dass er auf kleinem Chip angewendet werden kann.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität einer am 1. August 2019 beim chinesischen Patentamt eingereichten chinesischen Patentanmeldung mit der Anmeldungsnummer 201910705220.7 und dem Erfindungstitel „Ein optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip“, dessen gesamter Inhalt durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung gehört zum Bereich der Lasertechnologie und betrifft insbesondere einen optischen parametrischen Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf einem Chip.
STAND DER TECHNIK
Optischer parametrischer Oszillator (Optical Parametric Oscillator, OPO) ist ein parametrischer Oszillator, der in einer optischen Frequenz oszilliert. Er wandelt ein Eingangslaserlicht mit einer Frequenz von ω_p (d.h. Pumplicht) durch nichtlineare optische Wechselwirkung zweiter Ordnung in zwei Ausgangslichter mit niedrigerer Frequenz, ein Signallicht mit einer Frequenz von ω_s und ein Leerlauffrequenzlicht mit einer Frequenz von ω_i, um. Summe der Frequenzen der beiden Ausgangslichter ist gleich der optischen Frequenz des Eingangslaserlichts: ω_s+ω_i=ωp.
Ein wichtiges Merkmal des optischen parametrischen Oszillators besteht darin, dass er ein kohärentes Laserlicht mit einem weiten Spektralbereich (für das Ausgangslicht, der Bereich, in dem ein zentraler Wert einer Frequenzspitze bewegbar ist) erzeugen kann. Das heißt, das Ausgangslaserlicht hat Kohärenz und der Mittelpunkt der Frequenzspitze des Ausgangslaserlichts ist bewegbar in einem großen Bereich. Wenn Pumplichtintensität signifikant höher als ein Schwellenwert ist, liegen beide Ausgangslichtwellen sehr nahe am kohärenten Zustand. Linienbreiten des Signallichts und des Leerlauffrequenzlichts sind sehr schmal, üblicherweise nur wenige kHz. Gegenwärtig ist der OPO mit schmaler Linienbreite in der Spektroskopie weit verbreitet.
Der herkömmliche optische parametrische Oszillator umfasst eine Pumplichtquelle, einen OPO-Resonanzhohlraum und dergleichen. Unter diesen kann der OPO-Resonanzhohlraum (Nicht-Gitter-Struktur) die Linienbreite des Ausgangslaserlichts s steuern. Der OPO-Resonanzhohlraum umfasst einen Wellenleiter und Hohlraumspiegel, die an beiden Enden des Wellenleiters in Längsrichtung angeordnet sind, wobei das Pumplicht im Wellenleiter übertragen wird. Die vom Wellenleiter erzeugte Lichtwelle wird durch den Hohlraumspiegel gefiltert. Schließlich wird ein Ausgangslaserlicht mit einer schmalen Linienbreite erhalten.
Die 1a bis 1d zeigen schematische Darstellungen von Hohlraumformen und Lichtwege mehrerer herkömmlichen OPO-Resonanzhohlräume, wobei 1a einen linearen geraden Hohlraum mit zwei Spiegeln zeigt, 1b einen V-förmigen gefalteten Hohlraum zeigt, 1c einen X-förmigen geraden Hohlraum zeigt und 1d einen ringförmigen Hohlraum mit vier Spiegeln zeigt. Aus 1a bis 1d ist ersichtlich, dass der herkömmliche OPO-Hohlraum mehrere Spiegel verwenden muss, um Lichtwege kontinuierlich zu verlängern. Da jeder Reflektor ein bestimmtes Volumen einnehmen muss und Arbeitseffizienz des OPO-Hohlraums von Konstruktion des Hohlraums und Kollimation des Lichtwegs abhängt, müssen ein Hohlraumspiegel und ein nichtlinearer Kristall eine spezielle feste Struktur annehmen. Da der Hohlraumspiegel extrem hohe Anforderungen an Einstellfreiheit und Wärmeableitung stellen, sind die zur Befestigung des Spiegels verwendeten Rahmen normalerweise groß. Bei unterschiedlichen OPO-Leistungen variiert die Länge des Strahlengangs, wodurch das Volumen des OPO-Hohlraums nicht verringert werden kann. Daher ist der herkömmliche OPO-Resonanzhohlraum sehr lang, beispielsweise kann eine Länge 1,5m erreichen. Gegenwärtig bekannte optische parametrische Oszillatoren, die herkömmliche OPO-Resonanzhohlräume verwenden, muss eine Mindestlänge des OPO-Resonanzhohlraums ebenfalls 10cm erreichen. Je mehr Reflektoren, durch die der Lichtweg läuft, desto größer ist Energieverlust. Gerade wegen des großen Volumens und großen Wärmeverlusts kann herkömmlicher OPO nicht in den Chip integriert werden.
Der optische parametrische Oszillator hat eine Eigenschaft, dass die Ausgangswellenlänge beliebig ausgewählt werden kann, und verwendet werden kann, um die Ausgangswellenlänge in einem kleinen Bereich stufenlos einzustellen. Insbesondere der miniaturisierte, sogar optische parametrische Oszillatoren vom Chip-Typ sind die Kernkomponenten in optischer Kommunikation, im Quantencomputers, in Sesorik, und dergleichen.
Der OPO muss von einem Laser und insbesondere einem Laser mit einem schmalen optischen Spektrum und einer guten Strahlqualität gepumpt werden, um die Umwandlungseffizienz vom OPO sicherzustellen. Gegenwärtig werden Laserkristalle im Allgemeinen von Halbleiterlasern gepumpt, wobei beispielsweise Nd: YVO₃ (Neodym-dotierter Yttriumvanadatkristall), Nd: YAG (Neodym-dotierter Yttriumaluminium-Granatlaser) und dergleichen verwendet werden, wodurch ein Pumplaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder mit einer Frequenzdoppelung von 532 nm erzeugt wird. Es wurde auch über OPO berichtet, der direkt vom Halbleiterlaser gepumpt wurde. Aber der Halbleiter, der zur direkten Erzeugung von Laserlicht verwendet wird, muss mit einem speziellen Verfahren hergestellt werden, um die Linienbreite des Ausgangslasers auf weniger als 1 nm zu verringern. Viele der oben genannten Faktoren führen dazu, dass der aktuelle OPO eine komplexe Struktur , ein großes Volumen, eine geringe Ausgangsleistung und eine schlechte Zuverlässigkeit aufweist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In der vorliegenden Anmeldung, ist Struktur des herkömmlichen optischen parametrischen Oszillators verändert, wobei der Resonanzhohlraum und die Hohlraumspiegel und dergleichen beseitigt werden. Durch Einstellen eines Brechungsindexgitters auf einer oberen Schicht des periodisch polarisierten rippenförmigen Wellenleiters wird das Pumplicht gefiltert, während es sich im Wellenleiter ausbreitet, um das Ausgangslicht der Zielwellenlänge mit schmaler Linienbreite zu erhalten. Das Volumen des in der vorliegenden Anmeldung bereitgestellten optischen parametrischen Oszillators ist stark reduziert, so dass der optische parametrische Oszillator auf kleinem Chip angewendet werden kann. Der optische parametrische Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip, der in der vorliegenden Anmeldung bereitgestellt wird, umfasst ein Substrat 1, einen periodisch polarisierten Wellenleiter 2, der auf der Oberseite des Substrats 1 laminiert ist, und ein Brechungsindexgitter 3, das auf einer Oberseite des periodisch polarisierten Wellenleiters 2 laminiert ist, wobei der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 senkrecht zum Substrat 1 periodisch polarisiert ist, wobei das Brechungsindexgitter 3 eine Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und eine Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex umfasst, und die Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und die Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex senkrecht zum Substrat 1 abwechselnd verteilt sind.
In einer Implementierung ist der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 ein rippenförmiger Wellenleiter.
Ferner ist der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 ein dotierter Lithiumniobat-Wellenleiter, und der dotierte Lithiumniobat-Wellenleiter umfasst einen eisendotierten Lithiumniobat-Wellenleiter und/oder einen zinkdotierten Lithiumniobat-Wellenleiter.
Weiterhin sind eine Dicke der Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und eine Dicke der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex beide 1/4 der Schwingungswellenlänge.
Weiterhin ist ein Brechungsindex der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex kleiner als ein Brechungsindex des periodisch polarisierten Wellenleiters 2.
In einer anderen Implementierung ist das Substrat 1 ein undotiertes Lithiumniobat-Substrat.
In einer anderen Implementierung umfasst der optische parametrische Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip ferner eine Metallelektrode 4. Die Metallelektrode 4 besteht aus zwei Teilen, von denen sich eines am Boden des Substrats 1 und das andere auf einer Oberseite des Brechungsindexgitters 3 befindet.
Im Vergleich zu dem herkömmlichen optischen parametrischen Oszillator weist der in der vorliegenden Anmeldung bereitgestellte optische parametrische Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip keinen Resonanzhohlraum auf. Dementsprechend sind keine Hohlraumspiegel vorgesehen. Durch Laminieren eines Brechungsindexgitters auf der Oberseite des periodisch polarisierten Wellenleiters wird das Pumplicht gefiltert, während es sich im Wellenleiter ausbreitet. Da eine Polarisationsperiode des periodisch polarisierten Wellenleiters sehr kurz ist und mit dem Brechungsindexgitter zusammenwirkt, kann sich das Pumplicht in einer kürzeren periodisch polarisierten Wellenleiter ausbreiten, um eine Mehrfachoszillationsfilterung durchzuführen. Filtereffizienz ist viel höher als herkömmlicher optischer parametrischer Oszillator, damit es realisierbar ist, dass der optische parametrische Oszillator die spektrale Ausgangslinienbreite reduziert, und die Stabilität des Ausgangsspektrums beibehält und die mittlere charakteristische Wellenlänge des Ausgangsspektrums auf die Zielwellenlänge ausrichtet, während die Gesamtlänge des optischen parametrischen Oszillators auf den Millimeterpegel reduziert wird, der in Mikrogeräten wie Chips verwendet werden kann.
Figurenliste

1a zeigt einen herkömmlichen linearen geraden Hohlraum mit zwei Spiegeln;
1b zeigt einen herkömmlichen V-förmigen falteten Hohlraum;
1c zeigt einen herkömmlichen X-förmigen geraden Hohlraum;
1d zeigt einen herkömmlichen Ringhohlraum mit vier Spiegeln;
2 zeigt eine schematische Darstellung der Vorderansichtsstruktur eines optischen parametrischen Oszillators mit verteilter Rückkopplung auf einem Chip, der in einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung bevorzugt ist;
3 zeigt eine linke Ansicht des in 2 gezeigten optischen parametrischen Oszillators mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip;
4 zeigt einen Lichtweg, wenn sich Licht in einem rippenförmigem Wellenleiter ausbreitet;
5 zeigt ein Spektrogramm eines Ausgangslaserlichtspektrums dieser Ausführungsform;
6 zeigt ein Spektrogramm des Ausgangslaserlichtspektrums nach Anlegen einer Spannung von 100V an den durch diese Ausführungsform bereitgestellten optischen parametrischen Oszillator.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ANMELDUNG
Die Ausführungsformen werden nachstehend ausführlich beschrieben, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Wenn sich die folgende Beschreibung auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, stellen dieselben Nummern in verschiedenen Zeichnungen dieselben oder ähnliche Elemente dar, sofern nicht anders angegeben. Die in den folgenden Beispielen beschriebenen Ausführungsformen repräsentieren nicht alle Ausführungsformen, die mit dieser Anmeldung übereinstimmen. Im Gegenteil, dies sind lediglich Beispiele für Vorrichtungen und Verfahren, die mit einigen in den Ansprüchen beschriebenen Aspekten der Anmeldung übereinstimmen.
Die Struktur und das Arbeitsprinzip des optischen parametrischen Oszillators mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip, der durch die vorliegende Anmeldung bereitgestellt wird, werden nachstehend durch spezifische Ausführungsformen detailliert beschrieben.
In der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Brechungsindexgitters auf dem rippenförmigen Lithiumniobat-Wellenleiter verwendet, um den optischen parametrischen Oszillator auf dem Chip mit automatischer Ausrichtung, schmaler Linienbreite und stabiler Ausgabe zu realisieren. Es kann für Chipintegration, Lichtquelle für photonische Chips, Lichtquelle für Detektoren usw. verwendet werden. Es kann in der Medizin verwendet werden, um Krebszellen klinisch zu erkennen. Und es kann auch im Bereich der Umweltwissenschaften verwendet werden, um Luftverschmutzung zu erkennen.
In den Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der verwendete Begriff „auf einem Chip“ auf einen Miniaturchip oder einen Mikrochip. Die „verteilte Rückkopplung“ bezieht sich auf die Rückkopplung über einen gesamten optischen Weg. D.h. das Pumplicht wird ständig oszilliert und zurückgeführt, sobald es in den periodisch polarisierten Wellenleiter des optischen parametrischen Oszillators mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip einfällt, bis es vom periodisch polarisierten Wellenleiter ausgegeben wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Vorderansichtsstruktur eines optischen parametrischen Oszillators mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip, der in einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung bevorzugt ist. 3 zeigt eine linke Ansicht des in 2 gezeigten optischen parametrischen Oszillators mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip.
In Kombination von 2 und 3 umfasst der von der vorliegenden Anmeldung bereitgestellte optische parametrische Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip: ein Substrat 1, einen periodisch polarisierten Wellenleiter 2, der auf einer Oberseite des Substrats 1 laminiert ist, und ein Brechungsindexgitter 3, das auf einer Oberseite des periodisch polarisierten Wellenleiters 2 laminiert ist.
Auf diesem Gebiet können Wellenleiter, die für optisch parametrische Oszillatoren verwendet werden, mindestens zwei Konfigurationen umfassen, wie vergrabener Wellenleiter und rippenförmiger Wellenleiter. Unter diesen kann die Struktur des rippenförmigen Wellenleiters unter Bezugnahme auf 2 und 3 bekannt sein. 4 zeigt den Lichtweg, wenn sich Licht in einem rippenförmigen Wellenleiter ausbreitet. Zur Erleichterung der Beschreibung wird in dieser Ausführungsform eine x-Achsenrichtung in 4 als eine Längenrichtung des rippenförmigen Wellenleiters bezeichnet, eine y-Achsenrichtung wird als eine Breitenrichtung des rippenförmigen Wellenleiters bezeichnet und eine z-Achsenrichtung wird als eine Höhenrichtung des rippenförmigen Wellenleiters bezeichnet.
In dieser Ausführungsform ist der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 ein rippenförmiger Wellenleiter. Die Anmelderin ist der Ansicht, dass die linke und rechte Seite des rippenförmigen Wellenleiters in der Breitenrichtung als Luftsubstrate oder Luftwellenleiter angesehen werden können. Darüber hinaus ist ein Brechungsindex von Luft niedriger als ein Brechungsindex des rippenförmigen Wellenleiters. Das Licht bildet auf natürliche Weise eine Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen dem rippenförmigen Wellenleiter und der Luft. Daher wird in dieser Ausführungsform der rippenförmige Wellenleiter als Basis des optischen parametrischen Oszillators mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip ausgewählt.
In dieser Ausführungsform kann der rippenförmige Wellenleiter durch Schneiden einer quaderförmigen Basis erhalten werden. Insbesondere kann die Oberseite des rippenförmigen Wellenleiters zuerst eingestellt und dann von der Oberseite des rippenförmigen Wellenleiters zur Unterseite geschnitten werden, um Teile der linken und rechten Seite des rippenförmigen Wellenleiters in der Breitenrichtung abzuschneiden, wobei eine Schnitttiefe eine Höhe des rippenförmigen Wellenleiters ist, damit der rippenförmige Wellenleiter mit dem Substrat erhalten wird, wie in den 2 und 3 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 ein dotierter Lithiumniobat-Wellenleiter, der einen mit Eisen dotierten Lithium-Niobat-Wellenleiter und/oder einen mit Zink dotierten Lithium-Niobat-Wellenleiter umfasst und auch andere dotierte Lithium-Niobat-Wellenleiter umfassen kann, die für den optischen parametrischen Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip verwendet werden können.
Lithiumniobat ist ein nichtlinearer Kristall, und zugleich ein elektrooptischer Kristall, ein akustooptischer Kristall und ein photorefraktiver Kristall. Photorefraktiver Kristall bezieht sich auf einen Kristall, dessen Brechungsindex sich durch die räumliche Verteilung von durch Licht erzeugten Trägern unter Einwirkung von Lichtstrahlung ändert. Durch Bestrahlen des Lichts auf das lichtbrechende Material erzeugen die Kristalle im Material Ladungsträger (Elektronen oder Löcher). Aufgrund einer getrennten oder kombinierten Auswirkungen von Diffusion, Drift und Photovoltaik wandern Ladungsträger im Kristallgitter, bis sie an einem neuen Ort eingeschlossen werden. Da die erzeugte Raumladung eine Verteilung der elektrischen Feldstärke im Kristall bewirkt, ändert das elektrische Feld den Brechungsindex des Kristalls entsprechend durch einen elektrooptischen Effekt.
Da der Brechungsindex von dotiertem Lithiumniobat, insbesondere eisendotiertem Lithiumniobat und zinkdotiertem Lithiumniobat, höher ist als der von undotiertem Lithiumniobat, dient dotiertes Lithiumniobat als das Wellenleitermaterial in der Ausführungsform. Gleichzeitig wird undotiertes Lithiumniobat als Substratmaterial verwendet, so dass das Pumplicht an der Grenzfläche zwischen Wellenleiter und Substrat vollständig reflektiert wird, so dass sich das Pumplicht im periodisch polarisierten Wellenleiter 2 ausbreitet.
Ferner kann der in der vorliegenden Anmeldung beschriebene dotierte Lithiumniobat-Wellenleiter durch ein Herstellungsverfahren eines dotierten Lithiumniobat-Wellenleiters hergestellt werden, beispielsweise durch Ionenimplantation oder Titandiffusion und dergleich.
Insbesondere kann der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 dieser Ausführungsform durch das folgende Verfahren hergestellt werden: Dotierung von einer Oberseite des periodisch polarisierten Wellenleiters 2 in sein Inneres mit Target-Dotierungselementen wie Eisen oder Zink, die eine photorefraktive Schicht in der Lithiumniobat-Matrix bilden, nämlich eine dotierte Lithiumniobatschicht, die eine gleichmäßige Dicke hat; Abschneiden dann einer überschüssigen linken und rechten Teile des dotierten Lithiumniobats in der Breitenrichtung, wobei eine Schnitttiefe eine Dotierungstiefe ist, um einen rippenförmigen periodisch polarisierten Wellenleiter zu bilden, der Lithiumniobat als Substratmaterial und dotiertem Lithiumniobat als Wellenleitermaterial verwendet.
In dieser Ausführungsform ist der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 senkrecht zum Substrat 1 periodisch polarisiert, d.h. der periodisch polarisierte Wellenleiter ist entlang seiner Längenrichtung periodisch polarisiert. Da sich das Pumplicht in dem periodisch polarisierten Wellenleiter 2 entlang seiner Länge ausbreitet, ist der periodisch polarisierte Wellenleiter 2 entlang seiner Länge periodisch polarisiert, wodurch eine Quasi-Phasenanpassung erreicht wird.
In dieser Ausführungsform ist das Substrat 1 entsprechend dem periodisch polarisierten Wellenleiter 2 ein Lithiumniobat-Substrat.
In dieser Ausführungsform umfasst, wie in 3 gezeigt, das Brechungsindexgitter 3 eine Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und eine Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex, wobei die Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und die Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex senkrecht zum Substrat 1 abwechselnd verteilt sind. Das heißt, die Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und die Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex sind abwechselnd entlang der Längenrichtung des periodisch polarisierten Wellenleiters 2 verteilt. Die UV-Belichtung wird durch Doppelstrahlinterferenz- oder ein Maskenverfahren ausgeführt, um ein Brechungsindexgitter zu bilden.
In dieser Ausführungsform hat das Brechungsindexgitter 3 einen zentralen Brechungsindex, dh. die Brechungsindizes der Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex sind auf beiden Seiten eines zentralen Brechungsindex symmetrisch verteilt. Beispielsweise, wenn der zentrale Brechungsindex auf 2,2 eingestellt wird, kann der Brechungsindex der Schicht 31 mit hohem Brechungsindex 2,201 betragen, und kann der Brechungsindex der Schicht mit niedrigem Brechungsindex 2,199 betragen.
In dieser Ausführungsform kann der zentrale Brechungsindex gemäß einer Wellenlänge des Zielausgangslaserlichts eingestellt werden. Der Brechungsindex der Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex kann auch gemäß der Wellenlänge des Zielausgangslaserlichts eingestellt werden.
Weiterhin betragen die Dicke der Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und die Dicke der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex beide 1/4 von der Schwingungswellenlänge, so dass das Pumplicht während Ausbreitung in dem periodisch polarisierten Wellenleiter 2 durch das Brechungsindexgitter verteilt gefiltert wird.
Weiterhin ist der Brechungsindex der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex des periodisch polarisierten Wellenleiters 2, so dass das Licht der Schwingungswellenlänge vollständig in dem periodisch polarisierten Wellenleiter reflektiert werden kann, wodurch Verlust eines Zielausgangslaserlichts verringert wird.
In dieser Ausführungsform hat eine Verteilungsperiode der Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex in dem Brechungsindexgitter 3, die nachstehend als „Brechungsperiode“ bezeichnet wird, keine entsprechende Beziehung zu der Polarisationsperiode des periodisch polarisierten Wellenleiters. D.h. die Brechungsperiode kann größer, gleich oder kleiner als die Polarisationsperiode sein.
In dieser Ausführungsform kann durch Einstellen eines spezifischen Brechungsindexgitters das Pumplicht während des Wellenleiterausbreitungsprozesses auf natürliche Weise gefiltert werden, während die Pumplichtschwingung in der minimalen Wellenleiterlänge gebildet werden kann, die eine Basis zum Reduzieren des Volumens des optischen parametrischen Oszillators bereitstellt.
Auf eine andere erreichbare Weise umfasst der optische parametrische Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip ferner Metallelektroden 4, wobei die Metallelektrode 4 aus zwei Teilen besteht, von denen sich eines am Boden des Substrats 1 und das andere auf einer Oberseite des Brechungsindexgitters 3 befindet.
In dieser Ausführungsform ist die Metallelektrode 4 eine Plattenelektrode, die zwei Teile enthält, die jeweils auf eine obere Schicht des Brechungsindexgitters 3 und eine untere Schicht des Substrats 1 laminiert sind. Formen und Größen der beiden Metallelektroden 4 stimmen mit Formen und Größen ihrer benachbarten Teile überein.
Die Metallelektrode 4 wird verwendet, um eine Spannung an das µ-Brechungsindexgitter 3 anzulegen. Der Brechungsindex der Schicht 31 mit hohem Brechungsindex und der Schicht 32 mit niedrigem Brechungsindex kann durch Einstellen einer Spannungsintensität eingestellt werden, wodurch die Wellenlänge des Zielausgangslaserlichts gesteuert wird, um eine zentrale charakteristische Wellenlänge eines tatsächlichen Ausgangslaserlichts mit der voreingestellten zentrale charakteristischen Wellenlänge des Ausgangslaserlichts auszurichten.
Ein Arbeitsprinzip und eine Wirkung des durch die vorliegende Anmeldung bereitgestellten optischen parametrischen Oszillators werden nachstehend mit einer Ausführungsform beschrieben:
Die Dicke des optisch parametrischen Oszillatorsubstrats beträgt 2µm. Die Dicke des periodischen Polarisationswellenleiters beträgt 6µm. Die Breite beträgt 8µm und die Dicke des Brechungsindexgitters beträgt 2µm. Der zentrale Brechungsindex des Brechungsindexgitters beträgt 2,2, und die Brechungsindexänderung beträgt etwa 0,001, d.h. der Brechungsindex der Schicht mit hohem Brechungsindex beträgt 2,201 und der Brechungsindex der Schicht mit niedrigem Brechungsindex beträgt 2,199. Die Ergebnisse sind in 2 und 3 gezeigt.
Gemäß einer Übertragungsmatrixtheorie des Brechungsindexgitters kann eine Übertragungsmatrix M des Brechungsindexgitters gemäß einer folgenden Formel (1) berechnet werden: $M = (\begin{matrix} cos (k \cdot L) & \frac{sin (k \cdot L)}{k} \\ - k \cdot s i n (k \cdot L) & cos (k \cdot L) \end{matrix})$
wobei k einen Wellenvektor darstellt und L eine Dicke der dielektrischen Schicht darstellt.
Ferner kann der Wellenvektor k gemäß der folgenden Formel (2) berechnet werden: $k = \frac{2 π n}{λ}$
wobei n den Brechungsindex darstellt und λ die spektrale Wellenlänge darstellt.
Ferner kann eine Übertragungsmatrix M_s einer mehrschichtigen dielektrischen Schicht gemäß einer folgenden Formel (3) berechnet werden: $M_{S} = M_{N} \cdot \dots \cdot M_{2} \cdot M_{1}$
wobei N Anzahl der dielektrischen Schichten darstellt.
Weiterhin kann das Reflexionsvermögen r nach folgender Formel (4) berechnet werden: $r = [\frac{(M_{21} + k_{L} k_{R} M_{12}) + i (k_{L} M_{22} - k_{R} M_{11})}{(- M_{21} + k_{L} k_{R} M_{12}) + i (K_{L} M_{22} + k_{R} M_{11})}]$

wobei M₂₁ eine zweite Zeile und erste Spalte der M_s-Matrix darstellt,
wobei M₂₂ eine zweite Zeile und zweite Spalte der M_s-Matrix darstellt,
wobei i eine imaginäre Einheit ist,
wobei k_L einer Wellenvektor der Brechungsindexschicht ganz links des Brechungsindexgitters ist,
wobei k_R einer Wellenvektor der Brechungsindexschicht ganz rechts des Brechungsindexgitters ist.
Unter diesen kann k_L gemäß der folgenden Formel (5) berechnet werden: $k_{L} = \frac{2 π n_{L}}{λ}$
Entsprechend kann k_R nach folgender Formel (6) berechnet werden: $k_{R} = \frac{2 π n_{R}}{λ}$
Gemäß der obigen Formel und der 1/4 Wellenlängentheorie des hochreflektierenden Mehrschichtfilms werden die folgenden Parameter eingestellt:
Eine Oszillationswellenlänge (die Wellenlänge des Zielausgangslaserlichts) beträgt 1600 nm (das Spektrum ist in 5 dargestellt). Der Brechungsindex n₁ der Schicht mit hohem Brechungsindex im Brechungsindexgitter beträgt n₁ = 2,199, und der Brechungsindex der Schicht mit niedrigem Brechungsindex beträgt n₂ = 2,201. der zentrale Brechungsindex des Brechungsindexgitters beträgt 2,200 und die beiden Schichten sind abwechselnd auf insgesamt 5000 Schichten angeordnet. Dann ist eine laterale Länge einer einzelnen Schicht in einer Gesamtlänge der Brechungsindexgitterschicht L = 1600nm/2.200/4 . In dieser Ausführungsform bezieht sich die laterale Länge der einzelnen Schicht der Brechungsindexgitterschicht auf eine Länge der einzelnen Schicht der Schicht mit hohem Brechungsindex oder der Schicht mit niedrigem Brechungsindex entlang der Richtung der x-Achse, so dass die Gesamtlänge des optischen parametrischen Oszillators berechnet wird, die nämlich ungefähr 1600nm/2.200/4 × 5000 entsprecht, ungefähr 0,91 mm. Im Vergleich zum herkömmlichen optischen parametrischen Oszillator ist die Gesamtlänge des optischen parametrischen Oszillators auf etwa 1 mm verkürzt, wodurch es einfacher ist, in einen Chip eingebettet zu werden..
Darüber hinaus ist der optische parametrische Oszillator, der in der obigen Ausführungsformen bereitgestellt ist, ein optischer parametrischer Oszillator für ein Pumplicht, während eine Mindestgröße des herkömmlichen optischen parametrischen Oszillators mehr als 10 cm betragen sollte.
Weiterhin, wenn eine dreidimensionale Matrix Symmetrie aufweist, wird sie in eine zweidimensionale Matrix transformiert, d.h. einer elektrooptische Koeffizient (y_ij) des Lithiumniobatkristalls kann gemäß der folgenden Formel (7) berechnet werden: $γ_{i j} = (\begin{matrix} 0 & - γ_{22} & γ_{13} \\ 0 & γ_{22} & γ_{13} \\ 0 & 0 & γ_{33} \\ 0 & γ_{51} & 0 \\ γ_{51} & 0 & 0 \\ - γ_{22} & 0 & 0 \end{matrix})$

wobei i eine Zeilennummer darstellt, an der sich ein Elemente in der transformierten zweidimensionalen Matrix befindet;
wobei j eine Spaltennummer darstellt, an der sich ein Elemente in der transformierten zweidimensionalen Matrix befindet;
wobei γ₂₂ einen elektrooptischen Koeffizient des Elements in i=2, j=2 in der zweidimensionalen Matrixen darstellt, wobei Bedeutung verbleibender elektrooptischen Koeffizienten analog abgeleitet werden kann,
wobei ein spezifischer Wert des elektrooptischen Koeffizienten ist: ${\begin{matrix} γ_{13} = 9.6 \times 10^{- 12} m / V \\ γ_{22} = 6.8 \times 10^{- 12} m / V \\ γ_{33} = 30.9 \times 10^{- 12} m / V \\ γ_{51} = 32.6 \times 10^{- 12} m / V \end{matrix}$
Wenn ein elektrisches Feld von 100 V an das Brechungsindexgitter angelegt wird, ist eine Brechungsindexellipsoidgleichung in einer folgenden Formel (8) gezeigt: $(\frac{1}{n_{o}^{2}} + γ_{13} E_{z}) X^{2} + (\frac{1}{n_{o}^{2}} + γ_{13} E_{z}) Y^{2} + (\frac{1}{n_{e}^{2}} + γ_{33} E_{z}) Z^{2} = 1$

wobei n_e einen Brechungsindex von e Licht darstellt,
wobei E_z eine elektrische Feldstärke in z-Richtung darstellt,
wobei n₀ einen Brechungsindex für O-ray darstellt,
wobei X, Y und Z jeweils die Koordinatenachsen in drei Richtungen in einem Koordinatensystem darstellen, das in 4 gezeigt ist.
Ferner ändern sich nach dem Anlegen einer Spannung an die Brechungsindexgitterschicht sowohl die Brechungsindex der Schicht mit hohem Brechungsindex als auch die Brechungsindex der Schicht mit niedrigem Brechungsindex in der Brechungsindexgitterschicht. Brechungsindexänderungswerte für Schicht mit hohem Brechungsindex und Schicht mit niedrigem Brechungsindex sind gleich. Insbesondere kann der Brechungsindexänderungswert gemäß der in einer folgenden Formel (9) gezeigten Formel berechnet werden: $Δ n = \frac{1}{2} γ_{33} E_{z} n_{o}^{3}$
Nach der Formel (9) ist erkennbar Δn ≈ 0.0017.
Dann wird der obige Brechungsindexänderungswert in die Übertragungsmatrixformel Formel (3) eingesetzt. Da sich ein optischer Pfad in der Brechungsindexgitterschicht ändert, kann berechnet werden, dass sich die Wellenlänge des Reflexionszentrums um ungefähr 0,9 nm bewegt. Das Ausgangsspektrum ist in 6 dargestellt.
Aus 5 und 6 ist ersichtlich, dass nur eine Spitzenposition des Zielausgangslaserlichts verschoben ist, während die anderen Parameter nahezu unverändert sind. Der in dieser Anmeldung bereitgestellte optische parametrische Oszillator kann eine Stabilität des Ausgangsspektrums und die Ausrichtung der zentralen charakteristischen Wellenlänge des tatsächlichen Ausgangslaserlichtspektrums mit der voreingestellten zentralen charakteristischen Wellenlänge des Ausgangslaserlichtspektrums gut sicherstellen.
Aus der obigen Beschreibung des optischen parametrischen Oszillators, der in der vorliegendee Anmeldung bereitgestellt wird, ist ersichtlich, dass der optische parametrische Oszillator, der in der vorliegenden Anmeldung bereitgestellt wird, die Länge des optischen parametrischen Oszillators von mindestens 10 cm auf das Millimeter-Niveau verkürzen kann und die Dicke nur auf dem Mikrometer-Niveau liegt, so dass der optische parametrische Oszillator auf Mikrochips angewendet werden kann. Die erforderliche elektrische Feldstärke kann für verschiedene zentrale Wellenlängen des Zielausgangslaserlichts umgekehrt werden, so dass die Ausgangswellenlänge kann eingestellt werden. Daher kann der optische parametrische Oszillator, der von der vorliegenden Anmeldung bereitgestellt wird, eine genaue Ausrichtung zwischen dem tatsächlichen Ausgangslaserlichtspektrum und dem voreingestellten Ausgangslaserlichtspektrum erreichen, wenn technische Indikatoren für eine schmale Linienbreite und eine einstellbare Wellenlänge erreicht werden.
Die Anmeldung wird oben ausführlich unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und beispielhafte Beispiele beschrieben, aber diese Beschreibungen sollten nicht als Einschränkung der Anmeldung verstanden werden. Der Fachmann versteht, dass, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Anmeldung abzuweichen, verschiedene äquivalente Substitutionen, Modifikationen oder Verbesserungen an den technischen Lösungen der vorliegenden Anmeldung und ihren Ausführungsformen vorgenommen werden können, die alle in den Umfang der vorliegenden Anmeldung fallen. Der Schutzumfang dieser Anmeldung unterliegt den beigefügten Ansprüchen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 201910705220 [0001]

Claims

Optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf einem Chip, dadurch gekennzeichnet, dass der optische parametrische Oszillator ein Substrat (1), einen periodisch polarisierten Wellenleiter (2), der auf einer Oberseite des Substrats (1) laminiert ist, und ein Brechungsindexgitter (3), das auf einer Oberseite des periodisch polarisierten Wellenleiters (2) laminiert ist, umfasst, wobei der periodisch polarisierte Wellenleiter (2) senkrecht zum Substrat (1) periodisch polarisiert ist, wobei das Brechungsindexgitter (3) eine Schicht (31) mit hohem Brechungsindex und eine Schicht (32) mit niedrigem Brechungsindex umfasst, und die Schicht (31) mit hohem Brechungsindex und die Schicht (32) mit niedrigem Brechungsindex senkrecht zum Substrat (1) abwechselnd verteilt sind, wobei der periodisch polarisierte Wellenleiter (2) ein rippenförmiger Wellenleiter ist, wobei der optische parametrische Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip ferner eine Metallelektrode (4) umfasst, die eine Plattenelektrode ist, wobei die Metallelektrode (4) aus zwei Teilen besteht, von denen sich eines am Boden des Substrats (1) und das andere auf einer Oberseite des Brechungsindexgitters (3) befindet.
Optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der periodisch polarisierte Wellenleiter (2) ein dotierter Lithiumniobat-Wellenleiter ist, wobei der dotierte Lithiumniobat-Wellenleiter einen eisendotierten Lithiumniobat-Wellenleiter und/oder einen zinkdotierten Lithiumniobat-Wellenleiter umfasst.
Optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der Schicht (31) mit hohem Brechungsindex und eine Dicke der Schicht (32) mit niedrigem Brechungsindex beide 1/4 von einer Schwingungswellenlänge betragen.
Optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein undotiertes Lithiumniobat-Substrat ist.
Optischer parametrischer Oszillator mit verteilter Rückkopplung auf dem Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brechungsindex der Schicht (32) mit niedrigem Brechungsindex kleiner als ein Brechungsindex des periodisch polarisierten Wellenleiters (2) ist.