一種用于產(chǎn)生光頻梳的微環(huán)波導光器件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成光子學及非線性光學領域，特別涉及一種用于產(chǎn)生光頻梳的微環(huán) 波導光器件。
【背景技術】
[0002] 一系列離散的、等間距頻率的像梳子一樣形狀的光譜被稱為光頻梳，它在光的任 意波發(fā)生、波分復用、物理量精密測量、微波光子濾波器、光纖傳感、時鐘的同步于校準、衛(wèi) 星導航等領域擁有巨大的應用前景。
[0003] 傳統(tǒng)的光頻梳技術依賴于鎖模激光器，需要倍頻程的頻率范圍，成本昂貴，對應用 環(huán)境的要求也比較高。并且激光器的腔長通常較長，也就意味著生成的梳齒之間的間隔非 常窄，通常小于1GHz。而基于非線性光學諧振腔的連續(xù)波光頻梳技術，則可以很好地補充傳 統(tǒng)光頻梳技術的不足，并極大地擴展了其應用范圍，正受到越來越廣泛的關注。外界泵浦光 注入由非線性材料（如氮化硅、氟化鎂、二氧化硅等）構成的光學諧振腔中，激發(fā)起材料的 三階非線性效應一一克爾效應，并通過四波混頻效應產(chǎn)生新的頻率分量。由于在需要實現(xiàn) 光頻梳的波長范圍內，除了克爾效應之外，不存在雙光子吸收效應，因而四波混頻過程中的 能量守恒和動量守恒同時得到滿足，從而實現(xiàn)級聯(lián)四波混頻，直至光頻梳。該諧振腔通常制 備成高品質因子環(huán)形腔結構，例如目前已經(jīng)實現(xiàn)的最高的品質因子已經(jīng)超過了 1〇1(|，因而光 學微諧振腔內存在極大的場強增強效應，從而可以最大可能地降低閾值光功率。
[0004] 諧振腔的色散對四波混頻的作用過程有較大影響。色散包括材料色散與波導色 散，分別由材料特性、結構尺寸決定。在諧振腔的材料確定后，可以通過調整其尺寸大小，對 色散進行調控。研宄表明，低且平坦（趨于零）的色散曲線有助于產(chǎn)生梳齒功率平坦的光頻 梳。而色散不為零，即色散為正值或負值，將會導致諧振腔的自由頻譜范圍（Free Spectral Range，F(xiàn)SR)不等距，進而影響光頻梳的產(chǎn)生范圍、梳齒之間的平坦性與相位噪聲、諧振腔中 的孤子脈沖產(chǎn)生等問題。
[0005] 諧振腔的色散與波導截面的尺寸有關。圖1為高度為一定值0. 7微米波導中，波長 1600nm處的色散隨波導寬度的變化情況。如果微環(huán)諧振腔結構的橫截面尺寸固定，諧振腔 的色散為一定值。在色散值不為零的情況下，泵浦光在諧振腔內傳輸時，固定的微環(huán)色散將 持續(xù)影響四波混頻的能量轉移效率，影響形成的梳齒功率大小與頻譜的平坦性。由于材料 的折射率與波長相關，色散始終存在。如圖2所示，即使在寬度為1. 78微米時，1600nm波長 處的色散值趨于零，但在其他波長處色散值并不為零，仍會對光頻梳的產(chǎn)生始終存在影響。

【發(fā)明內容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生光頻梳的微環(huán)波導光器件，其 目的在于減小色散對光頻梳產(chǎn)生的影響，提高光頻梳的功率平坦性，能夠獲得功率較平坦 的光頻梳。
[0007] 本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生光頻梳的微環(huán)波導光器件，包括相互耦合的直波導和 環(huán)形諧振腔；所述環(huán)形諧振腔包括n個具有第一截面寬度W1的第一部分，n個具有第二截 面寬度W2的第二部分，以及用于連接所述第一部分和所述第二部分的錐形耦合器；n個第 一部分與n個第二部分相互交替耦合形成所述環(huán)形諧振腔；所述第一截面寬度W1和所述第 二截面寬度W2不相等；所述n為周期數(shù)，取值為1-6。
[0008] 更進一步地，所述第一截面寬度W1或所述第二截面寬度W2為0. 2微米~4微米。
[0009] 更進一步地，所述第一部分的長度為LI = kX (U-2*!^)，第二部分的長度為L2 = (1-k) X (U-2*!^)，其中k為比例系數(shù)，k的取值范圍為0. 2~0. 8，!^為環(huán)形諧振腔的長度， Lt為錐形耦合器長度。
[0010] 更進一步地，所述錐形耦合器的長度為10微米~50微米。
[0011] 更進一步地，所述直波導與所述環(huán)形諧振腔側向耦合。
[0012] 更進一步地，所述直波導與所述環(huán)形諧振腔垂直耦合。
[0013] 更進一步地，所述直波導為兩根，分別位于所述環(huán)形諧振腔的兩側。
[0014] 更進一步地，所述直波導與所述環(huán)形諧振腔的耦合間隔為0. 05微米-0. 5微米。
[0015] 更進一步地，所述環(huán)形諧振腔的形狀為圓環(huán)形、跑道型或多邊形。
[0016] 更進一步地，所述環(huán)形諧振腔的長度為
，、為諧振腔長度，c為光速，n 為波導的有效折射率，F(xiàn)SR為光頻梳的梳齒間隔。
[0017] 本發(fā)明通過改變波導截面尺寸，能夠調控一定波長范圍內的色散在正值與負值之 前交替變化，使得色散對四波混頻效應的影響相互抵消，趨近于零，從而使得色散對光頻梳 產(chǎn)生的影響相互抵消；減小了色散對光頻梳產(chǎn)生的影響，提高光頻梳的功率平坦性，能夠獲 得功率較平坦的光頻梳。
【附圖說明】
[0018] 圖1為高度為0. 7微米的氮化硅波導中，1600nm波長處的色散值與波導寬度的關 系。
[0019] 圖2為高度為0. 7微米，寬度為1. 78微米的氮化硅波導中，1000~2000nm波長范 圍內的色散曲線?？梢钥闯?，此時1600nm波長處的色散值趨于零，但在其他波長處，并不為 零。
[0020] 圖3為現(xiàn)有的圓形微諧振腔側向耦合波導結構的俯視圖。圖中，微環(huán)橫截面寬度 W保持不變。其中，31為環(huán)形諧振腔，32為直波導。
[0021] 圖4為本發(fā)明的跑道型側向耦合諧振腔的俯視圖。圖中微環(huán)寬度變化一次，即周 期數(shù)為1，微環(huán)橫截面寬度在Wl、W2之間變化，兩部分通過錐形耦合器連接。其中，諧振腔 內兩段截面寬度不同的波導長度相同；41為環(huán)形諧振腔，42為直波導，43為錐形耦合器。
[0022] 圖5為本發(fā)明的垂直耦合圓形諧振腔的俯視圖。由于采用垂直耦合方式，直波導 與諧振腔處于不同平面，因而俯視圖中兩者發(fā)生部分重疊。
[0023] 圖6為本發(fā)明的上傳下載型側向耦合諧振腔的俯視圖。其中周期數(shù)為1，即微環(huán)寬 度變化一次。
[0024] 圖7為本發(fā)明的直通型側向耦合多邊形諧振腔的俯視圖。其中周期數(shù)為2,即微環(huán) 寬度變化兩次。
[0025] 圖8為現(xiàn)有的圓形諧振腔結構產(chǎn)生的光頻梳的仿真結果圖。該微環(huán)采用氮化硅 材料，波導寬度為W = 1. 6微米，高度為0. 7微米，微環(huán)半徑100微米，注入泵浦光波長為 1420nm，功率為 0? 775W。
[0026] 圖9為本發(fā)明的跑道型諧振腔結構產(chǎn)生的光頻梳的仿真結果圖。該微環(huán)采用氮化 硅材料，波導寬度為Wl = 1. 6微米，W2 = 2微米，高度為0. 7微米，錐形耦合器長度為40微 米，微環(huán)諧振腔總長度與圖5中微環(huán)總長度保持一致，且諧振腔內兩段寬度不同波導的長 度相等，注入泵浦光波長為1420nm，功率為0. 775W。
【具體實施方式】
[0027] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0028] 本發(fā)明針對這種情況，提出一種可減小色散對光頻梳產(chǎn)生的光學微環(huán)諧振腔結 構，通過周期性調整波導截面的尺寸，具體而言，調整截面寬度，使得波導的色散值在正值 與負值之間周期性變化，使得色散的影響相互抵消，提高產(chǎn)生的光頻梳的功率平坦性。
[0029] 在本發(fā)明實施例中，為了減小色散對光頻梳產(chǎn)生的影響，提高光頻梳的功率平坦 性，提出了一種微環(huán)波導光器件，能夠獲得功率較平坦的光頻梳。
[0030] 本發(fā)明提出的微環(huán)波導光器件包括：直波導和環(huán)形諧振腔；環(huán)形諧振腔的截面寬 度周期性改變，每個周期內所述諧振腔截面寬度改變一次。由于波導結構的色散大小與波 導截面寬度有關，因而通過改變波導截面尺寸，能夠調控一定波長范圍內的色散在正值與 負值之前交替變化，使得色散對四波混頻效應的影響相互抵消，趨近于零，從而使得色散對 光頻梳產(chǎn)生的影響相互抵消。不同寬度部分之間采用錐形耦合器連接。錐形耦合器的寬度 連續(xù)變化，用其連接兩段截面寬度不同的波導，能夠減小光傳輸過程中的損耗。
[0031] 作為本發(fā)明的一個實施例，直波導為一根，位于微環(huán)的一側，與微環(huán)側向耦合。側 向耦合的方式中，直波導與微環(huán)處在同一平面內，可以通過光刻工藝一次刻蝕完成，工藝簡 單，制作方便。
[0032] 作為本發(fā)明的另一實施例，直波導為一根，位于微環(huán)平面的上側，與微環(huán)垂直耦 合。在垂直耦合方式中，直波導與微環(huán)的接觸面積更大，有利于提高耦合效率；垂直耦合方 式能夠通過控制直波導與微環(huán)之間的橫向位置偏移與耦合層厚度兩個參量來控制其耦合 系數(shù)，設計、調節(jié)更加靈活。
[0033] 作為本發(fā)明的另一實施例，直波導為兩根