一种用于产生光频梳的微环波导光器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成光子学及非线性光学领域，特别涉及一种用于产生光频梳的微环 波导光器件。
【背景技术】
[0002] 一系列离散的、等间距频率的像梳子一样形状的光谱被称为光频梳，它在光的任 意波发生、波分复用、物理量精密测量、微波光子滤波器、光纤传感、时钟的同步于校准、卫 星导航等领域拥有巨大的应用前景。
[0003] 传统的光频梳技术依赖于锁模激光器，需要倍频程的频率范围，成本昂贵，对应用 环境的要求也比较高。并且激光器的腔长通常较长，也就意味着生成的梳齿之间的间隔非 常窄，通常小于1GHz。而基于非线性光学谐振腔的连续波光频梳技术，则可以很好地补充传 统光频梳技术的不足，并极大地扩展了其应用范围，正受到越来越广泛的关注。外界泵浦光 注入由非线性材料（如氮化硅、氟化镁、二氧化硅等）构成的光学谐振腔中，激发起材料的 三阶非线性效应一一克尔效应，并通过四波混频效应产生新的频率分量。由于在需要实现 光频梳的波长范围内，除了克尔效应之外，不存在双光子吸收效应，因而四波混频过程中的 能量守恒和动量守恒同时得到满足，从而实现级联四波混频，直至光频梳。该谐振腔通常制 备成高品质因子环形腔结构，例如目前已经实现的最高的品质因子已经超过了 1〇1(|，因而光 学微谐振腔内存在极大的场强增强效应，从而可以最大可能地降低阈值光功率。
[0004] 谐振腔的色散对四波混频的作用过程有较大影响。色散包括材料色散与波导色 散，分别由材料特性、结构尺寸决定。在谐振腔的材料确定后，可以通过调整其尺寸大小，对 色散进行调控。研宄表明，低且平坦（趋于零）的色散曲线有助于产生梳齿功率平坦的光频 梳。而色散不为零，即色散为正值或负值，将会导致谐振腔的自由频谱范围（Free Spectral Range，FSR)不等距，进而影响光频梳的产生范围、梳齿之间的平坦性与相位噪声、谐振腔中 的孤子脉冲产生等问题。
[0005] 谐振腔的色散与波导截面的尺寸有关。图1为高度为一定值0. 7微米波导中，波长 1600nm处的色散随波导宽度的变化情况。如果微环谐振腔结构的横截面尺寸固定，谐振腔 的色散为一定值。在色散值不为零的情况下，泵浦光在谐振腔内传输时，固定的微环色散将 持续影响四波混频的能量转移效率，影响形成的梳齿功率大小与频谱的平坦性。由于材料 的折射率与波长相关，色散始终存在。如图2所示，即使在宽度为1. 78微米时，1600nm波长 处的色散值趋于零，但在其他波长处色散值并不为零，仍会对光频梳的产生始终存在影响。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于产生光频梳的微环波导光器件，其 目的在于减小色散对光频梳产生的影响，提高光频梳的功率平坦性，能够获得功率较平坦 的光频梳。
[0007] 本发明提供了一种用于产生光频梳的微环波导光器件，包括相互耦合的直波导和 环形谐振腔；所述环形谐振腔包括n个具有第一截面宽度W1的第一部分，n个具有第二截 面宽度W2的第二部分，以及用于连接所述第一部分和所述第二部分的锥形耦合器；n个第 一部分与n个第二部分相互交替耦合形成所述环形谐振腔；所述第一截面宽度W1和所述第 二截面宽度W2不相等；所述n为周期数，取值为1-6。
[0008] 更进一步地，所述第一截面宽度W1或所述第二截面宽度W2为0. 2微米~4微米。
[0009] 更进一步地，所述第一部分的长度为LI = kX (U-2*!^)，第二部分的长度为L2 = (1-k) X (U-2*!^)，其中k为比例系数，k的取值范围为0. 2~0. 8，!^为环形谐振腔的长度， Lt为锥形耦合器长度。
[0010] 更进一步地，所述锥形耦合器的长度为10微米~50微米。
[0011] 更进一步地，所述直波导与所述环形谐振腔侧向耦合。
[0012] 更进一步地，所述直波导与所述环形谐振腔垂直耦合。
[0013] 更进一步地，所述直波导为两根，分别位于所述环形谐振腔的两侧。
[0014] 更进一步地，所述直波导与所述环形谐振腔的耦合间隔为0. 05微米-0. 5微米。
[0015] 更进一步地，所述环形谐振腔的形状为圆环形、跑道型或多边形。
[0016] 更进一步地，所述环形谐振腔的长度为
，、为谐振腔长度，c为光速，n 为波导的有效折射率，FSR为光频梳的梳齿间隔。
[0017] 本发明通过改变波导截面尺寸，能够调控一定波长范围内的色散在正值与负值之 前交替变化，使得色散对四波混频效应的影响相互抵消，趋近于零，从而使得色散对光频梳 产生的影响相互抵消；减小了色散对光频梳产生的影响，提高光频梳的功率平坦性，能够获 得功率较平坦的光频梳。
【附图说明】
[0018] 图1为高度为0. 7微米的氮化硅波导中，1600nm波长处的色散值与波导宽度的关 系。
[0019] 图2为高度为0. 7微米，宽度为1. 78微米的氮化硅波导中，1000~2000nm波长范 围内的色散曲线。可以看出，此时1600nm波长处的色散值趋于零，但在其他波长处，并不为 零。
[0020] 图3为现有的圆形微谐振腔侧向耦合波导结构的俯视图。图中，微环横截面宽度 W保持不变。其中，31为环形谐振腔，32为直波导。
[0021] 图4为本发明的跑道型侧向耦合谐振腔的俯视图。图中微环宽度变化一次，即周 期数为1，微环横截面宽度在Wl、W2之间变化，两部分通过锥形耦合器连接。其中，谐振腔 内两段截面宽度不同的波导长度相同；41为环形谐振腔，42为直波导，43为锥形耦合器。
[0022] 图5为本发明的垂直耦合圆形谐振腔的俯视图。由于采用垂直耦合方式，直波导 与谐振腔处于不同平面，因而俯视图中两者发生部分重叠。
[0023] 图6为本发明的上传下载型侧向耦合谐振腔的俯视图。其中周期数为1，即微环宽 度变化一次。
[0024] 图7为本发明的直通型侧向耦合多边形谐振腔的俯视图。其中周期数为2,即微环 宽度变化两次。
[0025] 图8为现有的圆形谐振腔结构产生的光频梳的仿真结果图。该微环采用氮化硅 材料，波导宽度为W = 1. 6微米，高度为0. 7微米，微环半径100微米，注入泵浦光波长为 1420nm，功率为 0? 775W。
[0026] 图9为本发明的跑道型谐振腔结构产生的光频梳的仿真结果图。该微环采用氮化 硅材料，波导宽度为Wl = 1. 6微米，W2 = 2微米，高度为0. 7微米，锥形耦合器长度为40微 米，微环谐振腔总长度与图5中微环总长度保持一致，且谐振腔内两段宽度不同波导的长 度相等，注入泵浦光波长为1420nm，功率为0. 775W。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0028] 本发明针对这种情况，提出一种可减小色散对光频梳产生的光学微环谐振腔结 构，通过周期性调整波导截面的尺寸，具体而言，调整截面宽度，使得波导的色散值在正值 与负值之间周期性变化，使得色散的影响相互抵消，提高产生的光频梳的功率平坦性。
[0029] 在本发明实施例中，为了减小色散对光频梳产生的影响，提高光频梳的功率平坦 性，提出了一种微环波导光器件，能够获得功率较平坦的光频梳。
[0030] 本发明提出的微环波导光器件包括：直波导和环形谐振腔；环形谐振腔的截面宽 度周期性改变，每个周期内所述谐振腔截面宽度改变一次。由于波导结构的色散大小与波 导截面宽度有关，因而通过改变波导截面尺寸，能够调控一定波长范围内的色散在正值与 负值之前交替变化，使得色散对四波混频效应的影响相互抵消，趋近于零，从而使得色散对 光频梳产生的影响相互抵消。不同宽度部分之间采用锥形耦合器连接。锥形耦合器的宽度 连续变化，用其连接两段截面宽度不同的波导，能够减小光传输过程中的损耗。
[0031] 作为本发明的一个实施例，直波导为一根，位于微环的一侧，与微环侧向耦合。侧 向耦合的方式中，直波导与微环处在同一平面内，可以通过光刻工艺一次刻蚀完成，工艺简 单，制作方便。
[0032] 作为本发明的另一实施例，直波导为一根，位于微环平面的上侧，与微环垂直耦 合。在垂直耦合方式中，直波导与微环的接触面积更大，有利于提高耦合效率；垂直耦合方 式能够通过控制直波导与微环之间的横向位置偏移与耦合层厚度两个参量来控制其耦合 系数，设计、调节更加灵活。
[0033] 作为本发明的另一实施例，直波导为两根