一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔的制作方法

本发明涉及一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，属于光学。

背景技术：

1、微盘和微环作为常见的微型光学器件，因其较高的品质因子和较小的模式体积使得微腔内光与物质的相互作用得到了极大增强，广泛应用于微波光电子学、量子光学以及微腔光学传感等领域。

2、量子力学中哈密顿量满足宇称-时间(parity-time：pt)对称的条件是其势函数满足v(x)=v*(-x)，可以通过构造复折射率分布来类比势函数分布，满足n(x)=n*(-x)即可，即实部关于原点偶对称，虚部关于原点奇对称。在光学介质中，折射率虚部的正负值分别对应着损耗和增益介质，可将折射率写成n=nr+ini，其中nr为折射率的实部，ni为折射率的虚部，字母i表示虚数单位。具有损耗/增益量子系统表现出特殊的简并性，称为破缺点(ep)，ep主要由材料的折射率虚部来决定，在此点上两个或多个特征值和相应的特征向量简并，光的传输将呈现出非线性增强效应，信号相对传感介质的变化变得更加灵敏，使其在高灵敏光学传感中有重要应用。

3、目前，传统微腔与波导的耦合系统需要使用复杂的光学元件进行信号的耦合和解耦，导致系统复杂、不稳定以及不易于集成；并且传统被动微腔传感器在微腔内光场耦合效率较低，所以导致传感灵敏度较低，因此传统微腔在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，通过合理调节微环腔与微盘腔的折射率虚部，使之发生pt对称破缺，利于获得更高的灵敏度；并且简化了系统结构，使系统更加紧凑、利于片上集成，极大地提高了系统的稳定性。

2、为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，包括微环腔、微盘腔、直波导和二氧化硅绝缘衬底，微环腔、微盘腔以及直波导均设置在二氧化硅绝缘衬底上，直波导设置在微环腔和微盘腔上方，直波导靠近微环腔的一端设有直波导in端口，直波导靠近微盘腔的一端设有直波导through端口。

4、一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，包括微环腔、微盘腔和二氧化硅绝缘衬底，微环腔和微盘腔均设置在二氧化硅绝缘衬底上方。

5、进一步的，所述直波导in端口输入模式光源，微环腔与微盘腔的复合腔的回音壁模式特性，复合腔内会形成三条光传播路径：第一条路径是一部分光由直波导耦合进微环腔；第二条路径是一部分继续在直波导内传输，随后耦合进微盘腔；第三条路径是一部分光直接从直波导through端口泄露出去。

6、进一步的，所述微盘腔上引入偶极子光源，微环腔与微盘腔的复合腔的回音壁模式特性，光场会在微环腔与微盘腔内耦合。

7、进一步的，所述微环腔与微盘腔耦合复合腔中引入pt对称结构。

8、进一步的，所述微环腔作为损耗腔，腔内损耗层的折射率虚部为正值。

9、进一步的，所述微盘腔作为增益腔，腔内增益层的折射率虚部为负值。

10、进一步的，所述微盘腔为量子阱材料，从而实现折射率虚部可调制。

11、进一步的，所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，微盘腔为模态场a注入增益g，微环腔为模态场b注入等量的损耗−g，在时域内考虑正弦时变场，模态场a和b服从耦合微分方程：

12、；

13、其中，为虚部单位，为耦合系数，根据公式，该方程对应于本征值方程，此时哈密顿量的矩阵可以表达为：

14、；

15、因为注入的g为等量值，增益和损耗平衡即满足pt对称的条件。

16、进一步的，所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，假设，其中i是单位矩阵，对应的特征方程和相关的特征值为：

17、；

18、和

19、；

20、在耦合系统中，pt对称性在条件下未发生破缺，两个特征值是真实存在的；当，两个特征值变为虚数，此时耦合系统已经发生了pt对称破缺；当时，耦合系统处于其二阶破缺点，在ep点两个特征值简并为。

21、本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

22、本发明提出的一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，与传统的微腔耦合系统相比，在微盘耦合微环的复合腔内引入折射率虚部调制的pt对称结构，通过注入电流给微盘腔引入增益直至系统发生pt对称破缺，合理调节微环与微盘的耦合间隔，可以提高微腔内部的光场耦合效率，利于获得更高的灵敏度；并且简化了系统结构，使系统更加紧凑、利于片上集成，极大地提高了系统的稳定性。基于这种pt激光器，由于在ep点两个或多个特征值和相应的特征向量简并，光的传输将呈现出非线性增强效应，信号相对传感介质的变化变得更加灵敏，从而可以应用于高灵敏度主动传感器。

技术特征：

1.一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：包括微环腔（1）、微盘腔（2）、直波导（3）和二氧化硅绝缘衬底（4），微环腔（1）、微盘腔（2）以及直波导（3）均设置在二氧化硅绝缘衬底（4）上，直波导（3）设置在微环腔（1）和微盘腔（2）上方，直波导（3）靠近微环腔（1）的一端设有直波导in端口（5），直波导（3）靠近微盘腔（2）的一端设有直波导through端口（6）；

2.如权利要求1所述的一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：所述微环腔（1）与微盘腔（2）耦合复合腔中引入pt对称结构。

3.如权利要求1所述的一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：所述微环腔（1）作为损耗腔，腔内损耗层的折射率虚部为正值。

4.如权利要求1所述的一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：所述微盘腔（2）作为增益腔，腔内增益层的折射率虚部为负值。

5.如权利要求1所述的一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：所述微盘腔（2）为量子阱材料，从而实现折射率虚部可调制。

6.如权利要求2所述的一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：所述微盘腔（2）和微环腔（1）组成一个有增益和损耗的耦合系统，微盘腔（2）为模态场a注入增益g，微环腔（1）为模态场b注入等量的损耗−g，在时域内考虑正弦时变场 ，模态场a和b服从耦合微分方程：

7.如权利要求2所述的一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：所述微盘腔（2）和微环腔（1）组成一个有增益和损耗的耦合系统，假设，其中i是单位矩阵，对应的特征方程和相关的特征值为：

8.一种具有pt对称调控的微盘与微环耦合复合腔，其特征在于：包括微环腔（1）、微盘腔（2）和二氧化硅绝缘衬底（4），微环腔（1）和微盘腔（2）均设置在二氧化硅绝缘衬底（4）上方；

技术总结
本申请公开了一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，包括微环腔、微盘腔、直波导和二氧化硅绝缘衬底，微环腔、微盘腔以及直波导均设置在二氧化硅绝缘衬底上，直波导设置在微环腔和微盘腔上方，直波导靠近微环腔的一端设有直波导in端口，直波导靠近微盘腔的一端设有直波导through端口。具有以下优点：通过合理调节微环腔与微盘腔的折射率虚部，使之发生PT对称破缺，利于获得更高的灵敏度；并且简化了系统结构，使系统更加紧凑、利于片上集成，极大地提高了系统的稳定性。

技术研发人员：王宇飞,李梦娜,周旭彦,张建新,王利昌,傅廷,宫凯,董风鑫
受保护的技术使用者：潍坊先进光电芯片研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16