一种基于氮化硅的光学频率梳产生器的制作方法

本实用新型涉及一种光学频率梳产生器，特别涉及一种基于氮化硅的光学频率梳产生器。

背景技术：

光学频率梳(OFC)是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。随着光通信技术的飞速发展，OFC由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注。

原理上，光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子，形象化的称之光学波段的频率梳，简称″光梳″。光梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。

迄今为止，绝大多数光学频率梳的产生均基于气体、固体以及光纤脉冲激光器，且大多数芯片的损耗较高，所以还需要放大器才可以产生光学频率梳，激光器和放大器的体积一般都较大，且售价很贵，均超过一万美元，所以尽管光学频率梳可以广泛应用于光通信、数据中心、光学检测、光谱学、医疗、量子、原子钟等领域，但光学频率梳的系统的成本大大制约了其普及。

技术实现要素：

为了解决现有技术中光学频率梳生成器损耗较高，系统复杂的问题，本实用新型提供一种低功耗的、系统简化的基于氮化硅的光学频率梳产生器。

本实用新型公开了一种基于氮化硅的光学频率梳产生器，包括：依次设置的反射镜面、增益介质、滤波器、用于产生光学频率梳的生成器及与所述的增益介质、滤波器均相连接的控制器，所述的反射镜面用于将来自泵浦源的激光进行反射，所述的增益介质用于将反射过来的激光进行放大，所述的滤波器将激光进行输出至所述的生成器，所述的生成器为氮化硅器件。

进一步地，所述的生成器包括光波导、环形谐振腔、谐振器及光学频率梳输出接口，所述的光波导用于将单模状态的激光导入到所述的环形谐振腔进行谐振，再将谐振后的激光导出到光学频率梳输出接口以输出光学频率梳，所述的谐振器控制谐振频率。

进一步地，所述的反射镜面具有高反射镀层，至少镀在所述的增益介质的一端。

进一步地，所述的增益介质采用三五族增益介质。

进一步地，所述的反射镜面和增益介质通过边缘耦合在第一芯片上，所述的滤波器和生成器通过边缘耦合在第二芯片上。

进一步地，所述的反射镜面和增益介质通过微棱镜耦合在第一芯片上，所述的滤波器和生成器通过微棱镜耦合在第二芯片上。

进一步地，所述的谐振器包括以下功能模块：

频率接收模块，用于接收用户需要的谐振频率数值；

微处理模块，用于根据所述的谐振频率数值向谐振电机驱动模块发出指令；

谐振电机驱动模块，用于根据所述的指令驱动谐振电机的运转；

谐振电机，用于按所述的谐振频率数值实现环形谐振腔的物理谐振运动。

进一步地，所述的环形谐振腔为内壁具有反射镜面的氮化硅微腔。

进一步地，所述的控制器包括以下功能单元：

激发单元，用于激发或休眠所述的增益介质；

调节单元，用于调节所述的滤波器的通光率。

进一步地，所述的控制器集成了所述的谐振器。

实施本实用新型的一种基于氮化硅的光学频率梳产生器，具有以下有益的技术效果：

区别于现有技术中光学频率梳产生器功耗大、成本较高的不足，本技术方案中的基于氮化硅的光学频率梳产生器中的生成器为氮化硅器件，氮化硅具有很宽透射光谱，并且可以做到超低损耗，氮化硅在中远红外光谱具有更长波长的透射性，氮化硅对于光也有更好的约束性，同样的光学器件可以做到更小的尺寸，并且可以做成集成芯片更符合于光电子与微电子等领域的应用，运用氮化硅芯片，可以极大的简化光学频率梳的系统复杂程度并且降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一种基于氮化硅的光学频率梳产生器的模块功能图；

图2为图1中生成器的结构功能模块图；

图3为泵浦源产生的激光波形示意图；

图4为光学频率梳产生的激光波形示意图；

图5为单模状态光学频率梳产生的激光波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5，本实用新型的实施例，一种基于氮化硅的光学频率梳产生器1，包括：依次设置的反射镜面10、增益介质20、滤波器30、用于产生光学频率梳的生成器40及与增益介质20、滤波器30均相连接的控制器50。

其中，增益介质20、滤波器30可通过SPI接口连接控制器50。

反射镜面10用于将来自泵浦源的激光进行反射；

增益介质20用于将反射过来的激光进行放大；

滤波器30将激光进行单模输出至生成器40；

光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。

本技术方案中，滤波器30的产品型号：FBG-11-23456。

增益介质20采用的产品型号可为：SAFC-1550-20-HR(光放大器)。

生成器40为氮化硅器件。

氮化硅材料具备许多优异的性能，如高熔点、高硬度、强稳定性、低膨胀系数、良导热性、强抗热震性及优良的光学性能等，氮化硅块体材料及其薄膜能广泛应用于光电子、微电子、机械加工、化学工业、太阳能电池、航空航天及集成电路等行业。

在光学性能方面，氮化硅具有很宽透射光谱，并且可以做到超低损耗，氮化硅在中远红外光谱具有更长波长的透射性，氮化硅对于光也有更好的约束性，同样的光学器件可以做到更小的尺寸，并且可以做成集成芯片更符合于光电子与微电子等领域的应用，运用氮化硅芯片，可以极大的简化光学频率梳的系统复杂程度并且降低成本。在本实用新型中，使用氮化硅做成的器件作为生成器 40的材质是较佳的选择。

生成器40包括光波导41(氮化硅材质)、环形谐振腔42(氮化硅材质)、谐振器43(氮化硅材质)及光学频率梳输出接口44(氮化硅材质)，光波导41 用于将单模状态的激光导入到环形谐振腔42进行谐振，再将谐振后的激光导出到光学频率梳输出接口44以输出光学频率梳，谐振器43控制谐振频率。

反射镜面10包括基板及涂在基板上的高反射镀层，高反射镀层至少镀在增益介质20的一端。高反射镀层可以是金属镀层，如镀银、镀锌层等，也可以是玻璃微层，基底可以是不锈钢、铝板等金属板。

增益介质20较佳地采用三五族增益介质，如：InP(磷化铟)器件、InGaAs 器件，其中，磷化铟是一种化学物质，是沥青光泽的深灰色晶体。InP(磷化铟) 器件具有半导体的特性。由金属铟和赤磷在石英管中加热反应制得。

反射镜面10和增益介质20通过边缘耦合在第一芯片上，滤波器30和生成器40通过边缘耦合在第二芯片上；或者：反射镜面10和增益介质20通过微棱镜耦合在第一芯片上，滤波器30和生成器40通过微棱镜耦合在第二芯片上。

谐振器43包括以下功能模块：

频率接收模块，用于接收用户需要的谐振频率数值；

微处理模块，用于根据谐振频率数值向谐振电机驱动模块发出指令；

谐振电机驱动模块，用于根据指令驱动谐振电机的运转；

谐振电机，用于按谐振频率数值实现环形谐振腔的物理谐振运动。

环形谐振腔42为内壁具有反射镜面的氮化硅微腔。

在本技术方案中，频率接收模块包括按键及内存，用户通过按键输入谐振频率数值，内存保存谐振频率数值，以供微处理模块调用。

微处理模块可采用型号为：AD9833 DDS的可编程微处理器模块。

谐振电机驱动模块可采用型号为：L298N的电机驱动板模块

控制器50包括以下功能单元：

激发单元，用于激发和/或休眠所述的增益介质；

调节单元，用于调节所述的滤波器的通光率。

控制器50实现方式可为：微处理器(型号：STM32F103C8T6微控制器)、与微处理器相连接的多个功能按键或功能按钮(多个激发单元和/或调节单元)，如“启动”按键按下去(相当于实现与微处理器的通电回路)，微处理器启动增益介质20及滤波器30；“停止”按键按下去(相当于实现与微处理器的断电回路)，微处理器休眠增益介质20及滤波器30；“调节”按键按下去，微处理器可调节滤波器30的光通量。

在另一实施例中，控制器50集成了谐振器43。

下面详细介绍如下：

本申请的技术方案主要涉及一种光学频率梳产生器，极大的降低了产生光学频率梳所需的能量，简化了系统结构，该光学频率梳可以用于光通信、数据中心、光学检测、光谱学、医疗、量子、原子钟等领域。

或者说，本实用新型提出了一种基于氮化硅的光学频率梳产生器，基于低损耗氮化硅的光学频率梳产生器体积小、结构简单、能耗低，并大幅降低成本。

本实用新型主要其由一个反射镜面、增益介质、集成滤波器和一个低损耗氮化硅的光芯片(生成器40)组成，该光芯片主要由环形谐振腔和光波导组成，环形谐振腔不仅提供反射，而且根据设计，由非线性效应可以产生光学频率梳。与之前的光学频率梳系统相比，此新型产生器结构简单，所需要的能耗低，所以不需要外接激光器或放大器，产生器体积小、成本低，易于集成及大规模生产。

本实用新型的光学频率梳产生器1的工作过程为：

首先，将增益介质与光芯片进行耦合；

其次，激发增益介质，并调节集成滤波器，使其得到最大通光率；

最后，接下来调节低损耗氮化硅环形谐振腔，使其开始谐振，之后调节集成电路，调节谐振状态，输出光学频率梳。

下面用光谱分析仪进行分析。

通过光谱分析仪进行测量，测量结果如图3、图4、图5所示。

随着逐渐调节谐振状态，最终得到锁模状态的光学频率梳，为了验证得到的光学频率梳为锁模状态，采用射频频谱分析仪进行测量，得到测量结果如图5 右侧所示，证明了光学频率梳为锁模状态，该光学频率梳波长为1525～1635nm，已超过100nm，通过进一步优化谐振腔的散射，可以获得更宽的光学频率梳。

实施本实用新型的一种基于氮化硅的光学频率梳产生器，具有以下有益的技术效果：

区别于现有技术中功耗大、成本较高的不足，本技术方案中的基于氮化硅的光学频率梳产生器中的生成器为氮化硅器件，氮化硅具有很宽透射光谱，并且可以做到超低损耗，氮化硅在中远红外光谱具有更长波长的透射性，氮化硅对于光也有更好的约束性，同样的光学器件可以做到更小的尺寸，并且可以做成集成芯片更符合于光电子与微电子等领域的应用，运用氮化硅芯片，可以极大的简化光学频率梳的系统复杂程度并且降低成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。