一种非线性光学器件制造技术

本发明专利技术提供一种非线性光学器件，包括：两个耦合系统，调控两个耦合系统之间的耦合系数，使得泵浦光在第二耦合系统内达到最大的谐振增强。工作时，从直波导输入泵浦光经过第一耦合系统耦合进入第二耦合系统，在第二耦合系统内获得极大的谐振增强，确保第二耦合系统处于一个高的能量状态。对于从直波导同一端输入的信号光，通过第一和第二耦合系统之间的耦合进入第二耦合系统的谐振腔内，在其中获得谐振增强。系统主要在第二耦合系统的谐振腔内发生非线性效应，因为在第二耦合系统的谐振腔内，泵浦光处于极大的谐振增强，整个谐振腔处于很高的能量状态，发生在其中的非线性效应强度将得到极大的提升，非线性效应的发生效率同样也将获得极大的提升。将获得极大的提升。将获得极大的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种非线性光学器件


[0001]本专利技术属于光学器件领域，更具体地，涉及一种非线性光学器件。

技术介绍

[0002]人类进入信息时代后，对通信速度和容量的要求呈指数性增长，光纤由于其成本低，损耗小，容量大等优点已经被广泛的应用于通信主干网络中。近些年来，伴随着物联网，云服务等概念的提出和实施，对通信速度和容量提出了更高的需求。为了满足日益增长的通信传输速度，波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)、光时分复用(Optical Time Division Multiplexing，OTDM)和模分复用(Mode Division Multiplexing，MDM)技术相继被提出，光纤通信系统的速度和容量得到了很大提升，而目前基于数字电子交换技术的通信系统已逼近电子器件的处理极限，光
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光技术带来的通信瓶颈严重制约通信系统的发展。全光通信网络，数据的传输、交换和处理都是在光域进行，避免了光
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光模式带来的电子瓶颈，从而受到了越来越多的关注。另一方面，由于半导体加工工艺的发展和成熟，集成光学器件具有尺寸小、成本低、带宽大、稳定性好等特点，光电子技术正向光电子集成方向发展。将光电子集成常用的微纳光学波导和非线性光学结合起来，更是在全光通信网络方面，展现出了独特的优势。利用微纳波导中的光学非线性效应，可以实现信号的放大、波长转换等功能。
[0003]2003年R.Claps等首次在实验中证实了可以利用硅波导中的受激拉曼散射现象实现光放大和激光器。2005年R.Jones等实现了增益为3dB的连续光拉曼放大。
[0004]2005年H.Fukuda等人证实利用四波混频(Four
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Wave Mixing，FWM)过程可以在硅波导中实现高速全光波长转换，而且可以通过设计环形谐振腔来提高波长转换效率。随后Yamada等人为了提高效率，采用了带有模斑转换器的硅波导进行波长转换，转环效率提高到了
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10.6dB。使用SOI硅基波导结构的全光波长转换器虽然结构简单，但是通常需要较大的泵浦光功率和较长的作用长度，使得器件在毫米量级，这样十分不利于器件的集成，也不满足低功耗的要求。
[0005]2007年P.Del
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Hayel等利用Q值高达108的微环中的谐振增强效应实现了光参量振荡。之后Cornell大学的Lipson课题组为了进一步提高FWM的转换效率并且降低泵浦功率，引入了高Q值的微环，利用Si3N4微环实现了只需要几mW的超低输入功率的高效率的参量振荡。而Alessia Pasquazi等利用微环四波混频效应如图1所示，有效地实现了2.5Gbit/s波长转换。
[0006]2015年F.Morichetti等人利用八环耦合腔光波导中的行波谐振四波混频，如图2所示，实现了在80GHz带宽和12dBm泵浦注入条件下，相比与单个微环效率提高16dB的波长转换，但是这种结构对相邻两环之间的耦合系数很敏感，所以引入了八个加热器控制耦合系数，增加了系统的复杂度。
[0007]2018年M.Zhang等人使用并联微环谐振腔结构如图3所示，在25GHz带宽和10dBm泵浦注入条件下，实现了相比单环结构效率高15dB的波长转换。该结构能实现宽、窄带宽交替
出现的传输特性如图4所示，对泵浦光波长能实现窄带宽的谐振波长，对信号光波长实现宽带宽谐振波长，能在保证信号带宽较宽的同时，提高波长转换效率。但该结构由于是3个微环的并联实现，不存在微环间的耦合，微环内的非线性效应强度并未得到较大提升。
[0008]从现有的技术来看：
[0009]1.使用硅基光波导实现非线性效应，带宽取决于材料，无其他限制，但需要很大的器件尺寸和输入功率。因此，其不但效率低下，而且不利于集成。
[0010]2.使用谐振腔实现非线性效应，很好的利用了谐振腔的谐振增强效应，降低了所需的输入功率，提高了非线性效应的发生效率。为了较为明显的提高非线性效应的发生效率，就需要使用高Q值的谐振腔，但高Q值谐振腔中存在严重的带宽限制，因此其实用性不强。
[0011]3.使用多谐振腔串联实现非线性效应，在保证非线性效应发生效率的情况下，对器件带宽实现了很大的展宽。但对于多谐振腔串联结构，对于参数的灵敏度过高，因此对加工工艺有着极高的要求，除此以外，其热稳定性很差。
[0012]4.使用谐振腔并联结构实现非线性效应，能够实现器件的大带宽，但系统的非线性效应的发生效率并不太高，且存在一个明显的带宽上限。

技术实现思路

[0013]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种非线性光学器件，旨在解决现有技术中使用谐振腔做非线性效应发生装置时非线性效率和器件带宽之间制约的问题。
[0014]为实现上述目的，本专利技术提供了一种非线性光学器件，包括：第一耦合系统和第二耦合系统；
[0015]所述第一耦合系统包括：一根直波导和至少一个第一微环谐振腔；
[0016]所述第二耦合系统包括：一个第二微环谐振腔；所述第二微环谐振腔的周长是第一微环谐振腔周长的N倍，N为整数且N大于1；
[0017]所述直波导传输的光信号与所述至少一个第一微环谐振腔中的第一个第一微环谐振腔耦合，当所述至少一个第一微环谐振腔包括两个或两个以上的第一微环谐振腔时，每一个第一微环谐振腔仅与上一个第一微环谐振腔传输的光信号发生耦合；所述耦合为前一个部件传输的光信号耦合传输到下一个部件；
[0018]最后一个第一微环谐振腔传输的光信号与所述第二微环谐振腔耦合，经所述第二微环谐振腔传输后输出；所述光信号包括泵浦光和信号光；
[0019]控制第一耦合系统和第二耦合系统的参数，使得所述光学器件处于过耦合靠近临界耦合状态；所述临界耦合状态为泵浦光经所述直波导的一端入射后，不从直波导的另一端出射，全部留在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内；当所述光学器件处于临界耦合状态时，第二耦合系统在自身谐振频率处为第一耦合系统引入π相移，泵浦光在第一谐振系统发生微弱谐振，经过第二耦合系统谐振增强；
[0020]控制第一微环谐振腔数目和光学器件的过耦合程度使得第一耦合系统的带宽大于入射的信号光的带宽，防止信号光在第一耦合系统畸变；所述第二微环谐振腔的周长是第一微环谐振腔周长的N倍，使得第一耦合系统和第二耦合系统存在若干个相同的谐振频率，在相同的谐振频率处光学器件处于过耦合靠近临界耦合状态，信号光在第二耦合系统
谐振峰处产生轻微频率劈裂，使得第二耦合系统谐振峰的半高全宽增宽，信号光无畸变进入第二耦合系统；所述泵浦光和信号光在第二耦合系统发生非线性效应。
[0021]在一个可选的示例中，所述信号光的中心波长在第二耦合系统中所对应的谐振峰的带宽大于泵浦光中心波长在第二耦合系统中所对应的谐振峰的带宽。
[0022]在一个可选的示例中，所述第一微环谐振腔和第二微环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非线性光学器件，其特征在于，包括：第一耦合系统和第二耦合系统；所述第一耦合系统包括：一根直波导和至少一个第一微环谐振腔；所述第二耦合系统包括：一个第二微环谐振腔；所述第二微环谐振腔的周长是第一微环谐振腔周长的N倍，N为整数且N大于1；所述直波导传输的光信号与所述至少一个第一微环谐振腔中的第一个第一微环谐振腔耦合，当所述至少一个第一微环谐振腔包括两个或两个以上的第一微环谐振腔时，每一个第一微环谐振腔仅与上一个第一微环谐振腔传输的光信号发生耦合；所述耦合为前一个部件传输的光信号耦合传输到下一个部件；最后一个第一微环谐振腔传输的光信号与所述第二微环谐振腔耦合，经所述第二微环谐振腔传输后输出；所述光信号包括泵浦光和信号光；控制第一耦合系统和第二耦合系统的参数，使得所述光学器件处于过耦合靠近临界耦合状态；所述临界耦合状态为泵浦光经所述直波导的一端入射后，不从直波导的另一端出射，全部留在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内；当所述光学器件处于过耦合靠近临界耦合状态时，第二耦合系统在自身谐振频率处为第一耦合系统引入π相移，泵浦光在第一谐振系统发生微弱谐振，经过第二耦合系统谐振增强；控制第一微环谐振腔数目和光学器件的过耦合程度使得第一耦合系统的带宽大于入射的信号光的带宽，防止信号光在第一耦合系统畸变；所述第二微环谐振腔的周长是第一微环谐振腔周长的N倍，使得第一耦合系统和第二耦合系统存在若干个相同的谐振频率，在相同的谐振频率处光学器件处于过耦合靠近临界耦合状态，信号光在第二耦合系统谐振峰处产生轻微频率劈裂，使得第二耦合系统谐振峰的半高全宽增宽，信号光无畸变进入第二耦合系统；所述泵浦光和信号光在第二耦合系统发生非线性效应。2.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐竞，李行航，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：