光频梳的产生装置、产生装置制备方法及产生方法
技术领域
本申请涉及光学频率梳，特别是涉及一种光频梳的产生装置、产生装置制备方法及产生方法。
背景技术
光学频率梳(Optical Frequency Comb，OFC)简称光频梳，是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，是一种频率上分立的等间隔光学梳齿。光频梳技术的出现，实现了光频率到微波频率的转换，让精密测量光学频率成为可能，并有助于光学原子钟的实现。
随着微纳加工技术的发展，使用光学微腔产生光频梳的技术开始占据越来越重要的地位，这种光频梳又称为微腔光频梳。然而由于传统的光频梳产生技术中，光学微腔所使用的材料通常为晶体材料，因此，光学微腔在产生光频梳的同时，还会发生拉曼散射效应，由于拉曼散射效应的影响，无法产生光频梳而是产生拉曼激光，即使产生了光频梳，也会影响光频梳的质量。
发明内容
有鉴于此，本申请的主要目的在于提供一种光频梳的产生装置，该装置可以抑制光学微腔中的拉曼散射效应，防止拉曼激光的产生，从而产生高质量的光频梳。
为了达到上述目的，本申请提出的技术方案为：
第一方面，本申请实施例提供了一种光频梳的产生装置，包括：衬底，以及衬底上生长的泵浦波导、抑制波导和光学微腔；
所述光学微腔用于产生光频梳；
所述泵浦波导位于所述光学微腔的外侧，所述泵浦波导用于向光学微腔中入射光信号；
所述抑制波导为位于所述光学微腔外侧的弧形波导，所述抑制波导与所述光学微腔在拉曼频率处具有耦合效应；所述拉曼频率为所述光学微腔发生拉曼散射效应时产生的散射光的频率。
一种可能的实施方式中，所述光学微腔与所述抑制波导相对于衬底的高度相同。
一种可能的实施方式中，所述抑制波导为与所述光学微腔同心的圆弧波导。
一种可能的实施方式中，所述抑制波导还包括延伸部分，所述延伸部分从所述圆弧波导尾端延伸出去；所述抑制波导的延伸部分远离所述光学微腔。
一种可能的实施方式中，所述延伸部分位于圆弧波导尾端的一侧或两侧。
一种可能的实施方式中，所述圆弧波导的弧度为(0°，360°)中任一度数。
第二方面，基于相同的设计构思，本申请实施例还提供一种光频梳的产生装置制备方法，包括：
在衬底上生长晶体材料薄膜；
确定所述光学微腔的尺寸和所述抑制波导的尺寸，使得所述抑制波导与所述光学微腔在拉曼频率处具有耦合效应；所述拉曼频率为，所述光学微腔发生拉曼散射效应时产生的散射光的频率；
确定所述泵浦波导的尺寸；
根据所述光学微腔的尺寸、所述泵浦波导的尺寸和所述抑制波导的尺寸，对所述晶体材料薄膜进行刻蚀，得到泵浦波导、抑制波导和光学微腔。
一种可能的实施方式中，所述确定所述光学微腔的尺寸和所述抑制波导的尺寸的步骤包括：
根据产生的光频梳的重复频率，确定光学微腔的尺寸；
根据所述光学微腔的尺寸确定所述光学微腔的传播常数；
确定所述抑制波导的尺寸，使得所述光学微腔的传播常数与所述抑制波导的传播常数之差小于事先设置的常数阈值；所述抑制波导的尺寸包括所述抑制波导的线宽与半径。
一种可能的实施方式中，所述抑制波导的为与所述光学微腔同心的圆弧波导，所述圆弧波导的弧度为(0°，360°)中任一度数。
第三方面，本申请实施例还提供一种光频梳的产生方法，包括：
向泵浦波导入射光信号，所述光信号由泵浦波导耦合到光学微腔；
所述光学微腔中的光信号中频率为拉曼频率的部分，由所述光学微腔耦合到抑制波导；所述拉曼频率为所述光学微腔发生拉曼散射效应时产生的散射光的频率；
所述光学微腔产生光频梳，并且所述光频梳由所述光学微腔耦合到所述泵浦波导，所述泵浦波导将所述光频梳输出。
综上所述，本申请通过在光频梳的产生装置中增加抑制波导，并且抑制波导与光学微腔在拉曼频率处具有耦合效应，提升光学微腔中拉曼散射效应产生的光功率阈值，抑制光学微腔中的拉曼散射效应，防止拉曼激光的产生，从而产生高质量的光频梳。
附图说明
图1为现有技术中的光频梳的产生装置的结构示意图；
图2为本申请实施例一提供的光频梳的产生装置的结构示意图；
图3为本申请实施例一提供的光频梳的产生装置中一种抑制波导的结构示意图；
图4为本申请实施例一提供的光频梳的产生装置中另一种抑制波导的结构示意图；
图5为本申请实施例二提供的光频梳的产生装置制备方法的流程示意图；
图6为在微环谐振腔中产生的色散示意图；
图7为现有技术中的光频梳的产生装置得到的光谱图；
图8为采用本申请实施例二提供的光频梳的产生装置制备方法制备的光频梳的产生装置得到的光谱图；
图9为本申请实施例三提供的光频梳的产生方法的流程示意图。
具体实施方式
与传统的光频梳的产生技术，例如钛宝石光频梳或者光纤光频梳，不同，微腔光频梳通常是使用光学微腔通过克尔效应产生的光频梳，因此，这种光频梳又称为克尔光频梳。常用的作为光频梳产生源为光学微腔，也叫光学谐振腔，通常可以包括：微环谐振腔、微球谐振腔以及微盘谐振腔。传统的光频梳产生装置一般包括光波导和光学微腔。其中，光波导为引导光波在其中传播的介质，光波导通常也由晶体材料制成。如图1所示，光波导101为泵浦波导，光波导101起到光泵浦的作用，光泵浦是利用外界光源发出的光来辐照激光工作物质以实现粒子数反转的激励装置。光信号入射光波导101后，通过光波导101和光学微腔102的耦合作用，光信号由光波导101耦合到光学微腔102。这里，图1中示例的光学微腔102为微环谐振腔，当然的，光学微腔102也可以是微球谐振腔或微盘谐振腔，使用微球谐振腔或微盘谐振腔作为光学微腔102的实现方式与原理与微环谐振腔相同。光学微腔102用于通过简并四波混频和非简并四波混频产生光频梳。得益于光学微腔102较高的品质因子Q，例如光学微腔102的品质因子Q通常大于106，光学微腔102内的光功率大大增加，显著降低了光波导101作为光泵浦所需要的光功率阈值。进一步的，光学微腔102的典型直径在几十到上百微米。因此，这种微腔光频梳具有装置尺寸小、光功率阈值低和制造成本低的优势，在精密测量、类地行星探测、气体检测等方面具有潜在的广泛应用。尤其是在微波信号产生以及微波信号处理等领域，重复频率在几十GHz左右的光频梳具有极高的应用价值。并且，由于传统的光频梳的产生技术诸如钛宝石光频梳或者光纤光频梳等，难以产生如此大重复频率的光梳，因此直接通过光学微腔产生重复频率约几十GHz左右的光梳具有十分诱人的前景。
然而，由于制造光学微腔所使用的材料通常为晶体材料，如氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、硅(Si)、氟化钙(CaF2)、氟化镁(MgF2)以及近年来新兴的薄膜铌酸锂(LiNbO3)等。在这些材料中，除了克尔效应之外，同时存在拉曼散射效应，克尔效应与拉曼散射效应在产生光频梳的过程中存在竞争。拉曼散射效应通常表现为洛伦兹线型，其典型线宽通常在百GHz量级。因此，重复频率几十GHz的微腔光梳会受到拉曼散射效应的影响，光学微腔在产生光频梳的同时，还会发生拉曼散射效应，由于竞争效应，光学微腔无法产生光频梳而是产生拉曼激光，即使产生了光频梳，也会影响光频梳的质量。
有鉴于此，为了解决传统光频梳的产生装置中拉曼散射效应与克尔效应竞争的问题，本申请通过在光频梳的产生装置中增加抑制波导，并且抑制波导与光学微腔在拉曼频率处具有耦合效应，提升光学微腔中产生拉曼散射效应的光功率阈值，抑制光学微腔中的拉曼散射效应，防止拉曼激光的产生，从而产生高质量的光频梳。通过良好的设计，在本申请实施例提供的光频梳的产生装置中，拉曼散射效应可以被显著抑制，同时，不改变泵浦波导的光功率阈值。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本申请作进一步地详细描述。
实施例一
图2为本申请实施例一提供的一种光频梳的产生装置200的结构示意图，如图2所示，该实施例主要包括：
衬底，以及衬底上生长的泵浦波导201、抑制波导203和光学微腔202。
图2为光频梳的产生装置200的俯视图，因此，衬底未显示在图中，实际上，衬底为位于泵浦波导201、抑制波导203和光学微腔202底部的一层衬底材料。衬底可以采用半导体材料，例如SiO2材料，也可以采用晶体材料，例如蓝宝石材料等。泵浦波导201、抑制波导203和光学微腔202均连接在衬底上，在衬底上生长和刻蚀得到。在一种可能的实施方式中，光频梳的产生装置200使用的衬底为Al2O3，使用的晶体材料薄膜为AlN材料，使用的保护层为SiOx。由于泵浦波导201、抑制波导203和光学微腔202是在衬底上生长和刻蚀得到的，因此，通常情况下，泵浦波导201、抑制波导203和光学微腔202相对于衬底的高度相同。但泵浦波导201、抑制波导203和光学微腔202相对于衬底的高度也可以不相同。
泵浦波导201位于光学微腔202的外侧，泵浦波导201用于向光学微腔202中入射光信号。
这里，泵浦波导201为起到光泵浦作用的光波导，泵浦波导201用于通过耦合作用向光学微腔202中入射光信号。图2中所示的泵浦波导201为直线型波导，但实际上，无需对泵浦波导201的形状做出限制，只要能够接受入射光信号，并将光信号耦合到光学微腔202中即可。
抑制波导203为位于光学微腔202外侧的弧形波导，抑制波导203与光学微腔202在拉曼频率处具有耦合效应；拉曼频率为光学微腔202发生拉曼散射效应时产生的散射光的频率。也就是说，抑制波导203为与光学微腔202在拉曼频率处具有耦合效应的光波导。
在一种可能的实施方式中，如图3所示，抑制波导203为与光学微腔202同心的圆弧波导2031。上述圆弧波导2031为与光学微腔202同心的圆弧形的波导，圆弧波导2031的弧度为(0°，360°)中任一度数，优选的圆弧波导的弧度可以为(20°，180°)中任一度数。并且，抑制波导203位于光学微腔202外侧，抑制波导203的半径大于光学微腔202的外径。抑制波导203与泵浦波导201不位于光学微腔202的同侧，抑制波导203与泵浦波导201也无需一定位于光学微腔202的对侧，抑制波导203与泵浦波导201不能互相接触。抑制波导203与泵浦波导201可以位于光学微腔202的两侧，也可以在光学微腔202的旁边并列放置。抑制波导203的线宽根据光学微腔的传播常数与抑制波导的传播常数之差确定，使得光学微腔的传播常数与抑制波导的传播常数之差尽可能趋近于0，使得抑制波导203与光学微腔202在拉曼频率处进行耦合时的功率耦合效率尽可能大。从而，通过抑制波导203与光学微腔202在拉曼频率处的耦合效应，抑制光学微腔202中的拉曼散射效应。
为了方便抑制波导203中光信号的测量，减少抑制波导203中的光信号反过来由于耦合效应影响光学微腔202中的光信号，进一步的，如图4所示，抑制波导203还包括延伸部分2032，所述延伸部分2032从圆弧波导2031尾端延伸出去；所述抑制波导203的延伸部分2032远离光学微腔202。延伸部分2032位于圆弧波导2031尾端的一侧或两侧。图4中抑制波导203的延伸部分2032有两部分，分别位于圆弧波导2031尾端的两侧。实际实施时，抑制波导203的延伸部分2032可以只包括一部分，位于圆弧波导2031尾端的任一侧。这样从光学微腔202中耦合到抑制波导203中的光信号可以沿着抑制波导203的延伸部分2032传导出去，减小对光学微腔202中的光信号的影响。
图4所示的抑制波导203的延伸部分2032沿圆弧波导2031的切线方向远离光学微腔202。在实际实施时，抑制波导203的延伸部分2032的形状无需限定，也可以是弧形，例如余弦曲线形状，只要远离光学微腔202即可。包含延伸部分2032的抑制波导203与光学微腔202形成类似于滑轮的结构，因此抑制波导203也可以成为滑轮型波导。
上述抑制波导203为圆弧波导2031和延伸部分2032组成的一根波导，仅为了方便描述各部分的形状、原理和功能，将其分开介绍。
光学微腔202用于产生光频梳。
具体的，光学微腔202通过四波混频产生光频梳。
图2中所示的光学微腔202为微环谐振腔，图2仅为示意图，在具体实施时，光频梳的产生装置200中的光学微腔202也可以是微盘谐振腔或者是微球谐振腔。并且光频梳的产生装置200中的光学微腔202的类型，不影响光频梳的产生装置200中的结构。无论光频梳的产生装置200中的光学微腔202的类型，抑制波导203均可以采用位于光学微腔202外侧的弧形波导，进一步的，可以采用与光学微腔202同心的圆弧波导。
实施例二
如图5所示，本申请实施例还提供了一种光频梳的产生装置制备方法，包括：
S501：在衬底上生长晶体材料薄膜。
可以使用任一种常用的衬底，例如半导体材料衬底、晶体材料衬底、硅衬底等，可以采用任一种常用的制备方式在衬底上生长晶体材料薄膜，例如金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、溅射生长等。可以使用任一种常用的制造光学微腔所用的晶体材料生长上述晶体材料薄膜，例如，氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、硅(Si)、氟化钙(CaF2)、氟化镁(MgF2)或薄膜铌酸锂(LiNbO3)等。
一般而言，在生长得到晶体材料薄膜之后，泵浦波导、抑制波导和光学微腔相对于衬底额高度均已确定，均等于晶体材料薄膜的厚度。
S502：确定所述光学微腔的尺寸和所述抑制波导的尺寸，使得所述抑制波导与所述光学微腔在拉曼频率处具有耦合效应；所述拉曼频率为，所述光学微腔发生拉曼散射效应时产生的散射光的频率。
具体的采用下述步骤1-步骤3确定光学微腔的尺寸和抑制波导的尺寸：
步骤1、根据产生的光频梳的重复频率，确定光学微腔的尺寸。
光学微腔的尺寸与光学微腔的结构类型有关：当光学微腔的结构类型为微环谐振腔时，光学微腔的尺寸包括微环谐振腔的外径和微环谐振腔的环宽；当光学微腔的结构类型为微球谐振腔时，光学微腔的尺寸包括微球谐振腔的半径；当光学微腔的结构类型为微盘谐振腔时，光学微腔的尺寸包括微盘谐振腔的半径。
可以利用任一种现有技术确定光学微腔的尺寸，此处不再赘述。
步骤2、根据所述光学微腔的尺寸确定所述光学微腔的传播常数。
具体的，可以采用任一种常用的计算方法，例如有限差分时域分析(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)等方法，根据所述光学微腔的尺寸确定所述光学微腔的传播常数。利用FDTD方法，根据光学微腔的尺寸、结构类型和折射率，可以得到光学微腔产生的光频梳的重复频率。这里，光学微腔的折射率是由光学微腔的材料决定的。
步骤3、确定所述抑制波导的尺寸，使得所述光学微腔的传播常数与所述抑制波导的传播常数之差小于事先设置的常数阈值；所述抑制波导的尺寸包括：所述抑制波导的线宽和所述抑制波导的半径。
为了方便描述，用Δβ表示光学微腔的传播常数与抑制波导的传播常数之差。Δβ与抑制波导的线宽和抑制波导的半径有关，抑制波导的线宽和抑制波导相对于衬底的高度，决定了抑制波导的线宽的尺寸；抑制波导的半径决定了抑制波导与光学微腔之间的空气间隙的距离。抑制波导的尺寸需要使Δβ尽可能趋近于0。示例性的，当光学微腔为微环谐振腔时，由于抑制波导和光学微腔的高度相同且等于晶体材料薄膜的厚度，微环谐振腔的半径和环宽根据光频梳确定，之后可以根据微环谐振腔的尺寸确定微环谐振腔的传播常数，由于Δβ尽可能趋近于0，因此，可以确定抑制波导的传播常数等于微环谐振腔的传播常数，之后，根据抑制波导的传播常数确定抑制波导的线宽和半径。
由于，抑制波导与光学微腔在拉曼频率耦合时的功率耦合效率正比于sinc2(Δβ·θ/2)，其中，Δβ表示光学微腔的传播常数与抑制波导的传播常数之差，θ表示抑制波导弧形的弧度，优选的，θ表示抑制波导与光学微腔同心的圆弧波导的弧度，与光学微腔同心的圆弧波导的弧度为抑制波导与光学微腔产生耦合部分的角度。
具体的，圆弧波导的弧度为(0°，360°)中任一度数，也就是说θ为(0°，360°)中任一度数。由于Δβ常远小于θ，因此，减小θ对于减小Δβ·θ/2，从而增加sinc2(Δβ·θ/2)的意义较小，因此，本申请实施例主要通过减小Δβ，使Δβ尽可能趋近于0来减小Δβ·θ/2，从而增加sinc2(Δβ·θ/2)。
由于拉曼散射效应是声子与光的相互作用，因此，光学微腔的拉曼散射效应通常产生斯托克斯光，斯托克斯光位于泵浦光信号的红移区域，上述泵浦光信号为光学微腔由泵浦波导耦合获得的光信号。因此，泵浦频率和拉曼频率之间存在差别，光学微腔与泵浦波导的耦合和光学微腔与抑制波导的耦合具有不同的相位匹配条件。其中，泵浦频率为光学微腔与泵浦波导进行耦合时，光学微腔通过耦合作用从泵浦波导中获得的单频光的光频率；拉曼频率为光学微腔发生拉曼散射效应时产生的散射光的光频率。
以光学微腔的结构类型为微环谐振腔为例，拉曼散射效应产生的光功率阈值正比于
为了降低
通过调整抑制波导的宽度和抑制波导的半径，可以使得在抑制波导与光学微腔在拉曼频率耦合时实现较好的相位匹配。同时，由于光学微腔与泵浦波导进行耦合的频率，与光学微腔发生拉曼散射效应时产生的散射光的拉曼频率之间存在差别，光学微腔与泵浦波导的耦合和光学微腔与抑制波导的耦合具有不同的相位匹配条件。抑制波导与光学微腔之间仅会在拉曼频率处具有较高的相位匹配，这样可以使抑制波导与光学微腔之间在拉曼频率处获得较高的功率耦合系数，因此光学微腔大部分由于拉曼散射效应产生的散射光均会耦合到抑制波导中，由于在拉曼散射效应产生之初，散射光耦合到了抑制波导中，因此在拉曼散射效应与克尔效应的竞争中，拉曼散射效应得到了有效的抑制，不会产生拉曼激光。而四波混频发生的光功率阈值没有受到影响，因此光学微腔由于克尔效应产生的光频梳的过程不会受到影响。并且抑制波导与光学微腔在泵浦频率处存在较大的相位失配，因此加入的抑制不到不会影响光学微腔从泵浦波导中获得的单频光的过程。
S503：确定所述泵浦波导的尺寸。
具体的，根据泵浦频率与光学微腔的尺寸，确定泵浦波导的尺寸。泵浦波导的尺寸包括：泵浦波导的线宽，以及泵浦波导和光学微腔之间的间距。这里，可以利用任一种现有技术确定泵浦波导的尺寸，此处不再赘述。
S504：根据所述光学微腔的尺寸、所述泵浦波导的尺寸和所述抑制波导的尺寸，对所述晶体材料薄膜进行刻蚀，得到泵浦波导、抑制波导和光学微腔。
具体的，可以根据光学微腔的尺寸、泵浦波导的尺寸和抑制波导的尺寸，通过电子束曝光或者光刻工艺进行图形制作，并通过感应耦合等离子体(Inductive CoupledPlasma，ICP)或者反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等方式进行图形加工。上面给出的图形制作和图形加工的方法仅为示例，不用于限制图形制作和图形加工的方法，可以采用任一种常用的图形制作和图形加工的方法进行。
在一中可能的实施方式中，在泵浦波导、抑制波导和光学微腔加工完成之后，可以沉积一层SiO2薄膜作为保护层，具体的，可以采用任一种常用的制备方式，例如等离子体增强化学气象沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)的方式，沉积SiO2薄膜。
示例性的，以在蓝宝石衬底(Al2O3)上生长氮化铝AlN薄膜，并在AlN上制作微环谐振腔、泵浦波导和抑制波导为例，详细描述光频梳的产生装置的具体设计及制备过程。
制备得到的光频梳的产生装置如图2所示，AlN薄膜厚度约为1.2微米，微环谐振腔的外径为450微米，抑制波导的线宽为2.04微米，微环谐振腔的环宽为3.5微米，微环谐振腔与抑制波导的间距为0.8微米，也就是说，抑制波导的半径为452.84微米，抑制波导的弧度为50°。光频梳的产生装置通过电子束曝光或者光刻工艺进行图形制作，并通过ICP或者RIE的方式进行图形加工，最后通过PECVD方式沉积一层SiO2薄膜作为保护层。通过增加了在光频梳的产生装置中增加抑制波导，并且抑制波导与光学微腔在拉曼频率处具有耦合效应，从而实现对微环谐振腔中拉曼散射效应的抑制。
通过仿真的方式，对上述光频梳的产生装置进行模拟，其结果如图6所示，图6表示了，在微环谐振腔中产生了反常色散，从而产生了孤子，达到了产生光频梳的必要条件。如图7中所示，在微环谐振腔中产生反常色散的情况下，没有使用抑制波导的光频梳的产生装置，也就是图1所示的仅包括微环谐振腔和光波导的光频梳的产生装置，产生了拉曼激光，也就是说，通过微环谐振腔得到的光频梳在拉曼频率处产生了斯托克斯光。使用了抑制波导的光频梳的产生装置，也就是图2所示的仅包括抑制波导、微环谐振腔和泵浦波导的光频梳的产生装置，光频梳的产生装置输出了如图8所示的光频梳。
实施例三
如图9所示，本申请实施例还提供一种光频梳的产生方法，包括：
S901：向泵浦波导入射光信号，所述光信号由泵浦波导耦合到光学微腔。
这里，入射的光信号通常为单频率的光信号。
S902：所述光学微腔中的光信号中频率为拉曼频率的部分，由所述光学微腔耦合到抑制波导；所述拉曼频率为所述光学微腔发生拉曼散射效应时产生的散射光的频率。
由于抑制波导与光学微腔在拉曼频率处存在较好的相位匹配，当光学微腔中产生拉曼散射效应时，光信号中大部分频率为拉曼频率的部分，由所述光学微腔耦合到抑制波导，光信号中其余频率部分仅会有很少的一部分耦合到抑制波导中。由于在拉曼散射效应产生之初，散射光耦合到了抑制波导中，因此在拉曼散射效应与克尔效应的竞争中，拉曼散射效应得到了有效的抑制，不会产生拉曼激光。
进一步的，在一种可能的实施方式中，在抑制波导包括与光学微腔同心的圆弧波导和圆弧波导的延伸出去的延伸部分的情况下，耦合到抑制波导中的拉曼频率部分的光信号会沿着抑制波导的延伸部分传输出去，从而降低对光学微腔中的克尔效应产生光频梳的过程的影响。
S903：所述光学微腔产生光频梳，并且所述光频梳由所述光学微腔耦合到所述泵浦波导，所述泵浦波导将所述光频梳输出。
综上所述，以上仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
