[發明專利]一種片上集成的寬帶耦合光學微腔系統及其耦合方法

有效

• 申請號: 201710874779.3
• 申請日: 2017-09-25
• 公開（公告）號: CN107508140B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 肖云峰;姜雪峰;邵林博;張樹昕;王栗;龔旗煌
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01S5/00
• 分類號: H01S5/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種片上集成的寬帶耦合光學微腔系統及其耦合方法。本發明采用制備在芯片上的非圓形光學微腔和光波導，非圓形光學微腔的微小變形使得原本只分布在圓形光學微腔邊緣中的本征態回音壁模式延伸出進入到非圓形光學微腔的內部，形成“尾巴”；激光與非圓形光學微腔內的“尾巴”相位匹配，從而激發非圓形光學微腔的激發態的回音壁模式；同樣的，非圓形光學微腔的回音壁模式能夠通過其“尾巴”，折射到光波導中；光波導實現對非圓形光學微腔中回音壁模式的有效的寬帶激發和收集，即完成了光波導和非圓形光學微腔的高效寬帶耦合；非圓形光學微腔變形微小，故不會引入大的輻射損耗，使非圓形光學微腔能夠保持高的本征品質因子(>10⁴)。

技術領域

本發明涉及微納光學，具體涉及一種片上集成的寬帶耦合光學微腔系統及其耦合方法。

背景技術

光學微腔可以在很小的體積內長時間地貯存光學能量，極大地增強光與物質的相互作用。介質表面的全內反射，發生在當光從高折射率(n₁)材料向低折射率(n₀)材料入射時，且入射角滿足θ≥arcsin(n₀/n₁)。考慮一束光在一個圓盤腔內通過在邊界連續反射傳播，圓形的旋轉對稱性會保證光線的入射角保持不變，全反射條件也會始終滿足。光線沿邊界運動一周的相位延遲必須等于2πm(m＝1,2,3...)，才能使得返回的光場與初始的光場具有相同的相位，實現穩態。因此，只有特定頻率的光才能局域在腔中，這些頻率稱為腔的共振頻率ω_m，相應的電磁場模式即為回音壁模式。這樣的圓形光學微腔稱為回音壁模式光學微腔。

把一個光波導與微盤的邊界相離放置，要想把光從波導耦合進微腔的回音壁模式，首先需要滿足相位匹配條件，也就是說，光波導中的波導模式波矢的平行分量與圓形光學微腔中回音壁模式波矢相等，這可通過調節光波導的寬度來實現。

然而，對于不同的工作波段，波導模式和回音壁模式的波矢變化是不一樣的。所以單個波導中的波導模式無法在不同光波段都和微腔中的回音壁模式相位匹配，也就無法實現光波導和圓形光學微腔的寬帶耦合。

發明內容

針對以上技術問題，本發明提出一種片上集成的寬帶耦合光學微腔系統及其耦合方法，實現片上集成的寬帶耦合。

本發明的一個目的在于提出一種片上集成的寬帶耦合光學微腔系統。

本發明的片上集成的寬帶耦合光學微腔系統包括：非圓形光學微腔、光波導和芯片；其中，非圓形光學微腔和光波導集成在芯片上，光波導與非圓形光學微腔的邊緣相切；光波導的截面為亞波長尺度；非圓形光學微腔的形狀為二維的盤狀，邊界的形狀相對于圓形具有微小的變形，用二維極坐標描述為n為自然數且1≤n≤4，a_n為系數滿足-0.1≤a_n≤0.1，φ為極角滿足0≤φ<2π，R₀為尺度參數滿足10微米≤R₀≤1000微米；變形度定義為η＝(R_max-R_min)/R_max，R_max和R_min分別為φ變化時的R(φ)的最大值和最小值，非圓形光學微腔的變形度η滿足3％≤η≤20％；激光通過光波導傳輸并折射進入非圓形光學微腔；非圓形光學微腔的微小變形使得原本只分布在圓形光學微腔邊緣中的本征態回音壁模式延伸出進入到非圓形光學微腔的內部，形成“尾巴”；激光與非圓形光學微腔內的“尾巴”相位匹配，從而有效激發非圓形光學微腔的回音壁模式；同樣的，非圓形光學微腔的回音壁模式能夠通過其“尾巴”，折射到光波導中；從而光波導實現對非圓形光學微腔中回音壁模式的有效的寬帶激發和收集，即完成了光波導和非圓形光學微腔的高效寬帶耦合。

光波導采用二氧化硅、硅、氮化硅、鈮酸鋰、氮化鋁、氮化鎵和鍺中的一種。

非圓形光學微腔采用二氧化硅、硅、氮化硅、鈮酸鋰、氮化鋁、氮化鎵和鍺中的一種。