表现出反常色散的多层光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术题为表现出反常色散的多层光学装置。本发明专利技术公开了一种光学装置，该光学装置具有第一光学层，该第一光学层具有作为波长的第一函数的第一色散响应。第二光学层具有作为波长的不同于该第一函数的函数的第二色散响应。分离层位于该第一光学层和该第二光学层之间，并且具有比该第一层和该第二层低的折射率。选择该分离层的厚度，使得该第一色散响应和该第二色散响应组合以产生关于目标波长的反常色散。该反常色散导致该光学装置响应于该目标波长处的光学输入而发射关于该目标波长的宽带相干光学输出。

【技术实现步骤摘要】
表现出反常色散的多层光学装置
技术实现思路
本公开涉及表现出所需反常色散特性的多层光学装置的设计。在一个实施方案中，光学装置具有第一光学层，该第一光学层具有作为波长的第一函数的第一色散响应。第二光学层具有作为波长的不同于该第一函数的函数的第二色散响应。分离层位于该第一光学层和该第二光学层之间，并且具有比该第一层和该第二层低的折射率。选择该分离层的厚度，使得该第一色散响应和该第二色散响应组合以产生关于目标波长的反常色散。反常色散导致光学装置响应于目标波长处的光学输入而发射输出。输出可包括关于目标波长的宽带相干光学输出和/或在大于1GHz的速度下的光学信息。在另一个实施方案中，方法涉及为光学装置的第一光学层和第二光学层选择第一材料和第二材料，该第一材料和第二材料具有作为波长的函数的不同色散响应。第一光学层和第二光学层之间形成有分离层。分离层具有比第一层和第二层低的折射率。第一材料层和第二材料层具有几何形状，该几何形状与第一材料和第二材料一起导致第一光学层和第二光学层以及分离层形成具有关于目标波长的反常色散的光学装置的异质结构。光学输入耦合到异质结构中。光学输入可包括目标波长处的光学连续波或脉冲激光。异质结构的反常色散导致关于目标波长的宽带相干光学输出信号响应于光学输入而发射。根据以下详细论述和附图，可以了解各种实施方案的这些和其他特征和方面。附图说明下面的论述参考以下附图，其中同一附图标记可用于识别多个附图中的类似/相同部件。图1是根据示例性实施方案的示出影响光学色散的模式交叉避免的示意图；图2-图3是根据示例性实施方案的光学装置的剖视图；图4-图8是示出基于图3所示的光学装置的模拟的色散特性的曲线图；图9是根据示例性实施方案的梳频率发生器的示意图；图10是示出图9中的梳频率发生器的模拟性能的示意图；图11是根据示例性实施方案的光学装置的剖视图；图12是示出基于图11所示的光学装置的模拟的色散特性的曲线图；并且图13是根据示例性实施方案的方法的流程图。具体实施方式本公开整体涉及光学装置的设计。超短光学脉冲(光学频率梳、超连续谱源等)由于其在光学计量、信息处理和最近的量子信息处理应用等方面的独特潜力而受到许多关注。在电磁波谱的紫外(UV)部分中存在分子指纹，这使得此类波长下的相干光源对于光谱应用是高度期望的。另外，在UV波长(例如，Yb+)处存在原子跃迁，这可用于在集成光子平台内使用俘获离子/原子来开发准确的原子时钟或可缩放量子计算机。此外，在对于用短光学脉冲执行的量子位初始化和逻辑门操作的量子计算中，以及在原子级之间的拉曼跃迁的使用中，已经引起了关注，这能够实现用于量子信息处理的集成光子平台。在电介质波导结构中传播的光学脉冲所经历的总色散(其导致振幅的时间扩散)是材料和波导色散效应的组合。用于生成超宽带相干光的成分是“反常”色散，这是波导或谐振器在脉冲传播时防止其扩散的特性。下文所述的装置和方法可解决克服光学材料在UV波长处通常表现出的强“正常”材料色散的问题。这通过设计分层结构来实现，该分层结构具有甚至更强的反常波导色散，该反常波导色散不只是补偿正常材料色散，从而使得可以生成和维持高强度、超短光学脉冲。反常色散对于经由到泵浦谐振器模式的边带的宽带功率传输而形成亮Kerr孤子是有用的，因为它抵消了非线性色散，并且因此使得能够保持对于有效四波混频所必需的同时能量和动量守恒的有利条件。可以基于分层波导结构的色散曲线的“避免交叉”行为来设计具有反常波导色散的装置，类似于在强耦合振荡器中观察到的能级排斥机制。在图1的简化图中示出了光学色散的避免的交叉行为。一般来讲，直线指示两个隔离光学波导中模式的色度色散的渐近行为。当两个引导件紧密靠近时，出现的耦合结构支持“超模”，其色散曲线是隔离模式色散曲线的复合形式，如图中实曲线所示。最值得注意的是，在两个隔离模式色散曲线相交的光波长λ0处，超模色散曲线表现出图中所示的所谓避免的交叉行为。这种行为可潜在地用于实现光学异质结构200(通常也称为光学装置)中的净反常色散，如图2所示。当支持具有正常色散的模式的两个普通引导层201、202紧密靠近时，耦合结构的超模具有有效折射率n(λ)。如果明智地选择异质结构的几何形状和材料组成，则可定制该有效折射率，使得在避免交叉波长λ0附近的波长带上获得大的正色散系数Dλ，从而实现所需的反常色散效应。有效地，(期望的)反常波导色散超过该波长带上的(不期望的)正常材料色散，从而使得光孤子(高强度、超短光学脉冲)能够在异质结构中积聚。异质结构200的不同层之间的相位匹配条件为系统色散工程提供了避免的交叉波长λ0的手段，该波长可通过调整合金组成和几何参数来调谐。引导层201、202之间的分离层203填充有具有不同折射率的生长相容材料，例如折射率低于引导层201、202的折射率的材料。分离层203的厚度确定带宽和分裂复合色散曲线的“排斥力”，其中较大的间隙在窄带宽上实现非常强的曲率(强水平排斥)，而较细的间隙导致较温和的曲率，但在较宽的带上。在所示的实施方案中，分离层的厚度小于目标波长，以便有利于异质结构中的两个相邻引导件之间的强耦合。具有不同群速度的两个不同层之间的耦合引起色散曲线的杂化，从而在层在所需波长处相位匹配并且在其他波长下异相的情况下提供反交叉。相位匹配的差异将为在耦合结构中使混合超模(偶超模和奇超模的色散)成形提供自由度，从而在所需光谱周围引起反常色散。群速度中的差分项在所得到的杂化模式的色散中将其自身显现为附加曲率，这在适当优化层之间的耦合区域时导致能够抑制光子波导中剩余的强正常色散的强反常色散。考虑到具有耦合和相应折射率n1、n2的两个耦合系统，奇超模的所得特征值将为其中nc＝(n1+n2)/2和nd＝(n1-n2)/2为当考虑两个耦合层时折射率的公共项和差分项。奇超模的所得色散参数将如以下方程(1)所示：当层完全相位匹配时，将其简化为耦合振荡器公式，使得nd及其导数均为零。然而，当存在相位匹配色散(这意味着层在所需目标频率处相位匹配)连同耦合项(其中附加项由操纵层之间的耦合色散的群速度差产生)时，这增加了用于适当色散工程的附加自由度，同时考虑到对制造的限制是实现合理高Q装置所必需的。该术语可通过适当选择材料参数来调整，以调整相位匹配波长。对材料的这种选择允许对光谱区域进行系统性选择，在该光谱区域周围可通过调整形成狭缝波导的层之间的耦合强度来获得反常色散。在中心频率(其中色散曲线交叉并在杂化带结构中形成反交叉的相位匹配波长)处，模式是相位匹配的，然而，它们的群速度不同，使得nd＝0，但是因此，方程(1)可在中心频率下简化，如方程(2)所示。这表明群速度失配的重要性，群速度失配的影响通过减少层之间的耦合(例如，减小高折射率层之间的耦合强度)来增强。在远离中心相位匹配频率的频率下的较强相位失配导致在其他频率下的耦合弱得多，从而使有效耦合在形成狭缝波导的层之间成形。下述实施方案可潜在地使用任何材料系统并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学装置，所述光学装置包括：/n第一光学层，所述第一光学层具有作为波长的第一函数的第一色散响应；/n第二光学层，所述第二光学层具有作为波长的不同于所述第一函数的第二函数的第二色散响应；以及/n在所述第一光学层和所述第二光学层之间的分离层，所述分离层具有比所述第一层和所述第二层低的折射率，所述分离层的厚度被选择为使得所述第一色散响应和所述第二色散响应组合以产生关于目标波长的反常色散，所述反常色散导致所述光学装置响应于所述目标波长处的光学输入而发射关于所述目标波长的宽带相干光学输出。/n

【技术特征摘要】
20200206 US 16/7836681.一种光学装置，所述光学装置包括：
第一光学层，所述第一光学层具有作为波长的第一函数的第一色散响应；
第二光学层，所述第二光学层具有作为波长的不同于所述第一函数的第二函数的第二色散响应；以及
在所述第一光学层和所述第二光学层之间的分离层，所述分离层具有比所述第一层和所述第二层低的折射率，所述分离层的厚度被选择为使得所述第一色散响应和所述第二色散响应组合以产生关于目标波长的反常色散，所述反常色散导致所述光学装置响应于所述目标波长处的光学输入而发射关于所述目标波长的宽带相干光学输出。


2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一层和所述第二层包括具有不同色散曲线的高折射率层，所述不同色散曲线在所述目标波长处相位匹配以在所述目标波长处形成避免的交叉。


3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述分离层的厚度控制所述第一层和所述第二层之间的相干耦合、调整反交叉的曲率以及异质结构中的所述反常色散的带宽。


4.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一光学层和所述第二光学层被构造成使得所述第一色散曲线和所述第二色散曲线的反交叉行为产生所述光学装置的超模，使得关于所述目标波长的所述反常色散超过关于所述目标波长的所述光学装置的正常材料色散。


5.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一光学层和所述第二光学层在所述目标波长处相位匹配，并且远离所述目标波长相位失配。


6.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述输出包括准横向电(TE)偏振。


7.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述目标波长包括介于250nm和500nm之间的波长。


8.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述宽带相干光学输出包括亮孤子频率梳。


9.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述光学装置包括环形谐振器，所述环形谐振器包括所述第一光学层和所述第二光学层以及所述分离层，并且其中所述光学输入包括连续波激光。


10.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述光学装置包括由光学脉冲激光驱动的波导。


11.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一层包含Alx1Ga1-x1-y1Iny1N，并且所述第二层包含Alx2Ga1-x2-y2Iny2N，其中x1≠x2或y1≠y2。


12.根据权利要求11所述的光学装置，其中所述分离层...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·E·多尔切，T·万德雷尔，N·M·约翰逊，
申请(专利权)人：帕洛阿尔托研究中心公司，
类型：发明
国别省市：美国;US