一种光控太赫兹双微环回音壁模式耦合系统及相位延时调制方法

本发明涉及太赫兹信号调制及集成光子器件领域，具体涉及一种光控太赫兹双微环回音壁模式耦合系统及利用光生载流子效应实现传输相位和群延时动态调制的方法。

背景技术：

1、太赫兹波（0.1-10 thz）作为衔接微波与红外的重要频段，在高速通信、无损成像、光谱分析以及雷达感知等领域具有广泛应用。随着太赫兹系统由单一的发射和探测向片上集成、可重构传输与复杂信号处理发展，除传输幅度外，对太赫兹信号相位、色散和传播时间进行主动控制逐渐成为系统级应用中的关键需求。

2、回音壁模式微环谐振器具有较高品质因数和较强电磁场局域能力，可通过直波导与微环之间的倏逝场耦合实现频率选择、滤波和相位响应调节。现有单微环光控方案通常通过光生载流子改变微环损耗，使器件在过耦合、临界耦合和欠耦合状态之间变化，能够获得较大的幅度调制深度；但该类方案的幅度和相位响应通常同时发生明显变化，当需要在低附加损耗条件下独立调节相位或群延时时受到限制。

3、采用两个谐振单元形成耦合谐振体系，可利用不同谐振通道之间的能量交换和相干干涉改变传输谱及相位色散。当两个微环的谐振频率相互接近时，耦合体系能够形成双谐振及中间干涉区域，使传输幅度和相位对耦合强度、固有损耗等参数具有不同的敏感性。因此，通过选择性调节其中一个微环的损耗，有可能在不显著改变直通传输幅度的情况下改变传输相位斜率和群延时，为低损耗太赫兹相位调制和可调延迟提供新的实现途径。

4、光电导调控利用泵浦光在半导体材料中产生光生载流子，可在不引入片上电极和加热器的情况下快速改变材料电导率及太赫兹吸收损耗，具有非接触、结构简单和易于局域调控等特点。然而，如何将光电导调控与片上双微环耦合谐振结构结合，并使泵浦主要作用于一个谐振单元，从而利用可控损耗重构耦合干涉相位和群延时，同时保持传输幅度近似稳定，仍需相应的器件结构、耦合关系及调控方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光控太赫兹双微环回音壁模式耦合系统及相位延时调制方法，通过对双微环中的一个微环进行选择性光泵浦，在保持器件几何耦合关系不变的条件下连续改变其固有损耗，利用双微环模式干涉实现太赫兹信号传输相位和群延时的主动重构。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种光控太赫兹双微环回音壁模式耦合系统，包括：

3、双微环回音壁模式波导芯片，集成于同一衬底上，包括第一回音壁模式微环、第二回音壁模式微环、直波导以及分别位于直波导两端的第一锥型耦合波导和第二锥型耦合波导；第一回音壁模式微环和第二回音壁模式微环均位于直波导的同一侧，第二回音壁模式微环靠近直波导并与直波导发生倏逝波能量交换，第一回音壁模式微环位于第二回音壁模式微环的远离直波导的一侧，并通过微环间倏逝场与第二回音壁模式微环耦合；

4、固态激光源，其光纤出光端定位于第一回音壁模式微环的上方，使泵浦光主要照射第一回音壁模式微环上位于远离第二回音壁模式微环耦合区域一侧的环形波导局部区域，以减少对第二回音壁模式微环和直波导的直接照射；泵浦光通过光生载流子效应改变第一回音壁模式微环的等效电导率与固有损耗，在直波导与微环的几何耦合间距保持不变的条件下，动态调节双微环耦合系统的复传输响应。

5、进一步的，所述衬底、第一回音壁模式微环、第二回音壁模式微环、直波导以及第一锥型耦合波导和第二锥型耦合波导均采用高阻硅材料制备，并通过深硅刻蚀工艺在同一硅片上一体成型。

6、进一步的，所述第一锥型耦合波导和第二锥型耦合波导由芯片内部波导宽度逐渐过渡至外侧尖端，用于插入标准矩形波导中完成模式转换。

7、进一步的，所述第一回音壁模式微环的半径大于第二回音壁模式微环的半径，且直波导、第一回音壁模式微环和第二回音壁模式微环的波导宽度相等、脊高相等，使三个波导结构具有相匹配的模式有效折射率。

8、进一步的，第二回音壁模式微环与直波导之间设有第一耦合间距g1，第一回音壁模式微环与第二回音壁模式微环之间设有第二耦合间距g2；通过分别设置g1和g2，使第二回音壁模式微环形成与直波导直接耦合的谐振通道，并使第一回音壁模式微环形成经第二回音壁模式微环间接耦合的谐振通道。

9、进一步的，通过设置第一回音壁模式微环和第二回音壁模式微环的半径以及第一耦合间距和第二耦合间距，使第一回音壁模式微环和第二回音壁模式微环的至少一组回音壁模式谐振频率相互接近，并在该频率范围内产生由模式耦合和干涉形成的双谐振传输响应及位于双谐振之间的干涉中心。

10、进一步的，固态激光源产生的泵浦光在高阻硅中激发电子-空穴对，使第一回音壁模式微环的等效电导率随光生载流子浓度增加而增大，等效电导率σ与光生载流子浓度δn的关系满足σ=qδn(μe+μh)，其中q为电荷量，δn为光生电子浓度和光生空穴浓度，且光生电子浓度与光生空穴浓度相等，μe和μh分别为电子迁移率与空穴迁移率。

11、进一步的，通过连续调节固态激光源的输出功率，使第一回音壁模式微环的固有损耗连续变化，而第一耦合间距g1、第二耦合间距g2以及由几何结构决定的耦合强度保持不变或近似不变，由此连续改变第一回音壁模式微环和第二回音壁模式微环的谐振通道之间的干涉关系。进一步的，在双谐振之间的干涉中心附近，随泵浦功率变化，第二锥型耦合波导输出太赫兹信号的传输幅度保持在预设变化范围内，而传输相位斜率及群延时发生连续变化；群延时τg由传输相位φ相对于角频率ω的变化率确定，满足τg=-dφ/dω。

12、一种太赫兹信号相位延时调制方法，基于所述的光控太赫兹双微环回音壁模式耦合系统，该方法包括：

13、向第一锥型耦合波导输入太赫兹信号，使太赫兹信号经直波导耦合进入第二回音壁模式微环，并进一步耦合进入第一回音壁模式微环，在第一回音壁模式微环和第二回音壁模式微环谐振频率接近的频率范围内形成耦合谐振干涉响应；

14、控制固态激光源输出泵浦光，选择性照射第一回音壁模式微环，利用光生载流子改变第一回音壁模式微环的固有损耗；

15、调节泵浦光功率以改变双微环谐振通道之间的干涉关系，在保持干涉中心传输幅度近似稳定的条件下重构传输相位频率响应；

16、由第二锥型耦合波导输出经调控后的太赫兹信号，实现相位调制、群延时调节、色散控制、可调滤波中的至少一种功能。

17、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

18、1）实现了低附加幅度损耗条件下的相位调控：利用双微环耦合产生的干涉中心，使输出幅度与相位对受泵浦微环损耗具有不同敏感性；在泵浦功率变化时，可使干涉中心的传输幅度仅发生较小变化，而相位频率响应和相位斜率发生明显重构，克服单一吸收调制中幅度损耗与相位变化同步增强的问题。

19、2）实现了群延时的连续可重构调节：群延时由传输相位对角频率的导数决定，本发明通过调节一个微环的固有损耗连续改变双微环模式干涉，从而无需改变器件几何尺寸即可在同一芯片上实现由较大正群延时向较小群延时的连续调节，可用于片上太赫兹延迟和色散控制。

20、3）实现了选择性光泵浦与耦合谐振调控的结合：泵浦光纤定位于远离微环间耦合区的一侧，仅对第一回音壁模式微环的局部环形波导进行照射，能够减小泵浦对第二回音壁模式微环及直波导的直接影响；同时利用高阻硅光生载流子效应改变被泵浦微环损耗，无需在芯片上增加电极、加热器或机械执行结构。

21、4）保证了器件的片上集成和系统兼容性：两个回音壁模式微环、直波导和锥型耦合波导可在同一高阻硅衬底上一体加工；第一锥型耦合波导和第二锥型耦合波导能够与wr系列矩形波导对接，光纤可通过封装外壳定位孔固定于微环上方，从而形成结构紧凑、易于封装并可与现有太赫兹矢量网络分析及系统平台连接的功能器件。