一种非线性环形谐振器和一种多波长转换器的制作方法

本发明涉及光学微腔领域，特别是涉及一种非线性环形谐振器和一种多波长转换器。

背景技术：

1、微环谐振腔凭借其将光场限制在有限区域的特性，极大地延长了光与物质的相互作用时间，在传感、非线性光学等众多领域展现出广阔的应用前景。在非线性光学领域，多波长光的相互作用是实现高效波长转换的关键。当两个或多个不同波长的光能够在微环谐振腔中同时谐振时，可显著增强非线性波长转换效率，这对于光通信、光信号处理等应用至关重要。

2、一些非线性光学材料同时具有二阶和三阶非线性(例如，铌酸锂、氮化铝等)，在微谐振腔增强的作用下会同时激发各种不同的非线性相互作用，如二次谐波产生、和频/差频、三次谐波产生、光参量振荡以及级联的非线性相互作用等。传统的透射式非线性环形腔由一条总线波导和一个微环谐振腔组成，单个耦合器输出设计可以避免多波长之间的串扰，对不同波长在腔内的品质因子即q值造成影响，但是不能同时满足多个波长同时输出。多个耦合器的设计可以同时将腔内产生的新波长光耦合下载，但是不同的耦合器对于不同的波长容易产生串扰，影响非线性转换效率。

3、如何优化环形谐振器结构，实现结构紧凑多波长产生、多波长谐振、多波长输出的光器件，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于一种非线性环形谐振器，旨在解决多种非线性相互作用同时发生时，不同波长的光可以通过不同的耦合器下载输出，各耦合器之间避免串扰，而且不需额外的滤波器即可实现多波长同时输出；

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案；

3、第一方面，本发明提供了一种非线性环形谐振器，包括环形谐振腔、第一耦合波导、第二耦合波导、第三耦合波导和第四耦合波导；

4、所述环形谐振腔作为核心部件，其几何尺寸经过精心设计，需满足多波长转换的相位匹配条件，并且采用多模光波导结构。这种设计使得环形谐振腔能够支持多种模式的光波传输，为不同波长光的相互作用提供了基础。

5、在满足多波长转换的相位匹配条件下，能有效促进多种非线性波长转换过程的发生，如二次谐波产生、三次谐波产生以及和频产生等。同时，多模光波导结构允许不同模式的光在腔内共存，进一步增加了非线性相互作用的可能性，提高了多波长转换的效率。

6、第一耦合波导与环形谐振腔相互靠近，且二者波导截面尺寸相同，共同构成对称型定向耦合器1。这种对称结构设计，使得第一耦合波导在与环形谐振腔进行光耦合时，具有独特的优势。一方面，其第一耦合波导和环形谐振腔的几何宽度满足输入泵浦光波长λ1耦合特定的折射率匹配条件，确保泵浦光能够高效地耦合进入环形谐振腔。另一方面，第一耦合波导与环形谐振腔之间的耦合长度和耦合间距可以灵活调节。当耦合长度较长时，能够增大λ1的耦合系数，使更多的泵浦光进入环形谐振腔参与非线性相互作用；而较大的耦合间距则可避免其他波长光的耦合，有效减少了不必要的干扰，保证了泵浦光耦合的准确性和稳定性。

7、第二耦合波导、第三耦合波导、第四耦合波导分别与环形谐振腔相互靠近，它们与环形谐振腔构成不同波长光输入/输出的耦合器，且这三个耦合波导的截面尺寸与环形谐振腔波导的截面尺寸均不相同，各自构成用于不同波长输出的非对称型定向耦合器2、3、4。

8、在非对称型定向耦合器2中，环内λ2的高阶模式与第二耦合波导的基本模式满足特定的折射率匹配条件，而其他波长的光不满足该耦合条件，因此不会发生耦合，从而实现了λ2光的独立输出。

9、在非对称型定向耦合器3中，环内λ3的高阶模式与第三耦合波导的基本模式满足特定的折射率匹配条件，保证λ3光的单独输出；

10、在非对称型定向耦合器4中，环内λ4的高阶模式与第四耦合波导的基本模式满足特定的折射率匹配条件，实现λ4光的独立输出。通过这种方式，4个耦合器分别只对对应波长满足耦合条件，对另外三个波长不发生耦合，有效避免了环形谐振腔中各相互作用波长之间的串扰。

11、环形谐振腔、第一耦合波导、第二耦合波导、第三耦合波导和第四耦合波导可以采用矩形波导、脊形波导、负载条形波导、金属扩散波导中的任一种形式。这些不同形式的波导具有各自的特点和优势，例如矩形波导结构简单、易于制造；脊形波导能够更好地限制光场，提高光与物质的相互作用效率；负载条形波导在特定应用场景下可实现更优的性能；金属扩散波导则在某些方面具有独特的光学特性。

12、选择不同形式的波导可以根据具体的应用需求和制造工艺进行优化，以满足不同的性能要求。

13、第一耦合波导、第二耦合波导、第三耦合波导和第四耦合波导采用薄膜铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、碳化硅中任一种材料。这些材料都具有良好的光学性能，例如薄膜铌酸锂和钽酸锂具有较高的非线性光学系数，能够有效增强非线性波长转换效率；氮化铝和碳化硅则具有良好的热稳定性和机械性能，在保证光学性能的同时，可提高器件的稳定性和可靠性。选用这些材料能够充分发挥其光学优势，提升整个非线性环形谐振器的性能。

14、第二方面，本发明提供了一种多波长转换器。该多波长转换器采用上述的非线性环形谐振器作为核心部件。通过输入一种泵浦光波长，利用非线性环形谐振器内部的非线性相互作用，可同时产生并输出另外3种不同波长的光。

15、不同波长的光通过各自独立的通道(即对应的耦合波导)输出，不需要额外的滤波器件，大大简化了多波长转换的系统结构，降低了成本，同时提高了多波长转换的效率和稳定性。

16、该多波长转换器还包括泵浦光源和耦合器。泵浦光源为整个多波长转换过程提供能量，其输出的泵浦光通过耦合器耦合进入非线性环形谐振器。耦合器采用光纤与光芯片采用端面耦合、垂直耦合任一种方式。

17、端面耦合方式简单直接，易于实现，能够在一定程度上保证光的传输效率；

18、垂直耦合方式则可以减少光在耦合过程中的损耗，提高耦合的稳定性和可靠性；

19、选择合适的耦合方式可以根据实际应用场景和系统需求进行优化，以确保泵浦光能够高效、稳定地进入非线性环形谐振器，推动多波长转换过程的顺利进行。

1.一种非线性环形谐振器，其特征在于，包括：环形谐振腔、第一耦合波导、第二耦合波导、第三耦合波导和第四耦合波导。

2.如权利要求1所述环形谐振腔，其特征在于截面尺寸满足多种非线性波长转换过程所需的能量守恒和动量守恒条件，如：二次谐波产生，其能量守恒条件要求ν2＝2ν1，动量守恒条件为βλ2＝2*βλ1；三次谐波产生，其能量守恒条件要求ν3＝3ν1，动量守恒条件为βλ3＝3*βλ1；和频产生，其能量守恒条件要求ν1+ν3＝ν4，动量守恒条件为βλ4＝βλ1+βλ3。其中νm表示环形谐振腔中相互作用波长的频率，βm表示环形谐振腔中相互作用波长的传播常数。

3.如权利要求2中环形谐振腔，其特征在于，非线性波长转换所需的能量守恒条件可以通过波导的几何色散和模式色散调控实现，即通过选择4个相互作用波长不同的空间模式以及环形谐振腔的截面尺寸，使三个非线性波长转换过程同时满足能量守恒和动量守恒条件。

4.如权利要求1所述第一耦合波导与环形谐振腔相互靠近且与环形谐振腔的截面尺寸相同，构成对称型定向耦合器1；

5.如权利要求1所述第二耦合波导与环形谐振腔相互靠近且其波导宽度小于环形谐振腔波导宽度，构成非对称型定向耦合器2；

6.如权利要求1所述第三耦合波导与环形谐振腔相互靠近且其波导宽度小于环形谐振腔波导宽度，构成非对称型定向耦合器3；

7.如权利要求1所述第四耦合波导与环形谐振腔相互靠近且其波导宽度小于环形谐振腔波导宽度，构成非对称型定向耦合器4；

8.如权利要求1所述的一种非线性环形谐振器，其特征在于，所述环形谐振腔、所述第一耦合波导、所述第二耦合波导、所述第三耦合波导和所述第四耦合波导采用矩形波导、脊形波导、负载条形波导、金属扩散波导任一种形式。

9.如权利要求1所述的一种非线性环形谐振器，其特征在于，所述第一耦合波导、所述第二耦合波导、所述第三耦合波导和所述第四耦合波导采用薄膜铌酸锂、钽酸锂、、氮化铝、碳化硅中任一种材料。

10.一种多波长转换器，其特征在于，所述多波长转换器采用如权利要求1-9中任一项所述的一种非线性环形谐振器。

11.一种多波长转换器，其特征在于，包括：泵浦光源、非线性环形谐振器、耦合器；