基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法

1.本发明属于集成光学、半导体物理与微波光子学的交叉学科领域，具体是指一种通过偏置电压改变二维层状材料自由载流子浓度、调节芯片集成微腔折射率、补偿光场损耗发热引起的折射率变化、实现微腔谐振频率锁定的方法，尤其涉及一种基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.芯片集成光路可用于构建光通信系统、光计算系统、光学相控阵和微波光子信号处理系统等光电信息系统，与传统自由空间光路和全光纤光路相比具有体积小、功耗低、成本低、易集成、性能较稳定、可批量生产等诸多优势。芯片集成光电信息系统综合性能高度取决于各分立器件性能，由一系列有源器件和无源器件组成，常见有源器件包括微型激光器、纳米线探测器、光学调制器、可调谐滤波器、可调谐衰减器等；常见无源器件包括定向耦合器、光学分束器、波分复用器、偏振分束器等。
3.芯片集成微腔是一种广泛采用的、为光场提供谐振反馈的微纳结构，既能实现波分复用、带通滤波、带阻滤波、强度调制、光学开关等线性光学功能，也可实现光学参量震荡、光学频率梳、波长转换、多点广播等非线性光学功能。需要注意的是，微腔对谐振光场的损耗吸收会将光能转化为热能，热致折射率变化将引起微腔谐振频率偏移，使得频率等于微腔本征频率(无光条件下的谐振频率)的光场发生失谐。现阶段主要通过两种技术方案解决上述问题：一是调整光场频率直至微腔热量积聚速度和耗散速度达到动态平衡，二是通过芯片集成加热器加热微腔，直至微腔热量积聚速度和耗散速度达到动态平衡；以上两种方法锁定的微腔谐振频率通常失谐于本征频率，控制难度较大且不具备普适性。


技术实现要素：

4.基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何通过标准工艺流程制备芯片集成微腔、二维层状材料镀层和外接电极，加载偏置电压改变镀层自由载流子浓度并通过自由载流子致折射率增大补偿热致折射率减小，实时监测信号光场功率并反馈偏置电压直至达到动态平衡，此时芯片集成微腔谐振频率长时稳定锁定在本征频率上。
5.为了达到上述效果，本发明提供的基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法，包括：
6.步骤一、制备微腔，通过标准工艺流程制备芯片集成微腔，将二维层状材料镀层无损转移至微腔表面并实现镀层与波导表面的有效贴合，通过化学气相沉积生长外接电极；
7.步骤二、电控折射率变化，通过偏置电压在二维层状材料镀层内产生自由载流子；
8.步骤三、锁定微腔谐振频率，通过自由载流子致折射率增大补偿热致折射率减小，通过信号功率监测确定动态平衡对应的偏置电压，实现微腔谐振频率长时间锁定。
9.优选的，上述步骤一制备芯片集成微腔，微腔波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低、微腔长度需根据横截面结构优化设计获得所需自由光谱范围、微腔排布需优化
设计使二维层状材料尽可能精准覆盖。
10.优选的，上述方法通过化学气相沉积方法将二维层状材料无损转移至波导表面并形成镀层结构，镀层厚度需优化设计使单位电压产生的自由载流子浓度最大、耗散时间最短，镀层可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面。
11.优选的，上述方法通过化学气相沉积方法在二维层状材料上生长外接电极，电极位置需使单位电压产生的自由载流子浓度最大，电极结构参数需优化设计以降低发热量。
12.优选的，上述方法将信号光场耦合进入微腔，调节偏置电压直至微腔谐振频率锁定于锁定本征频率，监测输出功率并将负反馈信号传递给控制电路，使微腔能在一定程度上自动锁定谐振频率。
13.优选的，上述方法通过偏置电压改变二维层状材料镀层自由载流子浓度，使自由载流子致折射率变化动态平衡于热致折射率变化，通过功率监测反馈偏置电压，在有信号光场的情况下将微腔谐振频率自动锁定于本征频率。
14.优选的，上述方法电控微腔谐振频率锁定方法，输入芯片集成微腔的信号光场频率等于微腔本征频率，实现频率锁定时微腔谐振频率也等于本征频率。
15.优选的，上述方法以偏置电压为自由度可以调节镀层自由载流子致折射率变化，与净累积热致折射率变化达到动态平衡，根据输出功率自动调节偏置电压，在一定温度变化下自动建立并维持锁频状态。
16.一种实现如上述基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法的系统，包括芯片集成微腔，由二氧化硅衬底、载波直波导和微环构成，载波直波导和微环上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料镀层，外接电极生长于镀层表面，微腔波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低、微腔长度需根据横截面结构优化设计获得所需自由光谱范围、微腔排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖；通过化学气相沉积方法将二维层状材料无损转移至波导表面并形成镀层结构；通过化学气相沉积方法在二维层状材料上生长外接电极，电极位置需使单位电压产生的自由载流子浓度最大，电极结构参数需优化设计以降低发热量；将信号光场耦合进入微腔，调节偏置电压直至微腔谐振频率锁定于锁定本征频率，监测输出功率并将负反馈信号传递给控制电路，使微腔能在一定程度上自动锁定谐振频率；
17.还包括：
18.电控折射率变化模块，通过偏置电压在二维层状材料镀层内产生自由载流子；
19.锁定微腔谐振频率模块，通过自由载流子致折射率增大补偿热致折射率减小，通过信号功率监测确定动态平衡对应的偏置电压，实现微腔谐振频率长时间锁定。
20.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
21.与现有技术相比，本发明提供了一种全新的光频梳产生方法，通过偏置电压改变二维层状材料镀层自由载流子浓度，使自由载流子致折射率变化动态平衡于热致折射率变化，通过功率监测反馈偏置电压，在有信号光场的情况下将微腔谐振频率自动锁定于本征频率。本发明毋须调谐信号光场，且自由载流子-热量形成的负反馈补偿机制具有芯片集成加热器更强的操作稳定度，具有较强的实用性和普适性，可为高稳定性微腔系统提供全新技术思路。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1示出了本发明基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频原理示意图。
具体实施方式
24.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
25.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
26.本发明提供一种基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法的实施例，包括：
27.步骤一、制备微腔，通过标准工艺流程制备芯片集成微腔，将二维层状材料镀层无损转移至微腔表面并实现镀层与波导表面的有效贴合，通过化学气相沉积生长外接电极；
28.步骤二、电控折射率变化，通过偏置电压在二维层状材料镀层内产生自由载流子；
29.步骤三、锁定微腔谐振频率，通过自由载流子致折射率增大补偿热致折射率减小，通过信号功率监测确定动态平衡对应的偏置电压，实现微腔谐振频率长时间锁定。
30.在一些实施例中，步骤一制备芯片集成微腔，微腔波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低、微腔长度需根据横截面结构优化设计获得所需自由光谱范围、微腔排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖。
31.在一些实施例中，通过化学气相沉积方法将二维层状材料无损转移至波导表面并形成镀层结构，镀层厚度需优化设计使单位电压产生的自由载流子浓度最大、耗散时间最短，镀层可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面。
32.在一些实施例中，通过化学气相沉积方法在二维层状材料上生长外接电极，电极位置需使单位电压产生的自由载流子浓度最大，电极结构参数需优化设计以降低发热量。
33.在一些实施例中，将信号光场耦合进入微腔，调节偏置电压直至微腔谐振频率锁定于锁定本征频率，监测输出功率并将负反馈信号传递给控制电路，使微腔能在一定程度上自动锁定谐振频率。
34.在一些实施例中，通过偏置电压改变二维层状材料镀层自由载流子浓度，使自由载流子致折射率变化动态平衡于热致折射率变化，通过功率监测反馈偏置电压，在有信号光场的情况下将微腔谐振频率自动锁定于本征频率。
35.在一些实施例中，电控微腔谐振频率锁定方法，输入芯片集成微腔的信号光场频率等于微腔本征频率，实现频率锁定时微腔谐振频率也等于本征频率。
36.在一些实施例中，以偏置电压为自由度可以调节镀层自由载流子致折射率变化，与净累积热致折射率变化达到动态平衡，根据输出功率自动调节偏置电压，在一定温度变化下自动建立并维持锁频状态。
37.本发明提供一种实现上述基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法的系统的实施例，包括芯片集成微腔，由二氧化硅衬底、载波直波导和微环构成，载波直波导和微环上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料镀层，外接电极生长于镀层表面，微腔波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低、微腔长度需根据横截面结构优化设计获得所需自由光谱范围、微腔排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖；通过化学气相沉积方法将二维层状材料无损转移至波导表面并形成镀层结构；通过化学气相沉积方法在二维层状材料上生长外接电极，电极位置需使单位电压产生的自由载流子浓度最大，电极结构参数需优化设计以降低发热量；将信号光场耦合进入微腔，调节偏置电压直至微腔谐振频率锁定于锁定本征频率，监测输出功率并将负反馈信号传递给控制电路，使微腔能在一定程度上自动锁定谐振频率；
38.还包括：
39.电控折射率变化模块，通过偏置电压在二维层状材料镀层内产生自由载流子；
40.锁定微腔谐振频率模块，通过自由载流子致折射率增大补偿热致折射率减小，通过信号功率监测确定动态平衡对应的偏置电压，实现微腔谐振频率长时间锁定。
41.如图1所示，本发明提供一种依托于绝缘体上硅制备工艺的、基于二硫化钼二维层状材料镀层的微腔电控锁频原理实施例。微腔由二氧化硅衬底、载波直波导和微环构成，载波直波导和微环上表面覆盖有二硫化钼二维层状材料镀层，外接电极生长于镀层表面；信号光场经载波直波导传输并通过倏逝波耦合进入微环；当信号光场频率等于微环谐振频率(即满足谐振条件)时，信号光场将在微环内以最大概率反复渡越；微环吸收信号光场、热量积聚导致微环折射率减小、微环谐振频率开始向低频方向漂移；通过偏置电压可在二维层状材料镀层内产生自由载流子，自由载流子积聚导致微环波导折射率增大并使微环谐振频率向高频方向漂移；通过功率计监测载波直波导输出功率即可判断谐振条件(输出功率最低值对应谐振条件)并将反馈信号传递给控制电路并改变偏置电压；当自由载流子至折射率变化与热致折射率变化建立动态平衡时，微环谐振频率锁定于本征频率，信号光场时钟能以最大概率在微环内反复渡越并能在环境微变情况下(通过负反馈调节偏置电压)仍能稳定保持谐振条件。
42.本发明提供一种基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法的实施例，包括：
43.s101、制备芯片集成微腔，微腔波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低、微腔长度需根据横截面结构优化设计获得所需自由光谱范围、微腔排布需优化设计使二维层状材料尽可能精准覆盖；
44.s102、通过化学气相沉积方法将二维层状材料无损转移至波导表面并形成镀层结构，镀层厚度需优化设计使单位电压产生的自由载流子浓度最大、耗散时间最短，镀层可紧密贴合波导上表面和侧表面也可仅仅贴合上表面；
45.s103、通过化学气相沉积方法在二维层状材料上生长外接电极，电极位置需使单
位电压产生的自由载流子浓度最大，电极结构参数需优化设计以降低发热量；
46.s104、将信号光场(原始频率与微腔本征频率相同)耦合进入微腔，调节偏置电压直至微腔谐振频率锁定于锁定本征频率，监测输出功率并将负反馈信号传递给控制电路，使微腔能在一定程度上自动锁定谐振频率。
47.本发明提供了一种基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法的实施例，通过偏置电压改变二维层状材料镀层自由载流子浓度，使自由载流子致折射率变化动态平衡于热致折射率变化，通过功率监测反馈偏置电压，在有信号光场的情况下将微腔谐振频率自动锁定于本征频率。本发明毋须调谐信号光场，且自由载流子-热量形成的负反馈补偿机制具有芯片集成加热器更强的操作稳定度，具有较强的实用性和普适性，可为高稳定性微腔系统提供全新技术思路。。
48.在一些实施例中，二维层状材料镀层，能够通过生长工艺控制结构参数、能够通过标准工艺无损转移至芯片集成波导表面并实现紧密贴合、能够产生光电效应在光场作用下产生自由载流子(直接带隙)、能够以晶体结构和层状厚度为自由度精确调控电光参数，镀层材料包括但不限于石墨烯和二硫化钼等过渡金属硫化物。
49.在一些实施例中，芯片集成微腔，能够通过芯片集成光路标准工艺制备、具有结构设计自由度、能够支持满足谐振条件的光场反复渡越、能够感应到自由载流子致折射率变化、能够感应到热致折射率变化，芯片集成微腔结构包括但不限于微环腔、回音壁微碟腔、光子晶体慢光微腔、法布里-珀罗腔等，所用材料包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、高折射率石英、三五族铝镓砷、三五族磷化铟、铌酸锂等，既可采用单一材料集成方法，也可采用多材料混合集成方法。
50.在一些实施例中，电控微腔谐振频率锁定方法，输入芯片集成微腔的信号光场频率等于微腔本征频率，实现频率锁定时微腔谐振频率也等于本征频率；以偏置电压为自由度可以调节镀层自由载流子致折射率变化，与净累积(累积热量与耗散热量的差值)热致折射率变化达到动态平衡，能够根据输出功率(或光谱形状)自动调节偏置电压，在一定温度变化下能够自动建立并维持锁频状态，不限定外接电极结构和尺寸参数，不限定输出功率-偏置电压的反馈闭环系统结构；另外，将偏置电压直接加在含镀层微腔上、通过自由载流子致折射率增大和热致折射率减少实现电控锁频也属于本发明权利要求范围内。
51.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
52.首先，本发明为芯片集成微腔谐振频率锁定提供了一种可行、间接、普适的全新方法，能够将微腔谐振频率锁定于无光条件下的本征频率，能够通过调整辐射光场强度满足不同信号光场谐振条件，变传统“信号光场适应微腔”思路为“微腔适应信号光场”，更具实用价值；
53.其次，本发明输出功率和偏置电压之间的负反馈闭环使得微腔在一定温度波动下能够自动建立并维持锁频状态；
54.此外，本发明能够提升各种包含微腔结构的芯片集成光子器件可靠性与稳定性，设计理念有望在全光通信、光学传感、光学计量、光电探测等多个领域得到广泛应用。
55.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
56.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序
产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
57.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
58.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
59.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
60.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
61.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
62.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
63.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
64.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要
素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
65.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
66.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。