谐振器系统、可调谐激光器及谐振器系统的控制方法与流程

1.本发明涉及谐振器技术领域，尤其涉及一种谐振器系统、可调谐激光器及谐振器系统的控制方法。


背景技术：

2.基于游标效应的微环谐振器，是由两个或多个具有不同自由光谱范围的子微环谐振器组成，其自由光谱范围是两个或多个子微环谐振器自由光谱范围的最小公倍数。微环谐振器使得自由光谱范围得以扩大，适用于对宽光谱、高灵敏度有要求的一些应用，例如可调谐激光器、可调滤波器、高灵敏度传感器。
3.图1为现有技术一种基于游标效应的可调微环谐振器的示意图。第一级微环谐振器和第二级微环谐振器级联在一起形成游标微环谐振器，第一级微环谐振器和第二级微环谐振器的尺寸不同，所述第一级微环谐振器包括第一光波导11、第一微环谐振腔12和第一热移相器13，所述第二级微环谐振器包括第二光波导21、第二微环谐振腔22和第二热移相器23，所述第一微环谐振腔12与所述第一光波导11、第二光波导21分别耦合，所述第二微环谐振腔22与所述第二光波导21、输出光波导24分别耦合，所述第一光波导11中光路传播方向为a，所述输出光波导中的光路传播方向为b。所述第一热移相器和所述第二热移相器的一端分别连接至一个控制电压v1或v2，另一端分别接地，控制电压v1和v2分别控制两个微环谐振器。热移相器基于加热电阻的工作原理，当电压v1(或v2)加载到电阻为r1(或r2)的热移相器时，产生热量为v12/r1(或v22/r2)，改变其所在光波导的折射率，由于相位变化与折射率变化成正比，即δφ
∝
dn，进而改变微环谐振器光相位，使得光谱平移。通过调节v1和v2两个电压，可以控制游标微环谐振器最终的光谱形貌，例如改变中心波长。图2为现有技术的游标微环谐振器在v1和v2电压下的输出光谱。在上述游标微环谐振器，需要同时控制v1和v2两个电压到合适的值，使得两个微环的光谱通过游标效应将波长控制在所需的中心波长上。两个电压需要同时被控制，而且每个微环相位的变化跟电压的平方成正比，这使得控制算法变得复杂。
4.因此，有必要提供一种新型的谐振器系统、可调谐激光器及谐振器系统的控制方法以解决现有技术中存在的上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种谐振器系统、可调谐激光器及谐振器系统的控制方法，能够使得相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法，减少所需控制电压数目。
6.为实现上述目的，本发明的谐振器系统包括n级级联的谐振器，n为大于1的整数，每级所述谐振器包括谐振腔和热移相器，每级所述谐振器中，所述热移相器集成于所述谐振腔上，n级级联的所述谐振器中的所述热移相器依次串联连接，第一级谐振器中的热移相器的第一端连接预设电压，第n级谐振器中的热移相器的第二端接地，相邻两级所述谐振器
中的热移相器之间的连接节点接可调电压，n级所述谐振器中的热移相器的电阻均相等。
7.本发明的所述谐振器系统的有益效果在于：能够使得相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法，减少所需控制电压的数目。
8.可选地，所述谐振器包括微环谐振器、光纤环谐振器、布拉格光栅、光子晶体纳米束、法布里-珀罗腔或马赫曾德尔干涉仪中的任意一种。
9.可选地，所述谐振器为微环谐振器，每级所述微环谐振器还包括光波导，每级所述微环谐振器中，所述微环谐振腔与所述光波导相耦合，上一级所述微环谐振器中的微环谐振腔与下一级所述微环谐振器中的光波导相耦合。
10.可选地，第n级所述微环谐振器还包括输出波导，所述输出波导与所述第n级所述微环谐振器中的微环谐振腔相耦合。
11.可选地，所述谐振器为微环谐振器，所述微环谐振器的耦合区域包括定向耦合器、弯曲定向耦合器、绝热耦合器、多模干涉器、分光比可调耦合器中的任意一种。
12.可选地，所述谐振器为微环谐振器，所述微环谐振器为环形、跑道形、太极形或八字形。
13.本发明还提供一种可调谐激光器，包括所述谐振器系统和增益芯片，所述谐振器系统的第n级谐振器的一端连接所述增益芯片。
14.可选地，所述可调谐激光器还包括全反射回环，所述谐振器系统的第一级谐振器的一端连接所述全反射回环，所述谐振器系统的第n级谐振器的一端连接所述增益芯片。
15.本发明的可调谐激光器芯片的有益效果在于：能够使得相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法，减少所需控制电压的数目。
16.本发明还提供一种谐振器系统的控制方法，当n》＝3时，所述控制方法包括以下步骤，
17.s0：将所述预设电压固定为v0；
18.s1：控制第2个连接节点连接的可调电压至第n-1个连接节点连接的可调电压均为0；
19.s2：控制第1个连接节点连接的可调电压大于等于0且小于等于v0，并固定所述第1个连接节点连接的可调电压；
20.s3：将第m个连接节点以后的连接节点连接的可调电压均设为0，控制第m个连接节点连接的可调电压大于等于0且小于等于第m-1个连接节点连接的可调电压，并固定所述第m个连接节点连接的可调电压；
21.s4：依次取m为2至n-1的整数重复执行步骤s3。
22.本发明谐振器系统的控制方法有益效果在于：能够使得使得当谐振器系统的谐振器级联的级数大于或等于3时，相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法。
23.可选地，控制相邻谐振器的热移相器之间的连接节点所接的可调电压从第一级至第n级由大变小，且所述预设电压大于第一级谐振器的热移相器与第二级谐振器的热移相器之间的连接节点所接的可调电压，所述第n-1级谐振器的热移相器与第n级谐振器的热移
相器之间的连接节点所接的可调电压大于0。
24.本发明还提供一种所述谐振器系统的控制方法，当n＝2时，所述控制方法包括以下步骤，
25.将所述预设电压固定为v0；
26.控制所述连接节点连接的可调电压大于等于0且小于等于v0，并固定所述所述连接节点连接的可调电压。
27.本发明谐振器系统的控制方法有益效果在于：能够使得使得当谐振器系统的谐振器级联的级数为2时，相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法，减少所需控制电压的数目。
附图说明
28.图1为现有技术一种基于游标效应的可调微环谐振器的示意图；
29.图2为现有技术的游标微环谐振器在v1和v2电压下的输出光谱；
30.图3为本发明一些实施例中微环谐振器系统的示意图；
31.图4为本发明一些实施例中微环谐振器输出光谱的中心波长随控制电压产生的波导折射率变化的关系图；
32.图5为本发明一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图；
33.图6为本发明另一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图；
34.图7为本发明又一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图；
35.图8为本发明再一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图；
36.图9为本发明一些实施例中具有4级微环谐振器的微环谐振器系统的示意图；
37.图10为本发明一些实施例中可调谐激光器的示意图；
38.图11为本发明另一些实施例中可调谐激光器的示意图；
39.图12为本发明又一些实施例中可调谐激光器的示意图；
40.图13为本发明一些实施例中可调谐激光器的不同控制电压下激光器输出波长变化的示意图；
41.图14为本发明一些实施例中谐振器系统的控制方法流程图；
42.图15为本发明另一些实施例中谐振器系统的控制方法流程图。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
44.针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种谐振器系统，包括n级级联
的谐振器，n为大于1的整数，每级所述谐振器包括谐振腔和热移相器，每级所述谐振器中，所述热移相器集成于所述谐振腔上，n级级联的所述谐振器中的所述热移相器依次串联连接，第一级谐振器中的热移相器的第一端连接预设电压，第n级谐振器中的热移相器的第二端接地，相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接可调电压，n级所述谐振器中的热移相器的电阻均相等。
45.本发明的谐振器系统的第一级谐振器中的热移相器的第一端连接预设电压，第n级谐振器中的热移相器的第二端接地，相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接可调电压，n级所述谐振器中的热移相器的电阻均相等，能够使得相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法，减少所需控制电压的数目。
46.一些实施例中，所述谐振器包括微环谐振器、光纤环谐振器、布拉格光栅、光子晶体纳米束、法布里-珀罗腔或马赫曾德尔干涉仪中的任意一种。
47.一些实施例中，所述谐振器为微环谐振器，每级所述微环谐振器还包括光波导，每级所述微环谐振器中，所述微环谐振腔与所述光波导相耦合，上一级所述微环谐振器中的微环谐振腔与下一级所述微环谐振器中的光波导相耦合。
48.一些实施例中，第n级所述微环谐振器还包括输出波导，所述输出波导与所述第n级所述微环谐振器中的微环谐振腔相耦合。
49.图3为本发明一些实施例中微环谐振器系统的示意图。参照图3，微环谐振器系统包括级联的第一级微环谐振器与第二级微环谐振器，所述第一级微环谐振器包括第一光波导11、第一微环谐振腔12和第一热移相器13，所述第二级微环谐振器包括第二光波导21、第二微环谐振腔22、第二热移相器23和输出光波导24，所述第一热移相器13集成于所述第一微环谐振腔12上，所述第二热移相器23集成于所述第二微环谐振腔22上，所述第一微环谐振腔12与所述第一光波导11、所述第二光波导21分别耦合，所述第二微环谐振腔22与所述第二光波导21、所述输出光波导24分别耦合，a为第一光波导11中的输入光路传播方向，b为输出光波导24中的输出光路传播方向。所述第一热移相器13的电阻值为第一电阻r1，所述第二热移相器23的电阻值为第二电阻r2，所述第一电阻r1与第二电阻r2相同，所述第一热移相器13与所述第二热移相器23串联，所述第一热移相器13的一端接预设电压v0，所述第二热移相器23的一端连接接地管脚gnd(电压为0v)，所述第一热移相器13与所述第二热移相器23之间的连接节点接第一电压v1，所述第一电压v1为可调电压，所述预设电压v0为固定电压。
50.一些具体的实施例中，所述第一光波导11中输入光路传播方向a和所述输出光波导24中输出光路传播方向b相同。
51.以本实施例为例说明本发明谐振器系统的工作原理。所述第一微环谐振腔与所述第二微环谐振腔的相位差δφ与所述第一热移相器13与所述第二热移相器23之间的连接节点连接的第一电压v1的关系由公式一显示，
52.公式一：
53.其中a为第一系数，所述第一系数由波导材料、波导结构等波导本身的性质决定。
54.由公式一可知，由于项相抵消，相邻两个微环谐振腔的相位差δφ正比于相邻两级微环谐振腔的热移相器即所述第一热移相器13与所述第二热移相器23之间的连接节点施加的可调电压v1。其有益效果为，只需要一个控制电压，且要实现的相位差δφ跟所需提供的控制电压v1(而不是v12)成线性关系，方便了控制。图4为本发明一些实施例中微环谐振器输出光谱的中心波长随控制电压产生的波导折射率变化的关系图。参照图4，以仿真结果作为例子，微环谐振器输出光谱的中心波长与控制电压产生的波导折射率变化成正比。
55.其中a为第一系数，所述第一系数a由波导材料、结构的性质决定，可通过测量得出，此系数为业内公知，在此不再赘述。
56.一些实施例中，所述微环谐振器为环形、跑道形、太极形或八字形。
57.一些实施例中，所述微环谐振器的耦合区域为定向耦合器、弯曲定向耦合器、绝热耦合器、多模干涉器或分光比可调耦合器中的任意一种。
58.一些实施例中，所述热移相器的加热电阻材料包括氮化钛、掺杂硅或钨。
59.一些实施例中，所述微环谐振器所在的集成材料平台包括体硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、二氧化硅、氮化铝、磷化铟、铌酸锂或聚合物。
60.一些实施例中，所述微环谐振器的波导类型包括通道波导、脊波导、缝隙波导、扩散波导、光子晶体波导。
61.一些实施例中，所述微环谐振器的工作波长范围包括可见光波段、o波段、e波段、s波段、c波段、l波段、u波段、中红外波段。
62.一些实施例中，所述微环谐振器的形态为集成芯片、光纤或自由光学部件组成的光学谐振系统。
63.图5为本发明一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图。参照图5，所述第二光波导21的光传播方向转了180度弯，a为第一光波导11中的输入光路传播方向，c为输出光波导24中的输出光路传播方向。
64.一些具体的实施例中，所述第一光波导11中输入光路传播方向a和所述输出光波导24中输出光路传播方向c相反或成任意角度。
65.图6为本发明另一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图。参照图6，所述第一光波导11、输出光波导24为弯折状，e为第一光波导11中的输入光路传播方向，f为输出光波导24中的输出光路传播方向。
66.图7为本发明又一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图。参照图7，所述第一微环谐振腔12和所述第二微环谐振腔22位于所述第一光波导11、输出光波导24之间，c为第一光波导11中的输入光路传播方向，a为输出光波导24中的输出光路传播方向。
67.图8为本发明再一些实施例中微环谐振器的级联方式示意图。参照图8，所述第一微环谐振腔12、所述第二微环谐振腔22均与所述第一光波导11耦合，两个微环谐振腔之间也相互耦合，c为第一光波导11中的输入光路传播方向，a为第一光波导11中的输出光路传播方向。
68.图9为本发明一些实施例中具有4级微环谐振器的微环谐振器系统的示意图。参照图9，所述微环谐振器系统包括级联的4级微环谐振器，每级所述微环谐振器中，所述热移相
器集成于所述微环谐振腔上，4级级联的所述微环谐振器中的第一热移相器13、第二热移相器23、第三热移相器33和第四热移相器43依次串联连接，第一级微环谐振器中的所述第一热移相器13的第一端连接预设电压v0，第4级微环谐振器中的所述第四微环热移相器43的第二端接接地管脚gnd(电压为0v)，所述第一热移相器13与所述第二热移相器23之间的节点连接第一电压v1，所述第二热移相器23与所述第三热移相器33之间的节点连接第二电压v2，所述第三热移相器23与所述第四热移相器33之间的节点连接第三电压v3，所述第一电压v1、所述第二电压v2和所述第三电压v3均为可调电压，所述第一热移相器13、第二热移相器23、第三热移相器33和第四热移相器43的电阻相同。a为第一光波导11中的输入光路传播方向，b为输出光波导24中的输出光路传播方向。
69.本发明还提供一种可调谐激光器，包括所述谐振器系统和增益芯片，所述谐振器系统的第n级谐振器的一端连接所述增益芯片。
70.一些实施例中，所述增益芯片是iii-v族芯片。
71.图10为本发明一些实施例中可调谐激光器示意图。参照图10，所述可调谐激光器芯片包括所述谐振器系统和增益芯片6，所述增益芯片6的左侧面61为全反射面，使得光从所述谐振器系统的另一个端发出，光路输出方向如c所示。所述谐振器系统用于调节激光器输出波长。
72.图11为本发明另一些实施例中可调谐激光器芯片示意图。参照图11，所述可调谐激光器芯片包括所述谐振器系统、全反射回环5和增益芯片6，所述谐振器系统的第一级谐振器的一端连接所述全反射回环5，所述谐振器系统的第n级谐振器的一端连接所述增益芯片6，光路输出方向如b所示。注意，此实施例中增益芯片6的两端皆不是全反射面。所述谐振器系统用于调节激光器输出波长。
73.一些实施例中，所述可调谐激光器还包括热移相器，所述热移相器集成于所述全反射回环和谐振器系统之间，用于做所述谐振器系统之外的相位控制。
74.具体的，参照图11，所述全反射回环5与所述第一光波导11的右端连接，所述第一光波导11上集成有起始热移相器51。
75.图12为本发明又一些实施例中可调谐激光器的示意图。参照图12，所述谐振器系统为两个光子晶体纳米束组成的游标谐振器，两个光子晶体纳米束上分别集成第一热移相器和第二热移相器，所述第一热移相器13为第一电阻r1，所述第二热移相器23为第二电阻r2，所述第一电阻r1与第二电阻r2相同，所述第一热移相器13与所述第二热移相器23串联，所述第一热移相器13的一端接预设电压v0，所述第二热移相器23的一端连接接地管脚gnd(电压为0v)，所述第一热移相器13与所述第二热移相器23之间的连接节点接第一电压v1，所述第一电压v1为可调电压，所述预设电压v0为固定电压。所述谐振器系统的一端连接增益芯片6，所述可调谐激光器的输出光路传播方向如b所示。注意，此实施例中增益芯片6的两端皆不是全反射面。所述谐振器系统用于调节激光器输出波长。
76.图13为本发明一些实施例中可调谐激光器的不同控制电压下激光器输出波长变化的示意图。参照图13，相同步长变化的电压下，激光器输出从左至右4条不同的光谱，4条光谱波长变化相同。本发明的可调谐激光器芯片的控制方法能够使得相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，进而使得输出波长变化跟控制电压成线性关系，简化了谐振器的控制方法，减少所需控制
电压数目。
77.图14为本发明一些实施例中谐振器系统的控制方法流程图。第一级谐振器的热移相器的一端连接所述预设电压，第n级谐振器的热移相器的第二端端接地，n个热移相器之间具有n-1个连接节点，所述n-1个连接节点分别连接n-1个可调电压，当n》＝3时，参照图14，所述控制方法包括以下步骤，
78.s0：将所述预设电压固定为v0；
79.s1：控制第2个连接节点连接的可调电压至第n-1个连接节点连接的可调电压均为0；
80.s2：控制第1个连接节点连接的可调电压大于等于0且小于等于v0，并固定所述第1个连接节点连接的可调电压；
81.s3：将第m个连接节点以后的连接节点连接的可调电压均设为0，控制第m个连接节点连接的可调电压大于等于0且小于等于第m-1个连接节点连接的可调电压，并固定所述第m个连接节点连接的可调电压；
82.s4：依次取m为2至n-1的整数重复执行步骤s3。
83.本发明的谐振器系统的控制方法能够使得当谐振器系统的谐振器级联的级数大于或等于3时，相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法，减少所需控制电压的数目。
84.一些实施例中，所述步骤s2、所述步骤s3中控制并固定可调电压的方法均包括，扫描电压，观察谐振器系统的输出光谱，使光谱满足期待的特性，例如控制可调电压值使得中心波长移动到目标波长上。
85.一些实施例中，控制相邻谐振器的热移相器之间的连接节点所接的可调电压从第一级至第n级由大变小，且所述预设电压大于第一级谐振器的热移相器与第二级谐振器的热移相器之间的连接节点所接的可调电压，所述第n-1级谐振器的热移相器与第n级谐振器的热移相器之间的连接节点所接的可调电压大于0。
86.一些具体的实施例中，参照图9，所述微环谐振器系统包括级联的4级微环谐振器，第1个连接节点连接的电压为v1，第2个连接节点连接的电压为v2，第3个连接节点连接的电压为v3，所述控制方法包括以下步骤，
87.s0：将所述预设电压固定为v0；
88.s10：控制第2个连接节点连接的可调电压至第4个连接节点连接的可调电压均为0；
89.s20：控制v1大于等于0且小于等于v0，并固定v1；
90.s30：控制第3个连接节点连接的可调电压至第4个连接节点连接的可调电压均为0；
91.s40：控制v2大于等于0且小于等于v1，并固定v2；
92.s50：控制v3大于等于0且小于等于v2，并固定v3。
93.参照图9，所述微环谐振器系统包括级联的4级微环谐振器，所述预设电压v0、所述第一电压v1、所述第二电压v2、所述第三电压v3和gnd电压(电压为0)的大小关系为v0≥v1≥v2≥v3≥0。
94.图15为本发明另一些实施例中谐振器系统的控制方法流程图。当n＝2时，2个热移相器之间具有1个连接节点，所述1个连接节点连接1个可调电压，参照图15，所述控制方法为以下步骤：
95.将所述预设电压固定为v0；
96.控制所述连接节点连接的可调电压大于等于0且小于等于v0，并固定所述所述连接节点连接的可调电压。
97.本发明的谐振器系统的控制方法能够使得当谐振器系统的谐振器级联的级数为2时，相邻两个谐振腔的相位差变化跟相邻两级所述谐振器中的热移相器之间的连接节点接的可调电压成线性关系，简化了谐振器系统的控制方法。
98.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。