[发明专利]基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法

说明书

本发明公开了一种基于镀层结构的芯片集成微腔电控锁频方法，在芯片集成微腔表面生长以二维层状材料为代表的镀层结构，通过偏置电压调节镀层自由载流子浓度，利用自由载流子致折射率变化反向补偿热致折射率变化直至实现微腔谐振频率锁定。本发明能够将微腔谐振频率锁定于本征频率，毋须改变信号光场频率，自由载流子致折射率增大与热致折射率减小形成的负反馈补偿机制具有极高的稳定性，能够大幅提升各种包含微腔结构的芯片集成光子器件稳定性，为构建可靠可用的芯片集成光电信息系统奠定坚实基础。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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：

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。