一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔

技术领域

本发明涉及一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，属于光学技术领域。

背景技术

微盘和微环作为常见的微型光学器件，因其较高的品质因子和较小的模式体积使得微腔内光与物质的相互作用得到了极大增强，广泛应用于微波光电子学、量子光学以及微腔光学传感等领域。

量子力学中哈密顿量满足宇称-时间(Parity-time：PT)对称的条件是其势函数满足V(x)=V*(-x)，可以通过构造复折射率分布来类比势函数分布，满足n(x)=n*(-x)即可，即实部关于原点偶对称，虚部关于原点奇对称。在光学介质中，折射率虚部的正负值分别对应着损耗和增益介质，可将折射率写成n=nr+ini，其中nr为折射率的实部，ni为折射率的虚部，字母i表示虚数单位。具有损耗/增益量子系统表现出特殊的简并性，称为破缺点(EP)，EP主要由材料的折射率虚部来决定，在此点上两个或多个特征值和相应的特征向量简并，光的传输将呈现出非线性增强效应，信号相对传感介质的变化变得更加灵敏，使其在高灵敏光学传感中有重要应用。

目前，传统微腔与波导的耦合系统需要使用复杂的光学元件进行信号的耦合和解耦，导致系统复杂、不稳定以及不易于集成；并且传统被动微腔传感器在微腔内光场耦合效率较低，所以导致传感灵敏度较低，因此传统微腔在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，通过合理调节微环腔与微盘腔的折射率虚部，使之发生PT对称破缺，利于获得更高的灵敏度；并且简化了系统结构，使系统更加紧凑、利于片上集成，极大地提高了系统的稳定性。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，包括微环腔、微盘腔、直波导和二氧化硅绝缘衬底，微环腔、微盘腔以及直波导均设置在二氧化硅绝缘衬底上，直波导设置在微环腔和微盘腔上方，直波导靠近微环腔的一端设有直波导in端口，直波导靠近微盘腔的一端设有直波导through端口。

一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，包括微环腔、微盘腔和二氧化硅绝缘衬底，微环腔和微盘腔均设置在二氧化硅绝缘衬底上方。

进一步的，所述直波导in端口输入模式光源，微环腔与微盘腔的复合腔的回音壁模式特性，复合腔内会形成三条光传播路径：第一条路径是一部分光由直波导耦合进微环腔；第二条路径是一部分继续在直波导内传输，随后耦合进微盘腔；第三条路径是一部分光直接从直波导through端口泄露出去。

进一步的，所述微盘腔上引入偶极子光源，微环腔与微盘腔的复合腔的回音壁模式特性，光场会在微环腔与微盘腔内耦合。

进一步的，所述微环腔与微盘腔耦合复合腔中引入PT对称结构。

进一步的，所述微环腔作为损耗腔，腔内损耗层的折射率虚部为正值。

进一步的，所述微盘腔作为增益腔，腔内增益层的折射率虚部为负值。

进一步的，所述微盘腔为量子阱材料，从而实现折射率虚部可调制。

进一步的，所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，微盘腔为模态场a注入增益g，微环腔为模态场b注入等量的损耗−g，在时域内考虑正弦时变场

；

其中，

；

因为注入的g为等量值，增益和损耗平衡即满足PT对称的条件。

进一步的，所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，假设

；

和

；

在耦合系统中，PT对称性在条件

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明提出的一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，与传统的微腔耦合系统相比，在微盘耦合微环的复合腔内引入折射率虚部调制的PT对称结构，通过注入电流给微盘腔引入增益直至系统发生PT对称破缺，合理调节微环与微盘的耦合间隔，可以提高微腔内部的光场耦合效率，利于获得更高的灵敏度；并且简化了系统结构，使系统更加紧凑、利于片上集成，极大地提高了系统的稳定性。基于这种PT激光器，由于在EP点两个或多个特征值和相应的特征向量简并，光的传输将呈现出非线性增强效应，信号相对传感介质的变化变得更加灵敏，从而可以应用于高灵敏度主动传感器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1本发明实施例1中复合腔的结构示意图；

图2是本发明实施例1微盘与微环折射率虚部均为0时，上直波导Through端口的透射谱图；

图3是本发明实施例1微盘与微环折射率虚部均为0时，在1.58709um处的电场模图；

图4是本发明实施例1微盘折射率虚部为-0.009578、微环折射率虚部为0时，上直波导Through端口的透射谱图；

图5(a)是本发明实施例1微盘折射率虚部为-0.009578时、微环折射率虚部为0时，破缺劈裂峰在1.58568um处的电场模图；

图5(b)是本发明实施例1微盘折射率虚部为-0.009578时、微环折射率虚部为0时，破缺劈裂峰在1.58783um处的电场模图；

图6是本发明实施例1微盘折射率虚部为-0.009578、微环折射率虚部为0.002时，上直波导Through端口的透射谱图；

图7(a)是本发明实施例1微盘折射率虚部为-0.009578、微环折射率虚部为0.002时，破缺劈裂峰在1.58573um处的电场模图；

图7(b)是本发明实施例1微盘折射率虚部为-0.009578、微环折射率虚部为0.002时，破缺劈裂峰在1.58804um处的电场模图；

图8是本发明实施例1微盘与微盘折射率虚部为±0.009578时，上直波导Through端口的透射谱图；

图9是本发明实施例1微盘与微盘折射率虚部为±0.009578时，在1.58625um处的电场模图；

图10是本发明实施例2中复合腔的结构示意图；

图11是本发明实施例2微盘与微环折射率虚部均为0时，微环功率监视器的场强度谱图；

图12是本发明实施例2微盘与微环折射率虚部均为0时，在1.58568um处的电场模图；

图13是本发明实施例2微盘折射率虚部为-0.00973、微环折射率虚部为0时，微环功率监视器的场强度谱图；

图14(a)是本发明实施例2微盘折射率虚部为-0.00973时、微环折射率虚部为0时，破缺劈裂峰在1.58254um处的电场模图；

图14(b)是本发明实施例2微盘折射率虚部为-0.00973时、微环折射率虚部为0时，破缺劈裂峰在1.58604um处的电场模图；

图15是本发明实施例2微盘折射率虚部为-0.00973、微环折射率虚部为0.004时，微环功率监视器的场强度谱图；

图16是本发明实施例2微盘折射率虚部为-0.00973、微环折射率虚部为0.004时，在1.58259um处的模场图；

图17是本发明实施例2微盘与微环折射率虚部为±0.00973时，微环功率监视器的场强度谱图；

图18是本发明实施例2微盘与微环折射率虚部为±0.00973时，在1.58259um处的电场模图；

图中：1-微环腔；2-微盘腔；3-直波导；4-二氧化硅绝缘衬底；5-直波导in端口；6-直波导through端口。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，包括微环腔1、微盘腔2、直波导3和二氧化硅绝缘衬底4，微环腔1、微盘腔2以及直波导3均设置在二氧化硅绝缘衬底4上方，直波导3设置在微环腔1和微盘腔2上方，直波导3靠近微环腔1的一端设有直波导in端口5，直波导3靠近微盘腔2的一端设有直波导through端口6。

在直波导in端口5输入模式光源，由于微环腔与微盘腔的复合腔的回音壁模式特性，在此复合腔内会形成三条光传播路径：第一条路径是一部分光由直波导耦合进微环腔；第二条路径是一部分继续在直波导内传输，随后耦合进微盘腔；第三条路径是一部分光直接从直波导through端口6泄露出去。

根据直波导Through端口功率监视器的透射谱变化，可以观察到破缺、简并的趋势。

所述微环腔与微盘腔耦合复合腔中引入宇称-时间(PT)对称结构。

所述微环腔作为损耗腔，腔内损耗层的折射率虚部为正值。

所述微盘腔作为增益腔，腔内增益层的折射率虚部为负值。

所述微盘腔为量子阱材料，从而实现折射率虚部可调制。

所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，微盘腔2为模态场a注入增益g，微环腔1为模态场b注入等量的损耗−g，在时域内考虑正弦时变场

；

其中，

；

因为注入的g为等量值，增益和损耗平衡即满足PT对称的条件。

所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，假设

；

和

。

在该系统中，PT对称性在条件

所述微环腔与微盘腔耦合复合腔中所有的耦合间隔可变，微环腔作为损耗腔、微盘腔作为增益腔，通过合理调节微环腔与微盘腔的折射率虚部，从而发生PT对称破缺，将光场都局域在增益腔内。

所述微环腔与微盘腔耦合复合腔发生PT对称破缺并且实现光场局域，可以应用于基于PT对称调制的激光器、探测器等。

为了验证本实施例可以实现上述功能，特举例进行验证说明。

本实施例用到的参数有：入射波长λ=1.5um-1.6um；二氧化硅绝缘衬底的长、宽、高分别为a=15um、b=10um、h=2um、n

设置第一种增益/损耗分布：微环腔与微盘腔的折射率均为3.44，此时微环腔无损耗、微盘腔无增益，微环腔功率监视器的透射谱变化如图2所示，在λ=1.58709um处的电场模如图3所示，可以看出此时光场大多数都由直波导耦合进微环腔，微盘腔内几乎没有耦合进光，直波导through端口也几乎没有光场输出。

设置第二种增益/损耗分布：微环腔的折射率n

设置第三种增益/损耗分布：微环腔的折射率n

设置第四种增益/损耗分布：微环腔的折射率n

例1最终效果表明，在直波导3上使用模式光源从微环腔与微盘腔外部输入光源，合理调节微环与微盘的折射率虚部达到EP破缺点，从而实现PT对称，由于PT对称结构在EP点增强传感的特性，此类PT激光器在高灵敏光学传感中有重要应用。

实施例2

如图10所示，一种具有PT对称调控的微盘与微环耦合复合腔，包括微环腔1、微盘腔2和二氧化硅绝缘衬底4，微环腔1和微盘腔2均设置在二氧化硅绝缘衬底4上方。

与实施例1相比，两种结构的尺寸、材料折射率均相同。

在微盘腔1上引入偶极子光源，微环腔与微盘腔的复合腔的回音壁模式特性，光场会在微环腔1与微盘腔2内耦合，因此在复合腔内引入折射率虚部调制的PT对称结构，微环腔作为损耗腔，微盘腔作为增益腔，通过合理的设置损耗和增益的折射率虚部，实现PT对称后，使得光场都局域在微盘内，减少其余光的泄露。

根据微环腔上功率监视器的透射谱变化，可以观察到破缺、简并的趋势。

所述微环腔与微盘腔耦合复合腔中引入宇称-时间(PT)对称结构。

所述微环腔作为损耗腔，腔内损耗层的折射率虚部为正值。

所述微盘腔作为增益腔，腔内增益层的折射率虚部为负值。

所述微盘腔为量子阱材料，从而实现折射率虚部可调制。

所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，微盘腔2为模态场a注入增益g，微环腔1为模态场b注入等量的损耗−g，在时域内考虑正弦时变场

；

其中，

；

因为注入的g为等量值，增益和损耗平衡即满足PT对称的条件。

所述微盘腔和微环腔组成一个有增益和损耗的耦合系统，假设

；

和

。

在该系统中，PT对称性在条件

所述微环腔与微盘腔耦合复合腔中所有的耦合间隔可变，微环腔作为损耗腔、微盘腔作为增益腔，通过合理调节微环腔与微盘腔的折射率虚部，从而发生PT对称破缺，将光场都局域在增益腔内。

所述微环腔与微盘腔耦合复合腔发生PT对称破缺并且实现光场局域，可以应用于基于PT对称调制的激光器、探测器等。

为了验证本实施例可以实现上述功能，特举例进行验证说明。

本实施例用到的参数有：入射波长λ=1.5um-1.6um；二氧化硅绝缘衬底的长、宽、高分别为a=15um、b=10um、h=2um、n

设置第一种增益/损耗分布：微环腔与微盘腔的折射率均为3.44，此时微环腔无损耗、微盘腔无增益。微环腔监视器的场强度谱变化如图11所示，可以看出此时在波长λ=1.58568um处是以单模形式输出。在λ=1.58568um处的电场模如图12所示，此时光场几乎都局域在微环腔内，微盘腔内只耦合进少量的光。

设置第二种增益/损耗分布：微环腔的折射率n

设置第三种增益/损耗分布：微环腔的折射率n

设置第四种增益/损耗分布：微环腔的折射率n

本实施例最终效果表明，在微盘增益腔上直接使用偶极子光源从内部输入光源，合理调节微环与微盘的折射率虚部达到EP破缺点，使得光场都局域在微盘增益腔，实现PT对称。

综上，本发明所提出的一种具有PT对称调控的微盘腔与微环腔耦合复合腔结构，在复合腔内引入折射率虚部调制的PT对称结构，即微环腔作为损耗腔、微盘腔作为增益腔，通过注入电流给微盘腔引入增益直至系统发生PT对称破缺。由于PT对称结构在EP点增强传感的特性，此类PT激光器在高灵敏光学传感中有重要应用。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。