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Chinese Optics

硅基光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔的传输特性

Tuohang LI, Xiaoyan ZHOU, Lin Zhang

Published Jan 1, 2026• 0 citations
Publisher

Abstract

本文针对一种由微环谐振腔与法布里-珀罗腔耦合构成的集成结构，开展了传输光谱特性的理论与实验研究。该结构通过在单边耦合型微环的直波导中引入光栅反射镜形成法布里-珀罗腔，在双谐振结构中实现了新颖的多腔耦合传输谱形。成功建立系统理论模型后，分析了多腔耦合传输谱形出现的条件并进行了器件参数优化。在硅基芯片上成功制备了光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔器件，首次观测到与理论预测一致的多腔耦合传输谱形，包括嵌套类电磁感应透明和双法诺共振线形。实验结果表明，在3.43 dB/cm的波导损耗条件下，电磁感应透明的中心峰可实现1.40×104的品质因子,双法诺共振的斜率最高可达到37.70 dB/nm。研究结果为集成光子耦合谐振系统的机理理解提供了新视角，并为实现高集成度、高性能的光子器件平台提供了可行技术路径，在高灵敏光学传感、窄带滤波及高速调制等领域具有重要的应用潜力。

DOI
10.37188/co.2025-0129

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physics.opticsCross-listedarXiv:2603.27034•Mar 31, 2026•0 citations
本文针对一种由微环谐振腔与法布里-珀罗腔耦合构成的集成结构，开展了传输光谱特性的理论与实验研究。该结构通过在单边耦合型微环的直波导中引入光栅反射镜形成法布里-珀罗腔，在双谐振结构中实现了新颖的多腔耦合传输谱形。成功建立系统理论模型后，分析了多腔耦合传输谱形出现的条件并进行了器件参数优化。在硅基芯片上成功制备了光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔器件，首次观测到与理论预测一致的多腔耦合传输谱形，包括嵌套类电磁感应透明和双法诺共振线形。实验结果表明，在3.43 dB/cm的波导损耗条件下，电磁感应透明的中心峰可实现1.40×104的品质因子,双法诺共振的斜率最高可达到37.70 dB/nm。研究结果为集成光子耦合谐振系统的机理理解提供了新视角，并为实现高集成度、高性能的光子器件平台提供了可行技术路径，在高灵敏光学传感、窄带滤波及高速调制等领域具有重要的应用潜力。
集成光子芯片为压缩态光场的产生提供了一个可靠和易于扩展的平台。基于低损耗氮化硅微环谐振腔的四波混频过程是产生压缩态光场的重要途径。本文基于氮化硅材料平台，优化了高质量氮化硅薄膜的制备工艺和微环谐振腔的加工过程，制备出多种尺寸和结构的低损耗氮化硅微环谐振腔。通过搭建的测试系统，系统分析了这些微环谐振腔的透射率、耦合状态和品质因子。实验结果表明，所制备的微环谐振腔具有稳定的本征品质因子，其中横截面尺寸为2000 nm′290 nm微环谐振腔的本征品质因子可达1.5′106，对应的波导传输损耗约为0.23 dB/cm。理论计算表明，该结构最优能够产生片上约9 dB的压缩态光场，当考虑总检测效率为40%时，预估可以直接观察到2 dB的压缩态。该研究为片上产生高质量的连续变量压缩态提供了实验基础。
研究了基于里德堡原子电磁诱导透明效应的耦合光一维驻波场增强的微波电场传感。利用模式匹配反射光场，在高增透镀膜的铯原子气室中形成了里德堡原子三能级体系中耦合光的一维驻波场，并在此基础上进行了幅度调制微波电场测量。实验结果表明，在不额外增加耦合光激光器输出功率的情况下，一维耦合光驻波场导致了耦合光功率的相干增强，电磁诱导透明光谱强度和线宽都显著增加。详细比较了一维驻波场增强与直接增加耦合光功率在测量不同功率微波时的表现，结果表明在较低微波功率下一维驻波场增强测量微波频率信噪比提升约4 dB，瞬时带宽增加1.38倍，同时频率响应曲线更为平坦；在较高微波功率条件下，无驻波场存在的微波响应曲线呈现出明显的双峰形态，而一维驻波场的形成可有效消除双峰特征，表现为平坦响应特征。研究结果对实现低功耗、频率响应曲线平坦、自校准微波电场测量传感器具有重要的参考价值。
在理论分析的基础上，利用光电二极管的固有结电容和可变电感构成共振电路实现光电探测。通过精简电路并对电路板进行精密布板设计，降低由原内部混频电路带来的杂散寄生电容的影响；利用选定低噪声芯片、低转换损耗混频器及滤波器隔离噪声，构建高信噪比的集成化共振型光电探测器（RPD），并实现了对特定调制信号的高效探测。实验结果表明：在相同条件下，RPD增益在共振频率下比商用宽带探测器（BPD）高大约30 dB。利用RPD获得的锁腔误差信号的峰峰值是BPD的16倍，其误差信号的信噪比比现有BPD高18 dB左右。可见，此RPD能够为高性能压缩态光场制备提供器件支持。
长期稳定的压缩光源是实现可靠的量子协议、构建量子网络，特别是进行高精度量子测量的核心量子资源。然而，由于飞秒脉冲相较于连续光对光路抖动更加敏感以及制备装置更为复杂，因此获得长期稳定的飞秒脉冲压缩光源更为困难。基于同步泵浦光学参量振荡器，在无信号场注入的情况下，通过本底光和泵浦光之间的锁相环路有效抑制了压缩测量过程中68.05%的随机相位抖动，实现了飞秒脉冲压缩真空态光场的长期稳定压缩输出测量，长期压缩度由0.6 dB提高至3.2 dB。长期稳定的飞秒脉冲压缩光源有助于构建和实现多模量子网络，特别是长时间时域量子测量。
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