射频振荡器及相关的源和装置 |
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| 申请号 | CN201880064638.8 | 申请日 | 2018-10-02 | 公开(公告)号 | CN111656274A | 公开(公告)日 | 2020-09-11 |
| 申请人 | 泰勒斯公司; 巴黎-萨克雷大学; 国家科学研究中心; | 发明人 | 西尔万·孔布里; 阿尔弗雷多·德罗西; 阿卜杜勒-马吉德·阿纳内; 保罗·博尔托洛蒂; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种射频 振荡器 (10)，包括光学 谐振腔 (18)，其是环形 波导 ，允许第一波在第一方向上传播并且允许第二波在第二方向上传播，第二方向与第一方向相反，并且谐振腔(18)包括通过第一波产生第一光线路并且通过第二波产生第二线路的有源光学介质，谐振腔(18)与由具有磁光效应的材料制成的部分 接触 ，用于谐振腔(18)的强度可调的外部 磁场 施加器(20)在第一波与第二波之间产生 频率 移位，并且处理 电路 将两个光线路之间的 拍频 转换成射频 信号 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种射频振荡器(10)，包括： |
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| 说明书全文 | 射频振荡器及相关的源和装置技术领域[0001] 本发明涉及一种射频振荡器。本发明还涉及一种相关的源和装置。 背景技术[0004] 然而，这种设备是笨重的，特别是因为将石英单片集成到电路上会由于石英是分立元件而产生技术问题。 [0005] 另外，频率倍增操作还由于所涉及的波动增加而导致噪声倍增。由于原始频率与所需频率之间的差异较大因而更是如此。 [0006] 还使用了光学设备。这种设备基于两个光束的拍频，它们的频率间隔处于射频域内。 [0007] 因此，已知第一种方法包括致使两个独立激光源产生干涉，它们可以是外部激光器或者制造在同一芯片上。每个激光器因此独立地受到与寄生模式产生的温度、增益或拍频的局部变化相关联的波动的影响。因为两个噪声源由于物理隔离而彼此独立，因此噪声与所产生的频率直接相关。 [0008] 该第一种方法包括使用两个独立激光源的拍频，因此受到与拍频信号直接相关的每个源中固有的波动的限制。 [0009] 根据使用“双频激光器”的第二种方法，使用了同时以两个模式运行的激光器，其光谱间隔对应于所需的频率。在这个例子中，两个模式共用同一个腔和相同的增益介质。由于波动的相关性因而波动是共有的。频率差异因此十分稳定。已经通过固态技术开发了一种这样的激光器。模式之间的距离通过在插入到激光器腔体中的双折射元件上施加电压来控制。 [0010] 然而，必须在第二种方法中使用极大的控制电压(高达100伏)。 [0011] 另外，在两种方法中都使用分立部件，这意味着一种相对笨重的系统。 [0012] 因此，存在对于一种提供更高的紧凑性和更好的稳定性的射频源的需求。 发明内容[0013] 为此，本说明书特别涉及一种射频振荡器，其包括环形波导形式的光学谐振腔，允许第一波在第一方向上传播并且允许第二波在第二方向上传播，其中第二方向与第一方向相反，其中谐振腔包括通过第一波产生第一光线路并且通过第二波产生第二光线路的有源光学介质，谐振腔与由具有磁光效应的材料制成的部件接触。射频振荡器包括在谐振腔上的强度可调的外部磁场施加器，以用于在第一波与第二波之间产生频率偏移，并且处理电路将两个光线路之间的拍频转换成射频信号。 [0014] 根据特定实施方式，射频振荡器包括独立地或以任何技术上可行的组合考虑的一个或多个以下特征： [0018] -针对谐振腔限定中心，施加器适于在两个波以横向磁极化进行传播时相对于谐振腔的中心施加径向磁场； [0019] -由具有磁光效应的材料制成的部件是谐振腔的一部分并且与有源光学介质接触； [0020] -振荡器还包括频率和相位的幅值稳定性； [0021] -有源光学介质被定位为使得谐振腔是扩展腔体。 [0022] 本说明书还涉及一种射频源，其包括如上所述的射频振荡器。 [0024] 在阅读仅通过举例的方式并且参考附图给出的本发明的实施方式的后续说明之后，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中： [0025] 图1是射频振荡器的一个例子的立体图，其特别包括环形谐振腔、光提取引导部以及电环路； [0026] 图2是图1的振荡器的视图，该视图是沿着图1的线II-II的剖视图； [0027] 图3是图1的振荡器的一部分的示意图，包括适于在射频域内转换光振荡的光路和光电探测器； [0028] 图4是图1的振荡器的另一个部分的示意图，包括稳定环路； [0029] 图5是根据第一构造施加于环形谐振腔的磁场的示意图； [0030] 图6是根据第二构造施加于环形谐振腔的磁场的示意图； [0031] 图7是示出谐振腔频谱上的法拉第效应机制的图表； [0032] 图8是包括环形谐振腔的射频振荡器的另一个例子的一部分的示意图；并且[0033] 图9是具有环形谐振腔的射频振荡器的又一个例子的一部分的示意图。 具体实施方式[0034] 图1示出了射频振荡器10。 [0035] 振荡器10是能够在一个或多个输出部处产生具有固定或受控的频率的振荡的设备。 [0036] 振荡器10在振荡频率是射频时是射频振荡器10，射频即3千赫兹(kHz)至300GHz之间的频率。 [0037] 振荡器10是多层的堆垛，尤其如图1和2所示。 [0038] 针对剩余部分限定了堆叠方向。该堆叠方向在视图中用符号表示为轴线Z。因此该堆叠方向在说明书的余下部分中表示为“堆叠方向Z”。 [0039] 还限定了第一横向方向。如图2所示，该第一横向方向垂直于堆叠方向Z并且包含在图面的平面中。该第一横向方向在视图中用符号表示为轴线X。因此该第一横向方向在说明书的余下部分中表示为“第一横向方向X”。 [0040] 第二横向方向还被限定为垂直于堆叠方向Z和第一横向方向X。该第二横向方向在视图中用符号表示为轴线Y。因此该第二横向方向在说明书的余下部分中表示为“第二横向方向Y”。 [0041] 振荡器10因此是堆叠方向Z上的三层的堆垛：第一层12、第二层14以及第三层16。 [0043] 第二层14插在第一层12与第三层16之间。 [0044] 第二层14由低光学系数的介电材料制成。 [0045] 在这个背景下，具有低光学系数的材料是在1.5μm(微米)波长处具有比光导层(谐振腔)更低的且理想情况下接近1的系数的材料。 [0046] 根据所述的例子，绝缘材料是SiO2。 [0047] 振荡器10包括谐振腔18、磁场施加器20、处理电路22以及提取引导部26。 [0048] 谐振腔18是微环型光学谐振腔。 [0049] 换句话说，谐振腔18是具有环形形状的波导。替代地，谐振腔18可具有微盘形形状。 [0050] “环形”是指广义上圆环的形状，因此具有实质上椭圆形形状的波导也可认为是圆环。这种波导通常称为“跑道型”。 [0051] 针对谐振腔18限定第一半径R1。 [0052] 针对谐振腔18还限定中心。 [0053] 谐振腔18允许第一波在第一方向上传播并且允许第二波在第二方向上传播，第二方向与第一方向相反。 [0054] 第一方向上的第一波对应于顺时针传播的模式。这种模式有时称为对应于“顺时针”的CLW。因此在后续说明中表示为CLW模式。 [0055] 第二方向上的第二波对应于逆时针传播的模式。这种模式有时称为对应于“逆时针”的CCLW。因此在后续说明中表示为CCLW模式。 [0056] 谐振腔18与由具有磁光效应的材料制成的部件接触。 [0057] 按照定义，磁光材料具有非对称折射率。因此，有时使用“非互易性材料”来表示这种类型的材料。 [0058] 一般来说具有磁极化的任何材料都可表现出这种特性。 [0059] 例如，根据所述例子，具有磁光效应的材料是化学式为Y3Fe5O12的钇铁石榴石，通常以其缩写表示为YIG。 [0060] 替代地，具有磁光效应的材料可以是掺杂有铁磁性、顺磁性、亚铁磁性或金属性元素的YIG。 [0061] 词语“掺杂”指的是广泛的通用意义，包括用上述元素替换。掺杂允许增加YIG的磁光效率。 [0062] 铁磁性是指特定物体在外部磁场的作用下磁化并且保持一部分这种磁化强度的能力。 [0063] 在磁性中，顺磁性是指材料介质不产生自发磁化但是在外部磁场的作用下获得定向在与该激励场相同的方向上的磁化强度的特性。 [0064] 亚铁磁性是特定固体的磁特性。在亚铁磁性材料中，磁矩是反平行的但具有不同幅值。这导致了材料的自发磁化。 [0065] 在磁性元素中，在这个背景下优选镍、钴、铁或镍钴铁合金。 [0066] 根据一个特定例子，具有磁光效应的材料是掺杂有铈的YIG(通常以其缩写表示为Ce:YIG)或者是掺杂有铋的YIG(通常表示为Bi:YIG)。 [0067] 在图1的例子中，由具有磁光效应的材料制成的部件是第三层16。 [0068] 谐振腔18还包括有源光学介质28。 [0069] 有源光学介质28能够通过第一波产生第一光线路并且通过第二波产生第二光线路。 [0070] 一般来说，有源光学介质28是能够在预定波长范围内对穿过该光学介质的波产生增益的介质。 [0071] 在所示的例子中，环形谐振腔18是有源光学介质28。特别地，这表示有源光学介质28被嵌入到第三层16中。 [0072] 例如，有源光学介质28由III-V族材料制成。 [0074] 例如，有源光学介质28是量子阱。 [0075] 提取引导部26耦合至光学谐振腔18。 [0076] 在图2的例子中，提取引导部26具有直线形状并且主要沿着第二横向方向Y延伸。 [0077] 替代地，提取引导部26可具有弧形(或“圈环”)形状，以利用在谐振腔18中传播的其他模式的滤波效应。 [0078] 在图1的例子中，提取引导部26是无源硅波导。 [0079] 谐振腔18设置在第三层16中，而提取引导部26是第二层14的一部分。 [0080] 施加器20是在光学谐振腔18上的强度可调的外部磁场的施加器20。 [0081] 施加器20能够在第一波(CLW)与第二波(CCLW)之间产生频率偏移。 [0082] 在所述例子中，施加器20是电路环路。 [0083] 替代地，施加器可以具有多匝。 [0084] 具体地，如图1所示，施加器20可具有中心部分30和两个供应垫32和34。 [0085] 两个供应垫32和34是沿着第二横向方向Y延伸的直线形部分。 [0086] 中心部分30具有与两个供应垫32和34的两个端部连接的准闭合圆环形状。 [0087] 从图5可以看出，施加器20适于在两个波根据横向磁极化进行传播时施加相对于谐振腔18的中心径向定向的磁场。 [0088] 施加器20还适于在两个波以横向电极化进行传播时施加与环形谐振腔18垂直的磁场(见图6)。 [0089] 施加器20如图2所示设置在第三层16上。 [0090] 施加器20由图中未示出的电源供电。 [0091] 处理电路22在图4中可见。 [0092] 处理电路22使用硅技术制成。 [0093] 处理电路22在图1的例子中提供多种功能，即，将两个光线路之间的拍频转换成射频信号并且确保振荡器10的幅值和相位的稳定性。 [0095] 处理电路22的两个输入部36和38一方面连接至提取引导部26另一方面连接至耦合器40。 [0096] 耦合器40是定向耦合器。 [0097] 耦合器40具有两个输出部62和64，允许限定两个光通道66和68。 [0098] 替代地，除了定向耦合器40之外，也可使用“MMI”型耦合器。缩写“MMI”是指“多模干涉(multimode interference)”。 [0099] 第一光通道66连接至第一探测器44。 [0100] 第一探测器44能够将两个光线路之间的拍频转换成射频信号。 [0101] 第一探测器44因此是光电探测器。 [0103] 在所述例子中，第一探测器44使用硅技术制成。 [0105] 第二光通道68包括延迟线42和第二探测器46。 [0106] 延迟线42是在第一通道与第二通道之间产生延迟的光学延迟线。 [0107] 例如，延迟线42可以是光纤。 [0108] 替代地，延迟线42可以是SiN制成的波导。 [0109] 第二探测器46与第一探测器44类似。第一探测器44的论述同样适用于第二探测器46。 [0110] 第一分离器50能够将来自第一探测器44的信号分割为发送至比较器48的一部分信号和发送至第二分离器52的另一部分信号。 [0111] 比较器48能够对两个光通道66和68的信号进行比较，以产生比较信号。 [0112] 滤波器56能够过滤比较信号，以获得滤波信号。 [0113] 根据所述例子，滤波器56是低通滤波器。 [0114] 滤波器56连接至相位校正器60。 [0115] 相位校正器60能够控制流入施加器20中的电流。 [0116] 相位校正器60是伺服电路。 [0117] 第二分离器52能够将来自第一分离器50的信号分割为发送至增益校正器58的一部分信号和发送至处理电路22的输出部54的另一部分信号。 [0118] 处理电路22的输出部54对应于振荡器10的输出部。 [0119] 增益校正器58能够控制有源光学介质28的增益。 [0120] 例如，增益校正器58是“PID”伺服类型，缩写“PID”是指“比例，积分，微分(Proportional，Integrator，Derivative)”。 [0121] 现在，在下文中描述振荡器10的操作。 [0122] 通过一种简化的方式，与共振模式相关联的两个光波在集成有具有磁光效应的材料的谐振腔18中在相反的方向上传播。 [0123] 如图7所示，施加磁场通过改变材料的非互易性而能够以双简并光学模式控制共振频率间隔。 [0124] CLW和CCLW模式的探测器44或46上的拍频在相反的方向上传播，产生电域中的周期信号。 [0125] 为了解释这一点，此处应回想到光信号合成的既定原则。对两个激光源的发射进行探测的光电二极管产生的信号的电频谱是频率与光谱间隔对应的正弦波。这种方法覆盖了从千兆赫兹到太赫兹的十分宽广的频率范围，唯一的限制是光电探测器的响应时间。 [0126] 如果源不相关联，则每个源的相位和幅值波动会在幅值上累加，这是两个独立的激光源的情况。 [0127] 另一方面，如果两个源共用同一个腔，则波动是相同的，只要两个模式尽可能地靠近，即，具有最近的空间分布。 [0128] 在环形谐振腔18的情况下，根据传播方向(CLW或CCLW)，任何模式都在频率上进行双简并。这两个模式之间的重叠是最大的。在没有非互易性效应的情况下，两种共振完全相同并且伴随有相同的波动。 [0130] 在所述例子中，如图5和6所示，存在两种用于施加控制的可行构造。 [0131] 在图5的例子中，两个模式CLW和CCLW根据横向磁极化进行传播。施加器20因此相对于谐振腔18的中心施加径向磁场。 [0132] 根据图6的例子，两个模式CLW和CCLW根据横向电极化进行传播。施加器20因此施加垂直于谐振腔18的磁场。 [0134] 在两种情况下，振荡器10使用磁光材料能够使得光波在谐振腔18中的传播在旋转方向上具有非互易性。快速探测器中两种光频率的拍频允许在电场中进行转换。这种机制特别在图7中示出，其中频率梳50与第一传播模式CLW相关，频率梳52与第二模式CCLW相关，并且增益曲线54与有源光学介质28相关。 [0135] 振荡器10在可调谐性方面的特性类似于双频激光器的例子。 [0136] 振荡器10能够具有紧凑型源，即，尺寸和笨重程度极大减小的源。 [0137] 事实上，源可被集成在光子集成电路中，特别地，振荡器10与硅光子平台自然兼容。 [0138] 另外，基于具有由III-V族材料和非互易性磁性材料制成的元件的光子集成电路(硅基)实施的技术与芯片上的其他集成功能兼容，提供了宽泛的应用性。 [0139] 另外，源于同一模式的反向传播和共同传播模式(通过磁场进行简并)使得两个模式几乎完美重叠，这产生了改进的噪声相关性。 [0140] 换句话说，与准简并的两个传播方向关联的模式实质上十分靠近，并且共用同一环境，经受同样的环境波动。在关联的情况下，频率差异使得噪声极大减小。 [0141] 此外，振荡器10具有减小的相位噪声和减小的幅值噪声，使得振荡器10更稳定。 [0142] 振荡器10还可进行快速重构，因为通过控制施加器20中的电流来进行控制。 [0143] 因此，通过使用易于生产的磁光材料而提出了一种集成的、灵敏的且具有高频率纯度的射频振荡器10。 [0144] 特别地，集成光子学领域中常用的技术就足以生产这种振荡器10。通常，谐振腔18粘贴到硅芯片上，同时第二转印或直接沉积允许放置具有磁光效应的材料。 [0145] 图8示出振荡器10的另一个实施方式。 [0146] 根据图8的振荡器10类似于根据图1的振荡器10，因此仅在下文中描述不同之处。下文中不再重复同时适用于图1的振荡器10和图8的振荡器10的论述。 [0147] 有源光学介质28被定位为使得谐振腔18是扩展腔体。 [0148] 这意味着有源介质28被定位在环形波导外侧。在这种构造中，谐振腔18具有两个独立的部分：环形波导和有源介质28，其中组件形成扩展腔体。 [0149] 这种构造允许特定应用在增益区中增大激光功率。 [0150] 另外，可行的是使用允许更高功率密度的氮化物制成的提取引导部26。 [0151] 图9示出振荡器10的另一个实施方式。 [0152] 根据图9的振荡器10类似于根据图1的振荡器10，因此仅在下文中描述不同之处。下文中不再重复同时适用于图1的振荡器10和图9的振荡器10的论述。 [0153] 在图9的实施方式中，第二层14和第三层16结合并且由低系数的介电材料制成。 [0154] 谐振腔18是环形波导，包括第一部分70和第二部分72。两个部分70和72具有相同的圆环形状。 [0155] 第一部分70置于第二部分72上部，两个部分70和72在整个圆环的范围内进行接触。 [0156] 第一部分70由III-V族材料制成，而第二部分72由具有磁光效应的材料制成。 [0157] 总体上，由具有磁光效应的材料制成的部分被定位为通过改变光场的渐逝部分(特别是图1)或通过直接改变引导结构(图9的例子)来影响在环形波导中传播的光波。 [0158] 引导结构的这种直接改变能够使各向异性效应最大化，因为光学模式随后通过法拉第介质而具有十分良好的覆盖性。 [0159] 所提出的振荡器10可有利地用于多种应用。 [0160] 在一个特定例子中，射频源包括这种振荡器10。 [0161] 该源因此可用于诸如频率合成器、电频谱分析仪以及用于相干接收器的本机振荡器的电子设备。 [0162] 本发明还涉及上述实施方式的所有技术上可行的组合。 |
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