利用特異點(diǎn)抑制微環(huán)調(diào)制器中的背向散射

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
微環(huán)光學(xué)諧振腔是現(xiàn)代光電子技術(shù)的基礎(chǔ)構(gòu)件，在光量子信息處理到光通信等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。然而，這些器件面臨一個(gè)顯著挑戰(zhàn)：表面缺陷導(dǎo)致的背向散射會(huì)嚴(yán)重降低性能。本文探討了利用特異點(diǎn)(EPs)消除背向散射并提升器件功能的創(chuàng)新方案[1]。
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, ?( u$ M0 T+ X/ D- m圖1：系統(tǒng)全面概述，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理，展示了系統(tǒng)構(gòu)架、模式耦合行為、頻率特性以及不同工作點(diǎn)的場(chǎng)分布。

# i7 h, V$ N1 D1 ]/ @* Q% o背向散射的挑戰(zhàn)
在微環(huán)諧振腔中，表面缺陷不可避免地導(dǎo)致順時(shí)針(CW)和逆時(shí)針(CCW)傳播模式之間的耦合。這種非預(yù)期耦合帶來多個(gè)問題：
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- Q3 s; @  r& l( h% v2 _& w4 U+ D' W! z在低轉(zhuǎn)速工作的激光陀螺儀中，背向散射會(huì)引起不需要的注入鎖定，降低靈敏度。對(duì)于依賴非線性放大或反向傳播場(chǎng)干涉的器件，背向散射會(huì)降低效率并引入有害反射，影響功能實(shí)現(xiàn)。

; C! l$ z- l3 Y# f9 {特異點(diǎn)解決方案
. |" D% h. y5 o& b3 W+ {這里提出的創(chuàng)新方法在特異點(diǎn)處運(yùn)行諧振腔 - 特異點(diǎn)是本征值和本征矢量合并的獨(dú)特譜奇點(diǎn)。讓我們來分析工作原理：
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+ s/ B; p; s  W; t8 w( r  ~圖2：手性參數(shù)χ隨耦合強(qiáng)度γb和相位差Δφ的變化，展示了當(dāng)|γb| = |κ|且相位差為π時(shí)手性達(dá)到峰值。

5 _) e- `8 p2 M系統(tǒng)通過簡(jiǎn)并CW和CCW模式之間的非保守耦合實(shí)現(xiàn)手性傳輸。與需要精確增益損耗平衡或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法不同，該方法利用：
微環(huán)諧振腔內(nèi)的內(nèi)部反射
通過Sagnac反射器實(shí)現(xiàn)的外部反射
利用EP特性的精心設(shè)計(jì)調(diào)制方案

弗洛凱模式轉(zhuǎn)換增強(qiáng)
讓我們來說明弗洛凱模式耦合：
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圖3：弗洛凱模式耦合機(jī)制的可視化，顯示了不同工作條件下的模式相互作用及行為。
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在EP工作點(diǎn)，系統(tǒng)展現(xiàn)出增強(qiáng)的弗洛凱模式轉(zhuǎn)換。該過程包括時(shí)間調(diào)制通過施加微波驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)，改變共振頻率遵循ω0(t) = δωm cos(Ωt)。同樣，損耗調(diào)制為γl(t) = δγl cos(Ωt + θ)。這種調(diào)制方案可以通過相位調(diào)制器和振幅調(diào)制器的組合來實(shí)際實(shí)現(xiàn)。
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實(shí)施考慮
# v' e8 W* n5 P9 ^讓我們來展示實(shí)際實(shí)施方面：

圖4：系統(tǒng)對(duì)相位變化的靈敏度分析，展示了轉(zhuǎn)換效率與相位參數(shù)之間的關(guān)系。
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實(shí)際實(shí)施需要仔細(xì)考慮多個(gè)因素：

該系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)電光調(diào)制器，與現(xiàn)有集成光電子技術(shù)平臺(tái)兼容。相位調(diào)制可以通過優(yōu)化波導(dǎo)材料的摻雜分布實(shí)現(xiàn)，而振幅調(diào)制通過III-V材料的異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)。

即使在理想條件有小偏差的情況下，該方法仍能提供穩(wěn)定性能�？梢圆捎孟冗M(jìn)制造技術(shù)和主動(dòng)調(diào)節(jié)方法，如熱光或電光相移器，來實(shí)現(xiàn)制造后系統(tǒng)參數(shù)的精細(xì)調(diào)節(jié)。
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5 k7 C! H% {) D1 z5 o5 O結(jié)論
這種抑制微環(huán)諧振腔中背向散射的創(chuàng)新方法代表了集成光電子技術(shù)的重要進(jìn)展。通過在特異點(diǎn)工作并利用非保守耦合，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有效的背向散射抑制，同時(shí)增強(qiáng)了弗洛凱模式轉(zhuǎn)換。
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6 y9 q3 v& V, g: f$ [$ ]5 L該方法與現(xiàn)有光電子技術(shù)平臺(tái)的兼容性以及對(duì)制造缺陷的容忍度使其特別適合實(shí)際應(yīng)用。隨著集成光電子技術(shù)持續(xù)發(fā)展，這種技術(shù)為改善光量子通信、信息處理和其他高級(jí)應(yīng)用中的器件性能提供了新方案。

參考文獻(xiàn)
[1] Pandey and A. Krasnok, "Backscattering-Immune Floquet Conversion in Ring Modulators," arXiv:2411.05336v1 [physics.optics], Nov. 8, 2024.

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