CN100390652C - 表面等离子波纳米光波导中光信号的拉曼放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种表面等离子波纳米光波导中光信号的放大方法。传统的纳米光波导应用于光传输时光损耗很大，限制了其应用。本发明的方法基于拉曼效应，就是对一个有确定工作波长的纳米光波导器件，用特定的泵浦光对纳米光波导器件进行泵浦，泵浦光与信号光约束在同一光波导中。根据纳米光波导器件的工作波长选定拉曼泵浦光源波长，根据纳米光波导器件信号光功率及结构确定泵浦光的功率。采用本方法使信号光由于拉曼效应的放大作用抵消了纳米光波导器件的本征损耗，拓展了基于等离子波纳米光波导的应用范围。本方法具有计算方便，操作简单等优点。

Description

表面等离子波纳米光波导中光信号的拉曼放大方法

技术领域

本发明属于集成光学技术领域，特别涉及了一种表面等离子波纳米光波导中光信号的放大方法。

背景技术

随着科学技术的进步和工业化的发展，光学器件日趋小型化、集成化。然而，由于衍射极限的影响，传统介质光波导在对光的约束上具有其本质上的弱点，不能将光有效限制在横向尺寸远小于波长的范围。这就迫使研究人员寻找能约束光至亚波长范围的有效途径。而基于表面等离子波的纳米光波导器件可以实现对光子纳米尺度的约束，从而促进了微小尺寸的各种各样的光学器件(光学芯片)如光通信器件、光学传感器件等的实现，并带来了集成光学革命性的发展。

基于表面等离子波的纳米光波导与其他传统的波导相比具有明显的优势，即可以把光约束到更小的尺度，实现更小的波导器件。然而这种纳米光波导应用于光传输时，存在严重的缺陷，即光损耗很大，限制了其应用。而基于拉曼效应的光信号放大技术已经被成功地应用于光纤通信系统，其所积累的经验实现为纳米光波导的光信号放大奠定理论基础。

发明内容

本发明提出了一种表面等离子波纳米光波导中光信号的基于拉曼效应放大法，以补偿波导本身的损耗，解决了纳米光波导光信号损耗问题。

本发明的方法采用基于拉曼效应的放大方法，就是对一个有确定工作波长的纳米光波导器件，用特定的泵浦光对纳米光波导器件进行泵浦，泵浦光与信号光约束在同一光波导中。由于纳米光波导器件材料的拉曼效应，其中的信号光被放大，补偿了信号光的损耗。确定纳米光波导器件的泵浦光的波长及功率方法是：

1、根据纳米光波导器件的工作波长λ₁，选定拉曼泵浦光源波长λ₂，两者波长满足公式(1)，

${\mathrm{\λ}}_2=c/(\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_1}+v)---\left(1\right)$

其中c为真空光速，v为纳米光波导材料的光学声子频率，即为纳米光波导材料的拉曼频移量。

2、根据纳米光波导器件信号光功率及结构确定泵浦光的功率，以补偿信号光的损耗。

对于条形纳米光波导器件中沿同一方向传输的信号光和泵浦光满足下列方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}=g{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_s{I}_s\\ \frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_p}g{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_p{I}_p\end{array}\right.---\left(2\right)$

对于条形纳米光波导器件中沿相反方向传输的信号光和泵浦光满足下列方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}=g{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_s{I}_s\\ \frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_p}g{I}_p{I}_s+{\mathrm{\α}}_p{I}_p\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，g为纳米光波导材料的拉曼增益系数，I_p为泵浦光功率，I_s为信号光功率，α_s为纳米光波导材料的信号光的衰减系数，α_p为泵浦光的衰减系数。其中g、α_s、α_p由纳米光波导器件材料及结构确定，在已知信号功率I_s的情况下，可由公式(2)计算泵浦光功率I_p。

对于其它结构的纳米光波导器件，通过对其结构的分析，将复杂的纳米光波导拆分成多个条形纳米光波导的组合，根据每个条形纳米光波导中信号光和泵浦光满足的方程及每个条形纳米光波导之间的边界条件，同样可以确定泵浦光的功率。该种组合计算为成熟技术。

本发明主要适用于在集成光学技术领域光纳米光波导表面等离子波的器件设计和应用。由于纳米光波导的拉曼效应，使信号光由于拉曼效应的放大作用抵消了纳米光波导器件的本征损耗，拓展了基于等离子波纳米光波导的应用范围。本方法具有计算方便，操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明一实施例整体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，该纳米光波导器件是在二氧化硅基底1上刻蚀波导3，在二氧化硅基底1上波导3两侧镀金属银，形成一个条形纳米光波导器件。相关尺寸参数为：d1＝10.05μm，d2＝5μm，d3＝0.05μm，d4＝0.05μm，d5＝5μm，d6＝1μm。

该器件工作波长为λ₁＝1550nm，入射到纳米光波导中的光信号功率为0.1mW。首先理论计算如下：由图1所确定的纳米光波导器件材料(二氧化硅)的拉曼频移量为v＝13.2×10¹²Hz，根据公式(1)，计算得到泵浦光波长λ₂＝1451nm。根据材料(二氧化硅和银)特性及工作波长，我们得到相关参数如下：信号光的衰减系数α_s＝4.5822×10⁺⁴m^-1，泵浦光的衰减系数α_p＝4.8637×10⁺⁴m^-1，拉曼增益系数g＝13.36W^-1m^-1。根据公式(2)，为了使得信号光经过纳米金属波导后的功率不变，即I_s(0)＝I_s(d6)，计算得到入射纳米金属波导的泵浦光功率为I_p＝168W。在实际使用中，根据入射信号功率度，选用对应波长的泵浦光，根据理论计算值设定泵浦光源功率，将泵浦光注入纳米光波导器件，实现对纳米光波导中信号光的拉曼放大。

Claims (1)

1.表面等离子波纳米光波导中光信号的拉曼放大方法，其特征在于该方法采用基于拉曼效应的放大方法，就是对一个有确定工作波长的纳米光波导器件，用特定的泵浦光对纳米光波导器件进行泵浦，泵浦光与信号光约束在同一光波导中；

根据纳米光波导器件的工作波长λ₁，选定拉曼泵浦光源波长λ₂，两者波长满足公式(1)，

${\mathrm{\λ}}_2\text{=c/}(\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_1}+v)---\left(1\right)$

其中c为真空光速，v为纳米光波导材料的光学声子频率，即为纳米光波导材料的拉曼频移量；

根据纳米光波导器件信号光功率及结构确定泵浦光的功率，具体是

对于条形纳米光波导器件中沿同一方向传输的信号光和泵浦光满足方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}=g{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_s{I}_s\\ \frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_p}g{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_p{I}_p\end{array}\right.---\left(2\right)$

对于条形纳米光波导器件中沿相反方向传输的信号光和泵浦光满足方程(3)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}=g{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_s{I}_s\\ \frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}=-\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_p}g{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_p{I}_p\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中g为纳米光波导材料的拉曼增益系数、I_p为泵浦光功率、I_s为信号光功率、α_s为纳米光波导材料的信号光的衰减系数、α_p为泵浦光的衰减系数。

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