CN104977774A - 一种用于实现硅基多波长光源的色散剪裁的微腔 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于实现硅基多波长光源的色散剪裁的微腔，微腔为环形结构，包括条形波导以及与条形波导连接的二维平板光子晶体波导；波长在目标波段内的泵浦光经过所述微腔后形成克尔光频梳；提高了目标波段内光频梳的泵浦效率。本发明中，在目标波段，两种波导结构的色散相互补偿，可以使得其目标波段的色散整体平坦且近零色散，符合级联四波混频的发生条件，而目标波段两边的波段依然色散较大，无法发生更高阶的四波混频，从而将光频梳限制在目标波段内，进而达到提高微腔在目标波段泵浦效率的目的。

Description

一种用于实现硅基多波长光源的色散剪裁的微腔
技术领域
本发明属于激光器领域，更具体地，涉及一种用于实现硅基多波长光源的色散剪裁的微腔。
背景技术
随着全球信息交流的指数增长，对通信系统高速率大容量要求越来越高。光互联技术是现今最有潜力克服通信网络传输瓶颈的途径，通过多个波分复用(WDM)信道与多种调制格式的结合使用，几十Tbit/s的数据传输将可能得以实现。目前，集成化的Tbit/s光探测单元已经被提出，光信号传输速率的提升主要还是受限于光源。尤其当使用到一些同时调制振幅和相位的调制格式时，对光载波的相位噪声和振幅噪声都变得十分严格。
目前，WDM系统中使用的光载波主要是DFB激光器阵列，集成了DFB激光器的传输系统已经在InP衬底上实现，能同步实现40个信道的传输。然而这些研究都不能直接在硅光子平台上集成，则DFB激光器和光发射器之间的端面需要大量的连接口，这无疑将大大提高封装成本。通过III-V族与硅基片的键合工艺可以避免这一问题，但信道容量仍然受到半导体材料增益带宽和热效应的限制。另外，基于多个DFB并联的传输系统，其单个光频具有不稳定性，需要预留一定频谱范围来避免信道重合，这将降低频谱利用率，进一步阻碍通信容量的提升，利用光频梳作为光源则可以克服以上问题。形成光频梳的方法目前主要有三种：一、通过对窄带连续信号光进行外部调制；二、对量子点激光器锁模；三、利用高Q值微腔内的克尔效应。相对于前两者，克尔光频梳的带宽不受到调制强度以及有源增益带宽的限制，且具有阈值更低、能耗更小、更易集成等优点。
通过对微腔色散曲线的设计，可使得形成的克尔光频梳带宽达几百纳米。然而实际通信系统中，通常并未使用到这样宽带的光梳范围，因而信道范围之外的光频梳模的存在会造成泵浦能量的浪费。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于实现硅基多波长光源的色散剪裁的微腔，其目的在于提高目标波段内的泵浦效率。
本发明提供的一种用于实现硅基多波长光源的色散剪裁的微腔中，微腔为环形结构，包括条形波导以及与所述条形波导连接的二维平板光子晶体波导；波长在目标波段内的泵浦光经过所述微腔后形成克尔光频梳；提高了目标波段内光频梳的泵浦效率。
本发明通过将光子晶体波导与条形波导嵌入连接，可使得其在特定波长范围内群速度色散较小，且随波长呈负斜率缓慢变化，而在此波长范围以外，则色散迅速增大。然而，完全由光子晶体波导构成的微腔，其色散在所需波段内无法做到完全平坦，无法达到级联四波混频的发生的相位匹配要求；且由于现阶段工艺误差等问题，其Q值无法做到很高，这会降低腔内能量密度，进而降低级联四波混频的泵浦效率。
更进一步地，所述二维平板光子晶体波导包括：第一波导以及位于所述第一波导两边对称排列的多个空气孔；所述空气孔为等边三角晶格分布。各个空气孔分布在等边三角形的各个顶点，且等边三角形的边长即为二维平板光子晶体波导的周期常数。
更进一步地，位于所述第一波导两边第一排的空气孔相对光传输方向的切向位移为二分之一周期常数，所述周期常数为所述等边三角形的边长。通过调整第一波导两边第一排空气孔隙的相对光传输方向的切向位移来调整光子晶体波导近零色散波段的带宽，当此值达到半个周期长度，光子晶体波导的色散近零色散波长带宽最多可达40nm以上。
更进一步地，在所述条形波导与所述二维平板光子晶体波导中所述第一波导的接口处，第一个空气孔的圆心与所述条形波导的边缘对齐。
更进一步地，所述第一波导的长度为50μm～100μm。
更进一步地，还包括锥形结构，设置在所述条形波导与所述二维平板光子晶体波导的连接处，用于减小接口损耗。当条形波导以及光子晶体的尺寸固定时，可通过调节端口处的孔隙的占空比、相对原标准光子晶体位置的位移，或者在两端口处的条形波导处增加锥形结构来达到减小接口损耗的目的。
在保证色散条件，即波导两边第一排孔隙的切向位移为1/2周期时，可通过调整两端口处波导两边第一个空气孔隙的大小或位移，来减小端口损耗，当孔隙大小不变，使其圆心部分与条形波导边缘对齐时，其理论插损可降至0.1dB以下。
本发明中，在目标波段，两种波导结构的色散相互补偿，可以使得其目标波段的色散整体平坦且近零色散，符合级联四波混频的发生条件，而目标波段两边的波段依然色散较大，无法发生更高阶的四波混频，从而将光频梳限制在目标波段内，进而达到提高微腔在目标波段泵浦效率的目的。
附图说明
图1为现有常规方案的产生光频梳的微环结构示意图。
图2为现有常规方案的产生光频梳的微环的色散曲线及其产生的光频梳示意图，其中图2(a)为微环的色散曲线示意图，图2(b)为图2(a)色散情况下对应产生的光频梳示意图。
图3所示为本发明提出的混合结构微腔结构示意图，主要为在原有腔上插入一小段长度50μm～100μm的光子晶体波导。
图4所示为微腔结构示意图，图4(a)描述了原始跑道型微腔的整体俯视图，图4(b)描述了加入光子晶体波导后，混合微腔的整体俯视图。
图5所示为本发明提出的混合结构微腔的总色散曲线及其产生的光频梳示意图，其中图5(a)为微环的色散曲线示意图，图5(b)为图5(a)色散情况下对应产生的光频梳示意图。
图6所示为以氮化硅跑道型微腔为例，通过结构设计，对齐色散曲线进行调整的示意图。其中图6(a)、图6(b)、图6(c)为调整方法示意图，图6(d)为对应图4(b)结构的一种色散调整的方案：取波导两边第一排孔隙的切向位移为1/2周期长度。
图7所示为以氮化硅跑道型微腔为例，通过接口结构设计，对齐接口损耗进行调整的示意图。其中图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)为调整方法示意图，图7(e)为对应图4(b)结构的一种接口损耗调整的方案：取接口处第一排的孔隙进行法向位移，使其圆心对准条形波导的外侧。
图8所示为槽型波导替换后的混合型微腔示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所要解决的技术问题是提出一种新的混合结构的硅基微环，此结构具有特殊的色散剪裁特性。此种色散特性的实现可提高由波导内克尔效应产生的光频梳在目标光通信波段(1530nm～1565nm)内的泵浦效率。本发明提出了一种微环形腔，其结构主要由光子晶体波导(PCW)和普通条形波导混合组成，并通过一根外部波导提供泵浦和输出。
本发明中，由于克尔效应的波长转换过程(主要是级联四波混频)的对色散十分敏感，只有当色散接近于零时才具有较高的效率。因此，若是能够通过剪裁色散曲线，使得在所需波段内，色散较小，相应的级联四波混频效率高，之外则色散较大，相应的级联四波混频效率低，从而将泵浦光能量的转换局限在所需波段内，进而得以提高泵浦效率。
通过设计光子晶体结构，可使得其在特定波长范围内群速度色散较小，且随波长呈负斜率缓慢变化，而在此波长范围以外，则色散迅速增大。然而，完全由光子晶体波导构成的微腔，其色散在所需波段内无法做到完全平坦，无法达到级联四波混频的发生的相位匹配要求；且由于现阶段工艺误差等问题，其Q值无法做到很高，这会降低腔内能量密度，进而降低级联四波混频的泵浦效率。
考虑到普通波导在目标通信波段通常为正斜率缓变，本发明提出了一种光子晶体波导与普通波导相连的混合结构微环腔。在目标波段，两种波导结构的色散相互补偿，可以使得其目标波段的色散整体平坦且近零色散，符合级联四波混频的发生条件，而目标波段两边的波段依然色散较大，无法发生更高阶的四波混频，从而将光频梳限制在目标波段内，进而达到提高微腔在目标波段泵浦效率的目的。
如图3所示的本发明的混合结构微腔结构示意图，包括一个直通型耦合波导和一个嵌入一段光子晶体波导的微环，通过在耦合波导的一端注入单波长直流泵浦光，可在另一端得到光频梳输出。
本发明的混合结构微腔结构，考虑到光子晶体结构对孔隙分布规则的严格要求，其原始腔必须有一段为直波导，以下均以跑道型微腔(如图4(a)所示)为例，本发明的关键在于，在此普通环中嵌入了一段二维平板光子晶体波导(slabPCW)。
考虑到光子晶体带隙的宽度以三角分布时为最大，所嵌入的二维平板型光子晶体主要为等边三角晶格分布(孔隙分布在等边三角形各顶点，等边三角形边长即为周期常数)，且由一个条状缺陷(即无孔隙分布的条状带)构成波导，此缺陷波导与原条形波导相接，构成跑道型微环中直臂的一部分，如图4(b)所示。光子晶体周期常数与材料折射率、波导芯层厚度、孔隙占空比等参数有关，对芯层为氮化硅(折射率约为2.0)，包层为空气(折射率约为1.0)，厚度约为700nm的波导，占空比约30％，其周期常数约为300nm时，可使得近零色散波段落在1550nm附近。
在这个微环内，泵浦光(其波长在目标波段内)首先发生简并四波混频过程，即两个泵浦光子产生的一个一级闲频光子和一个一级信号光子，继而引发一系列的简并及非简并四波混频过程，即发生级联四波混频，产生多级的边带，形成克尔光频梳。以上过程，在目标波段内都能以较高的效率发生，然而在目标波段以外，由于色散过大，再无法满足四波混频发生的相位匹配条件，从而使得更高级的四波混频边带无法产生，从而节省了泵浦光及已得到的光频梳各边带的能量，提高了目标波段光频梳的泵浦效率。
本发明中的光子晶体波导的色散曲线的设计主要可以通过改变波导孔隙的占空比及相对原标准光子晶体位置的位移来达到目的，如图6(a)-图6(c)所示。以图4(b)的结构为例，当我们调整波导两边第一排空气孔隙的相对光传输方向的切向位移来调整光子晶体波导近零色散波段的带宽，当此值达到半个周期长度，即变为图6(d)所示情况时，光子晶体波导的色散近零色散波长带宽最多可达40nm以上，按100GHz的信道间隔计算，则其中可包含约50个信道。
本发明中的光子晶体波导与普通条形波导间的接口损耗可通过设计达到较小值，以保证混合结构微环的Q值。当条形波导以及光子晶体的尺寸固定时，可通过调节端口处的孔隙的占空比、相对原标准光子晶体位置的位移，或者在两端口处的条形波导处增加锥形结构来达到减小接口损耗的目的，调整方式如图7(a)所示。以图4(b)的结构为例，在保证色散条件，即波导两边第一排孔隙的切向位移为1/2周期时，可通过调整两端口处波导两边第一个空气孔隙的大小或位移，来减小端口损耗，当孔隙大小不变，使其圆心部分与条形波导边缘对齐时，其理论插损可降至0.1dB以下。
最后应说明的是，以上氮化硅跑道型微环的例子仅用以说明本发明的技术方案而非限制，其材料可以但不限于是氮化硅材料，基本微环的形状除了跑道型也可以是螺旋型等，原始波导的结构除了是条形波导也可以是脊形波导或槽型波导等，所嵌入的光子晶体波导除了是二维光子晶体平板波导也可以是二维槽型光子晶体波导结构(如图8所示)等。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改，其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于实现硅基多波长光源的色散剪裁的微腔，其特征在于，所述微腔为环形结构，包括条形波导以及与所述条形波导连接的二维平板光子晶体波导；波长在目标波段内的泵浦光经过所述微腔后形成克尔光频梳；提高了目标波段内光频梳的泵浦效率。
2.如权利要求1所述的微腔，其特征在于，所述二维平板光子晶体波导包括：第一波导以及位于所述第一波导两边对称排列的多个空气孔；所述空气孔为等边三角晶格分布。
3.如权利要求2所述的微腔，其特征在于，位于所述第一波导两边第一排的空气孔相对光传输方向的切向位移为二分之一周期常数，所述周期常数为所述等边三角形的边长。
4.如权利要求3所述的微腔，其特征在于，在所述条形波导与所述二维平板光子晶体波导中所述第一波导的接口处，第一个空气孔的圆心与所述条形波导的边缘对齐。
5.如权利要求2-4任一项所述的微腔，其特征在于，所述第一波导的长度为50μm～100μm。
6.如权利要求1-4任一项所述的微腔，其特征在于，还包括锥形结构，设置在所述条形波导与所述二维平板光子晶体波导的连接处，用于减小接口损耗。
7.如权利要求1-6任一项所述的微腔，其特征在于，所述目标波段为1530nm～1565nm。
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