CN105372901A - 一种硅基全光波长转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅基全光波长转换器，包括依次设置的第一硅条形波导、狭缝结构和第二硅条形波导；第一硅条形波导和第二硅条形波导的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合器连接；通过改变波导截面宽度，使得截面宽度改变前后相位失配的正负符号相反，从而对相位失配进行调控，使得能量不断从泵浦光向目标光转移，提高转换效率。狭缝结构的高度保持不变，第一硅条形波导和第二硅条形波导的横截面宽度在第一宽度W1和第二宽度W2之间周期性变化。第一宽度W1和第二宽度W2需满足如下关系：κ_W1κ_W2<0，κ_W1、κ_W2分别表示所述第一宽度W1和所述第二宽度W2对应的相位失配。本发明由于通过周期性改变硅基波长转换器的截面尺寸，实现了对相位失配的有效调控，能够提高转换效率。

Description

一种硅基全光波长转换器

技术领域

本发明涉及集成光子学及非线性光学领域，特别涉及一种高转换效率的硅基全光波长转换器。

背景技术

光通信是现代信息、传输最重要的方式之一，正朝着超高速、大容量、大宽带、长距离、低成本的方向前进。波长转换器是解决光通信网络中光纤、滤波器、放大器等全光器件带宽限制的关键器件。硅基材料具有集成度高、制造工艺兼容CMOS、稳定性好、非线性系数高等特点,适合用于全光波长转换器的制造。在硅基全光波长转换器中，外界泵浦光与信号光注入硅介质中，激发起材料的三阶非线性效应——克尔效应，并通过四波混频效应产生新的频率分量。以简并四波混频过程为例，注入泵浦光的频率为ω_p，信号光频率为ω_s，则四波混频过程产生了频率为ω_c＝2ω_p-ω_s的目标光，实现了波长转换。

转换效率是衡量波长转换器工作性能的重要指标。此处，转换效率定义为CE＝P_c/P_in，式中，P_c、P_in分别为目标光的功率与信号光的输入功率。非线性系数与相位失配是决定转换效率高低的主要因素。非线性系数用于表征光场与介质之间相互作用的能力大小。非线性系数越大，四波混频效应越强。与传统条形波导相比，硅基狭缝波导减小了波导的有效模场面积，增强了光场和介质之间的相互作用；在狭缝结构中填充高非线性材料，则能够进一步提高非线性系数，有助于提升转换效率。然而，相位失配使得目标光的功率呈现周期性增强与衰减的变化规律，限制了硅基狭缝波导的输出转换效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种硅基全光波长转换器，其目的在于提高波长转换器的转换效率，旨在解决现有技术中由于相位失配限制了硅基狭缝波导的输出转换效率的问题。

本发明提供了一种硅基全光波长转换器，包括依次设置的第一硅条形波导、狭缝结构和第二硅条形波导；所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合器连接；通过改变波导截面宽度，使得截面宽度改变前后相位失配的正负符号相反，从而对相位失配进行调控，使得能量不断从泵浦光向目标光转移，提高转换效率。

更进一步地，所述狭缝结构的高度保持不变，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的横截面宽度在第一宽度W1和第二宽度W2之间周期性变化。

更进一步地，所述第一宽度W1和所述第二宽度W2需满足如下关系：κ_W1κ_W2<0，κ_W1、κ_W2分别表示所述第一宽度W1和所述第二宽度W2对应的相位失配。其中，当狭缝高度为30纳米，狭缝结构中填充硅纳米晶，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米时，第一宽度W1和第二宽度W2需要满足：W1<275nm<W2或者W1>275nm>W2。

更进一步地，所述狭缝结构为水平狭缝波导，水平设置于所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导之间。水平狭缝波导不易受弯曲的影响，能够减小弯曲损耗对波长转换器的影响。

更进一步地，所述水平狭缝波导的宽度为0.2微米～2微米，高度为20纳米～100纳米，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的高度为0.1微米～0.8微米。

更进一步地，所述狭缝结构为垂直狭缝波导，垂直设置于所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导之间。

更进一步地，狭缝结构与硅条形波导同一平面内，通过光刻工艺一次刻蚀完成；工艺简单，制作方便。

更进一步地，所述垂直狭缝波导的高度为0.2微米～2微米，宽度为20纳米～100纳米，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的宽度为0.1微米～0.8微米。

更进一步地，所述狭缝结构中填充有高非线性材料，所述高非线性材料指非线性折射率大于硅的非线性折射率的材料。

更进一步地，所述高非线性材料为硅纳米晶、电光聚合物、热光聚合物、掺饵聚合物或有机聚合物。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于通过周期性改变硅基波长转换器的截面尺寸，实现了对相位失配的有效调控，能够取得提高转换效率的有益效果。

附图说明

图1为现有的水平硅基狭缝条形波导波长转换器。图中，条形波导横截面宽度W保持不变。其中，11为狭缝结构，12为硅条形波导。

图2(a)为本发明第一实施例提供的水平狭缝波导的侧视图，(b)为本发明的水平狭缝波导的俯视图。图中狭缝结构高度保持不变，波导的横截面宽度在W1、W2之间变化，不同宽度部分通过锥形耦合器连接。其中，21为狭缝结构，22为硅条形波导，23为锥形耦合器。

图3(a)为本发明第二实施例提供的垂直狭缝波导的侧视图，(b)为本发明的垂直狭缝波导的俯视图。图中狭缝结构宽度保持不变，波导的横截面宽度在W1、W2之间变化，不同宽度部分通过锥形耦合器连接。其中，31为狭缝结构，32为硅条形波导，33为锥形耦合器。

图4为现有的硅基水平对称狭缝波导波长转换器中，sinθ的值随传输距离的变化情况。波导总长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，波导宽度为300纳米，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入泵浦光波长为1550纳米，功率为300毫瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0.1毫瓦。

图5为现有的硅基水平对称狭缝波导波长转换器中，转换效率随传输距离的变化情况。波导总长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，波导宽度为300纳米，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入泵浦光波长为1550纳米，功率为300毫瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0.1毫瓦。

图6为硅基水平对称狭缝波导的相位失配值随波导宽度的变化情况。狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。

图7为本发明的对称水平狭缝波导中，sinθ的值随传输距离的变化情况。波导总长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，波导宽度在300纳米与250纳米之间交替变化，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入泵浦光波长为1550纳米，功率为300毫瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0.1毫瓦。

图8为本发明的对称水平狭缝波导中，转换效率随传输距离的变化情况。波导总长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，波导宽度在300纳米与250纳米之间交替变化，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入泵浦光波长为1550纳米，功率为300毫瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0.1毫瓦。

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。

本发明提出了一种高转换效率的硅基全光波长转换器，通过使用一种填充了高非线性材料的硅基狭缝波导，周期性调整波导截面的尺寸，具体而言，调整波导截面宽度，对相位失配进行调控，引导能量不断从泵浦光转移向目标光，实现了高转换效率的全光波长转换。

本发明提出了一种填充了高非线性材料的硅基狭缝波导，用于实现高转换效率的全光波长转换，狭缝波导的截面宽度周期性变化，其中高非线性材料是指非线性折射率大于硅的非线性折射率(6×10^-18m²/W)的材料。

相位失配通过影响泵浦光、信号光与目标光之间的相位差θ来决定四波混频效应中的能量流动方向。相位差θ随传输过程的变化情况如以下公式所示：

$\frac{d\mathrm{\&theta;}}{dz}=\mathrm{\&kappa;}+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{p,s,i}......\left(1\right)$

${\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{p,s,i}=\&lsqb;\mathrm{\&gamma;}{(P_p^2{P}_i/P_s)}^{1/2}+\mathrm{\&gamma;}{(P_p^2{P}_s/P_i)}^{1/2}-4\mathrm{\&gamma;}{\left(P_s{P}_i\right)}^{1/2}\&rsqb;cos\mathrm{\&theta;}......\left(2\right)$

式中，κ表示相位失配，γ表示非线性系数，P_p表示泵浦光的功率，P_s信号光的功率，P_i目标光的功率；sinθ>0时，能量从泵浦流向目标光，使得转换效率得到增强；sinθ<0时，能量从目标光流回泵浦，转换效率随之降低。

相位失配由波导的色散与非线性系数决定，满足如下公式

κ＝β₂(ω_P)(ω_p-ω_s)²+β₄(ω_P))(ω_p-ω_s)⁴/12+2γP_p……(3)

式中，β₂(ω_p)和β₄(ω_p)分别是波导的二阶、四阶色散。由于波导色散与波导的截面尺寸大小有关，对于截面保持不变的狭缝波导，波导的二阶、四阶色散保持不变，则相位失配为一定值。从公式(1)可以看出，随之传输距离的增大，定值κ将使得sinθ的值在正值与负值之间周期性变化，目标光的功率呈现周期性增强与衰减的变化趋势。

本发明通过改变波导截面尺寸，对β₂(ω_p)和β₄(ω_p)的值周期性改变，实现对调控相位失配κ的调控。具体而言，当sinθ的值为负时，改变波导截面宽度，使得截面宽度改变前后，相位失配的正负符号相反，从而使得sinθ的值重新变为正值，即满足κ_W1κ_W2<0……(4)；κ_W1、κ_W2分别为截面尺寸改变前后，不同截面宽度对应的相位失配值。

通过对相位失配的调控，能量不断从泵浦光向目标光转移，转换效率得到提升。不同宽度部分之间采用锥形耦合器连接。锥形耦合器的宽度连续变化，用其连接两段截面宽度不同的波导，能够减小光传输过程中的损耗。

图2(a)示出了本发明第一实施例提供的水平狭缝波导的侧视图，(b)为本发明的水平狭缝波导的俯视图。硅基全光波长转换器包括依次设置的硅条形波导22、狭缝结构21和硅条形波导22；其中硅条形波导22的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合器23连接；狭缝结构21的高度保持不变，硅条形波导22的横截面宽度在第一宽度W1和第二宽度W2之间周期性变化，不同宽度部分通过锥形耦合器23连接。作为本发明的一个实施例，狭缝结构21被水平夹于两硅条形波导22之间，为水平狭缝波导。水平狭缝波导不易受弯曲的影响，能够减小弯曲损耗对波长转换器的影响。

图3(a)为本发明第二实施例提供的垂直耦合狭缝波导的侧视图，(b)为本发明的垂直耦合狭缝波导的俯视图。硅基全光波长转换器包括依次设置的硅条形波导32、狭缝结构31和硅条形波导32，其中硅条形波导32的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合器33连接；狭缝结构31的宽度保持不变，硅条形波导32的横截面宽度在第一宽度W1和第二宽度W2之间周期性变化，不同宽度部分通过锥形耦合器33连接。作为本发明的一个实施例，狭缝结构被垂直夹于两硅条形波导之间，为垂直狭缝波导。垂直狭缝波导中，狭缝结构与硅条形波导同一平面内，可以通过光刻工艺一次刻蚀完成，工艺简单，制作方便。

在本发明实施例中，狭缝波导可选为对称结构，即狭缝两侧条形波导结构参数完全一致，也可选为非对称结构，即狭缝两侧条形波导结构参数不完全相同。

在本发明实施例中，对于狭缝结构中填充的非线性材料，可选择为硅纳米晶、电光聚合物、热光聚合物、掺饵聚合物或有机聚合物。这些材料的非线性系数较高，能够产生较强的四波混频效应，增强光场与波导结构的作用强度。

在本发明实施例中，狭缝波导上包层材料可选择为空气、二氧化硅。选用空气为上包层，则光刻完成后无需后续加工，工艺流程简单；选用二氧化硅为上包层，有助于减小传输损耗。可根据实际需求与工艺条件选择。

在本发明实施例中，垂直狭缝波导的高度为0.2微米～2微米，狭缝宽度为20纳米～100纳米，两侧硅条形波导的宽度为0.1微米～0.8微米；水平狭缝波导的宽度为0.2微米～2微米，狭缝高度为20纳米～100纳米，上、下硅条形波导的高度为0.1微米～0.8微米。锥形耦合器长度为锥形耦合器内边缘长度，其值取值范围为10微米～50微米。截面尺寸的选择与选用结构、狭缝中填充物的材料有关，在此范围内，波导横截面积适中，有利于增强波导的非线性效应，且能够满足现有的工艺要求，便于制作。而横截面积过大，波导的非线性降低，降低四波混频效应的强度；横截面过小，又会增加器件制作难度，提高对实际工艺的要求。

将泵浦光、信号光注入水平狭缝波导中，在四波混频效应作用下，产生了新的频率分量。在传输距离较小时，图1、2所示的两种波导宽度均为300纳米，如技术背景中所述，sinθ的值为正值，图5、图8中转换效率均处于增大状态。随着传输距离逐渐增大，由于相位失配的影响，sinθ的值不断减小，直到变为0。此后，现有狭缝波导结构中，sinθ的值呈现正负交替的变化情况(如图4所示)，目标光功率周期性增强与衰减，转换效率随传输距离振荡变化(如图5所示)，最终的输出效率仅为-30.6dB。

而本发明提出的波长转换器，则在sinθ＝0时，改变波导横截面的宽度，使得波导结构的色散改变，实现对相位失配的调控，使得sinθ的值重新变为正值，引导能量不断从泵浦光转移向目标光，使得转换效率不断得到增强。图6表示狭缝波导不同宽度对应的相位失配值，该波导的狭缝高度为30纳米，狭缝结构中填充硅纳米晶，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，上包层为空气，注入泵浦光波长为1550纳米，信号光波长为1850纳米。当波导宽度W>275nm时，相位失配值为负值；当波导宽度W<275nm时，相位失配值为正值。因此，根据公式(4)，本实施例中波导截面宽度W1、W2需满足：

W1<275nm<W2或者W1>275nm>W2

由于W1＝300nm，因此宽度W2应当小于275nm。选取W2＝250nm，通过周期性改变波导宽度，本发明提出的波长转换器转换的最终输出效率为-12.4dB，极大地提高了转换效率。

硅基狭缝波导的结构除了上面的垂直狭缝波导，还可以为水平狭缝波导(如图3所示)。狭缝波导可为对称波导，也可为非对称波导。狭缝结构中填充的非线性材料除了硅纳米晶，还可以为电光聚合物、热光聚合物、掺饵聚合物或有机聚合物。波导上包层除了为空气，还可以为二氧化硅。各自特点已经在前文中阐明，可以根据实际需求与工艺水平进行选择。

为本发明器件尺寸一般为：垂直狭缝波导的高度为0.2微米～2微米，狭缝宽度为20纳米～100纳米，两侧硅条形波导的宽度为0.1微米～0.8微米；水平狭缝波导的宽度为0.2微米～2微米，狭缝高度为20纳米～100纳米，上下硅条形波导的高度为0.1微米～0.8微米。定义锥形耦合器长度为锥形耦合器内边缘长度，其值取值范围为10微米～50微米。关于各尺寸的大小，前文中已经阐明，既考虑器件性能，又考虑了实际工艺。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种硅基全光波长转换器，其特征在于，包括依次设置的第一硅条形波导、狭缝结构和第二硅条形波导；

所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合器连接；

通过改变波导截面宽度，使得截面宽度改变前后相位失配的正负符号相反，从而对相位失配进行调控，使得能量不断从泵浦光向目标光转移，提高转换效率。

2.如权利要求1所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述狭缝结构的高度保持不变，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的横截面宽度在第一宽度W1和第二宽度W2之间周期性变化。

3.如权利要求2所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述第一宽度W1和所述第二宽度W2需满足如下关系：κ_W1κ_W2<0，κ_W1、κ_W2分别表示所述第一宽度W1和所述第二宽度W2对应的相位失配。

4.如权利要求2所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述狭缝结构为水平狭缝波导，水平设置于所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导之间。

5.如权利要求4所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述水平狭缝波导的宽度为0.2微米～2微米，高度为20纳米～100纳米，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的高度为0.1微米～0.8微米。

6.如权利要求2所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述狭缝结构为垂直狭缝波导，垂直设置于所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导之间。

7.如权利要求6所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，狭缝结构与所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导位于同一平面内，通过光刻工艺一次刻蚀完成。

8.如权利要求6或7所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述垂直狭缝波导的高度为0.2微米～2微米，宽度为20纳米～100纳米，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的宽度为0.1微米～0.8微米。

9.如权利要求2-8任一项所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述狭缝结构中填充有高非线性材料，所述高非线性材料指非线性折射率大于硅的非线性折射率的材料。

10.如权利要求9所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述高非线性材料为硅纳米晶、电光聚合物、热光聚合物、掺饵聚合物或有机聚合物。