CN106647098B - 一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法 - Google Patents

一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，包括有如下步骤：1、通过超短脉冲光源发出重复频率为8‑12MHz，中心波长为1.4‑2.2微米；2、超短飞秒光脉冲经过透镜耦合注入色散平坦的脊形/沟槽混合反向氮化硅波导，氮化硅波导的结构包括设置于硅片上的二氧化硅氧化层，二氧化硅于表面刻蚀形成含有单二氧化硅脊的沟槽；本发明氮化硅波导在结构上采用脊形/沟槽混合结构，使得光场有效面积较小，实现波导的非线性系数相对较大，当高峰值功率飞秒光脉冲进入波导后，发生自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子频移、色散波产生等一系列非线性过程，最终形成从近红外到中红外波段的超连续光谱。

Description

一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法
技术领域
本发明涉及光片上集成光子通信与传感技术领域，尤其涉及一种光通信波段到中红外波段的超连续光谱产生方法。
背景技术
超连续光谱是指在宽频率范围内光强度随频率变化呈连续分布的光谱，是高强度的脉冲通过非线性材料时,光谱急剧展宽(展宽可达数十至数千纳米)的一种复杂的非线性现象。由于超连续光谱在脉冲压缩、光通信、光学相干层析、光谱分析与光传感、超短脉冲产生和光学频率梳等众多科学领域具有广泛而重要的应用，因而近年来一直是国际研究热点。
最早的超连续光谱是由Alfano在块状玻璃中发现并首次报道的，他发现当波长为530nm、脉冲能量为5mJ的皮秒脉冲在块状BK7玻璃中传播后，可以获得波长从400到700nm的覆盖整个可见光范围的白光光谱。随后人们不断在各种材料中产生了超连续光谱，所覆盖的波长范围亦有很大差异。当前，获得具有较宽的波长覆盖范围、较高的平均输出功率和光谱功率密度的超连续谱已成为超连续光谱重要的研究方向。根据产生超连续谱的非线性介质种类的不同，目前报道的超连续谱光源大致可以分为以下六类：
1、基于块状晶体的超连续谱光源，其缺点是超连续谱覆盖波长范围有限；
2、基于普通无源光纤的连续谱光源。其中，无源光纤包括普通的折射率导引光纤和常规的高非线性光纤等非增益光纤，这类超连续谱光源由抽运激光器和无源光纤(非线性介质)两部分构成，抽运激光经过无源光纤的传输后，由于非线性效应导致光谱被展宽，从而产生了超连续谱，基于这种方式的超连续谱光源，由于器材都比较常规，所以构建容易，系统成本低，并且普通光纤的熔接技术比较成熟，便于实现全光纤化的超连续谱光源，但是由于普通无源光纤的非线性系数相对较低，产生超连续谱需要使用较长的光纤；另外，由于普通光纤的色散特性调节困难，不易产生比抽运波长短的宽带超连续谱；
3、基于掺稀土元素光纤的超连续谱光源。这类超连续谱光源通常就是一个非线性的光纤激光放大器，通过综合利用增益光纤中的激光增益特性和非线性效应，在能量从抽运光向激光转移的同时，实现激光光谱的极大展宽，基于这种方式的超连续谱光源，不仅结构简单，而且易于实现高功率输出，但是基本不能产生比抽运波长短的宽带超连续谱，另外基于大模场面积光纤的高功率非线性光纤激光放大器通常不能现实基横模运行；
4、基于光子晶体光纤的超连续谱光源。这类超连续谱光源由抽运激光器和光子晶体光纤两部分组成，经过合理设计的光子晶体光纤，能够在拥有合适的色散特性的同时，还具有较高的非线性系数，并且基于此种光纤产生的高功率超连续谱还可以在较宽的波段范围内实现单模运行；
5、基于硫化物波导的超连续谱光源，其优点是非线性系数高，波长透明窗口可至远红外；
6、基于硅波导的超连续谱光源。
综合分析上述情况，前四种类型均不便于实现片上光子集成，后两种类型虽然可以集成，但硫化物波导性能相对不稳定，硅波导在光通信波段存在较大的双光子吸收和自由载流子吸收效应，大大限制了非线性效应的效率。而新发展的氮化硅波导具有较大的非线性系数，同时具有从可见光到中红外的宽波长范围透明窗口，且其内部的双光子吸收与自由载流子吸收效应可忽略，并与现有的CMOS工艺兼容。因此，基于氮化硅波导的片上超连续谱光源非常具有发展前途。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于反向脊形/沟槽混合氮化硅波导的通信带到中红外波段超连续光谱产生方法。
为实现上述技术目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，其特征在于，包括有如下步骤：
步骤一、通过超短脉冲光源发出超短飞秒光脉冲；
步骤二、将步骤一发出的超短飞秒光脉冲经过透镜耦合注入氮化硅波导。
进一步地，在步骤一中，所述超短飞秒光脉冲的重复频率为8-12MHz，中心波长为1.4-2.2微米，半值全宽和峰值功率分别为45-55飞秒和8-12千瓦。
优选的是，所述超短飞秒光脉冲的重复频率为10MHz，中心波长为1.804微米，半值全宽和峰值功率分别为50飞秒和10千瓦的超短飞秒光脉冲。
进一步地，在步骤二中，所述氮化硅波导为色散平坦的反向氮化硅脊形/沟槽混合波导，其色散值经过优化配置，在±10ps/(nm·km)范围内带宽达610纳米。
优选的是，所述氮化硅波导的结构包括设置于硅片上的二氧化硅氧化层，所述二氧化硅氧化层刻蚀形成含有单二氧化硅脊的沟槽，并于脊形二氧化硅两侧的沟槽填充氮化硅，最后在整个结构表面再覆盖一层氮化硅反向结构。
进一步地，所述沟槽高度为800-1200纳米，所述二氧化硅脊宽度为50-90纳米，其两侧填充氮化硅宽度分别为820-940纳米和290-410纳米,所述氮化硅的反向结构的厚度为15-25纳米。
优选的是，所述沟槽高度为1000纳米,二氧化硅脊宽70纳米,其两侧氮化硅宽度各为880和350纳米,顶层氮化硅厚度20纳米。
通过以上技术方案，本发明的有益效果如下：
1、本发明氮化硅波导在结构上采用脊形/沟槽混合结构，使得光场有效面积较小，实现波导的非线性系数相对较大。当高峰值功率飞秒光脉冲进入波导后，发生自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子频移、色散波产生等一系列非线性过程，最终形成从近红外到中红外波段带宽为2996纳米的超连续光谱。
2、本发明针对片上光通信与光传感应用背景，提出一种片上超连续谱产生方法，采用新型氮化硅波导中的非线性光学原理，一方面避免了采用光纤需要较长的长度，另一方面克服了基于SOI波导时硅内部双光子吸收易引起非线性光功率消耗的弊端，同时具有与CMOS工艺兼容、产生的超连续谱范围宽可覆盖近红外到中红外波段等优点，在未来片上光子通信与传感等领域具有重要的实用价值。
3、本发明利用色散平坦高非线性反向脊形/沟槽混合氮化硅波导中的三阶非线性效应，首次实现了从传统光纤通信带到中红外波长的超连续光谱产生方法，设计的片上超连续谱光源对于未来片上集成光子通信与传感系统的发展具有重要作用。
附图说明
图1为本发明氮化硅波导结构图,图中：101、硅片；102、二氧化硅氧化层；103、沟槽；104、氮化硅反向结构。
图2为氮化硅波导的色散特性与模场分布；
图3为基于本发明方法实现超连续谱的实施示意图，图中：301、飞秒激光器；302、半波片；303、偏振分束器；304、透镜；305、氮化硅波导；306光谱仪。
图4为实施例1中不同注入功率下输出超连续谱的光谱分布；
图5为实施例2中不同注入功率下输出超连续谱的光谱分布；
图6为超连续光谱形成过程的动态时(波形)频(光谱)特性。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种能实现近红外到中红外波段的超连续谱产生方法。
如图1所示，本实施例中氮化硅波导结构包括有设置于硅片101上的二氧化硅氧化层102，二氧化硅氧化层102于表面刻蚀形成含有单二氧化硅脊的沟槽103，并于脊形二氧化硅两侧的沟槽103内填充氮化硅，最后在整个结构表面再覆盖一层氮化硅反向结构104，其色散特性与模场分布如图2所示。
参照图3，具体实施时，飞秒激光器301发出中心波长为1.804微米，半值全宽和峰值功率分别为50飞秒和10千瓦的超短光脉冲，经过半波片302和偏振分束器303组成的偏振控制系统后，进一步经透镜304耦合注入色散平坦的脊形/沟槽混合反向氮化硅波导305，由于飞秒脉冲具有较高的峰值功率，结合氮化硅波导305较大的非线性系数，在其内部发生自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子频移、色散波产生等一系列非线性过程，至光谱仪306时形成从近红外到中红外波段的超连续光谱。
当改变超短脉冲的中心波长，所得超连续谱的波长范围有所变化。图4中(a)-(d)分别为飞秒脉冲中心波长为1.4微米，1.504微米，1.804微米和1.887微米时的情况。
本实施例采用自行设计的色散平坦高非线性反向氮化硅波导305作为核心器件，波导较小的体积便于片上光子集成，使得所产生的超连续谱光源与传统基于光纤的超连续谱光源相比，抗振动、环境温度扰动性能增强，系统偏振态稳定且更易集成；同时，由于无双光子吸收效应，减少了非线性功率损耗，使用相对较小的输入功率便可产生较强的非线性系数，有效降低了系统功耗；而且，由于所采用波导在610纳米波长范围色散平坦，使得所设计的超连续谱光源在不同泵浦波长条件下均可实现超连续谱，最大超连续谱带宽为2996纳米，覆盖近红外通信波段到中红外范围。
实施例2
如图5所示，基于色散平坦高非线性反向氮化硅波导中非线性效应实现超连续谱，输入光功率变化对超连续谱性能影响的实例，飞秒激光器301发出中心波长为1.804微米，半值全宽和峰值功率分别为50飞秒和10千瓦的超短光脉冲，经过半波片302和偏振分束器303组成的偏振控制系统后，进一步经透镜304耦合注入色散平坦的脊形/沟槽混合反向氮化硅波导305，由于飞秒脉冲具有较高的峰值功率，结合氮化硅波导305较大的非线性系数，在其内部发生自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子频移、色散波产生等一系列非线性过程，至光谱仪306检测，形成从近红外到中红外波段的超连续光谱。
当改变注入飞秒脉冲的峰值功率时，反向氮化硅波导305输出的超连续光谱和波形均不同。图5(a)为输入光谱，(b)-(e)为注入峰值功率分别为100W，500W，1kW和10kW时的输出光谱，(f)为输入超短脉冲的原始波形，(g)-(j)为与光谱相对应的时域波形。
同时，对于输入峰值功率为10kW时，光谱和波形沿着该反向氮化硅波导的演化如图6所示，说明本发明的超连续谱光源完全能够实现从近红外到中红外波段的超连续光谱产生。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，其特征在于，包括有如下步骤：
步骤一、通过超短脉冲光源发出超短飞秒光脉冲；
步骤二、将步骤一发出的超短飞秒光脉冲经过透镜耦合注入氮化硅波导；
飞秒激光器发出中心波长为1.804微米，半值全宽和峰值功率分别为50飞秒和10千瓦的超短光脉冲，经过半波片和偏振分束器组成的偏振控制系统后，再经透镜耦合注入色散平坦的脊形/沟槽混合反向氮化硅波导，形成从近红外到中红外波段的超连续光谱；
所述氮化硅波导的结构包括设置于硅片上的二氧化硅氧化层，所述二氧化硅氧化层刻蚀形成含有单二氧化硅脊的沟槽，并于脊形二氧化硅两侧的沟槽填充氮化硅，最后在整个结构表面再覆盖一层氮化硅的反向结构；
所述氮化硅波导为色散平坦的反向氮化硅脊形/沟槽混合波导，其色散值经过优化配置，在±10ps/(nm·km)范围内带宽达610纳米。
2.根据权利要求1所述的一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，其特征在于，在步骤一中，所述超短飞秒光脉冲的重复频率为8-12MHz，中心波长为1.4-2.2微米，半值全宽和峰值功率分别为45-55飞秒和8-12千瓦。
3.根据权利要求2所述的一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，其特征在于，所述超短飞秒光脉冲的重复频率为10MHz，中心波长为1.804微米，半值全宽和峰值功率分别为50飞秒和10千瓦的超短飞秒光脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，其特征在于，所述沟槽高度为800-1200纳米，所述二氧化硅脊宽度为50-90纳米，其两侧填充氮化硅宽度分别为820-940纳米和290-410纳米,所述氮化硅的反向结构的厚度为15-25纳米。
5.根据权利要求4所述的一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，其特征在于，所述沟槽高度为1000纳米,二氧化硅脊宽70纳米,其两侧氮化硅宽度各为880纳米和350纳米,顶层氮化硅厚度为20纳米。
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