CN108318967B - 具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高品质因数的半导体‑金属‑聚合物非线性复合波导。本发明包括衬底和覆盖于衬底之上的半导体‑金属‑聚合物复合波导，半导体‑金属‑聚合物复合波导主要由金属层和分别布置于金属层的上下表面且上下对称布置的两个组合层构成，组合层包括从金属层表面向外的第一半导体层、聚合物层和第二半导体层；金属层和组合层外设置空气的包层。本发明波导具有高品质因数，同时所优化的波导在近红外和中红外波段均有高品质因数，在非线性应用中将有利于提升非线性波长转换效率、降低功耗。

Description

具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导
技术领域
本发明属于通信领域半导体光电子器件，特别涉及了一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导。
背景技术
在非线性应用中，为了实现高的非线性转换效率，需要较高的非线性系数，同时线性和非线性损耗要小。常规的介质波导具有较小的损耗，但模场束缚能力较小，受衍射极限的限制，因而有效模场面积较大，非线性系数因而较小。狭缝波导能将光场束缚在狭缝中，有效地降低了有效模场面积，但仍受衍射极限的限制。而金属等离子体波导能突破衍射极限，能很好地束缚光场，有效模场面积可以减少一到两个数量级，较大地提升了非线性系数。但金属的引入使得线性欧姆损耗增大，这不利于非线性转换效率的提升。金属-聚合物-介质构成的狭缝复合波导具有较高的非线性系数，但损耗较大。介质-金属-介质(IMI)构成的对称波导，具有较低的损耗，光传输距离较长，但非线性系数不高。高的场束缚能力和低的传输损耗成为一对矛盾，这限制了波长转换效率的提升，不利于全光波长转换器件的应用。
发明内容
针对现有非线性波导器件的不足，本发明提供了一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，能有效解决波导传输损耗和模场束缚能力的矛盾。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包括衬底和覆盖于衬底之上的半导体-金属-聚合物复合波导，半导体-金属-聚合物复合波导主要由金属层和分别布置于金属层的上下表面且上下对称布置的两个组合层构成，组合层包括从金属层表面向外的第一半导体层、聚合物层和第二半导体层；金属层和组合层外设置空气的包层。
两个组合层中的第一半导体层、聚合物层和第二半导体层的布置关于金属层形成的上下对称结构。
两个组合层中的第一半导体层分别紧贴布置于与金属层的上下表面，且第一半导体层布置于金属层的中间，聚合物层包裹于第一半导体层外且接触于金属层表面。
所述的第一半导体层的宽度小于金属层的宽度，聚合物层和第二半导体层的宽度等于金属层的宽度。
所述的复合波导中以聚合物层构成狭缝结构，由电场的边界条件，光场束缚在狭缝中，同时金属的等离子体波效应能进一步约束光场，实现较小的模场面积，实质形成一种复合等离子体波导。
所述的复合波导中以两半导体层、聚合物层和金属层形成对称波导结构(上下对称)，使得复合波导存在对称模式，有效地降低波导的线性传输损耗。
所述的第一半导体层和第二半导体层为高折射率材料，聚合物层为高非线性低双光子吸收材料，金属层为低线性损耗材料。
所述的聚合物层可采用聚合物DDMEBT([2-[4-(二甲基氨基)苯基]-3-([4-(二甲基氨基)苯基]乙炔基)丁-1,3-二烯-1,1,4,4-四氰])(不限于此)，在1550nm处，非线性折射率为1.7×10-17m2/W，双光子吸收可忽略。
所述的第一半导体层和第二半导体层可采用硅(不限于此)，在中红外波段具有3.4以上的线性折射率，非线性折射率也较高，为4.5×10-18m2/W，且双光子吸收可忽略。
所述的金属可采用具有较小吸收系数的金、银等，线性折射率的虚部小于20。
本发明的波导结构中，介质-金属-介质构成的IMI结构，金属表面两侧各紧贴一个矩形小块为高折射率半导体，包层为空气。这种结构相比其他的等离子体波导结构，具有较小的传输损耗，能进一步提升波长转换效率。
本发明通过金属层表面两侧紧贴设置的第一半导体既能减小由金属表面等离子体波引起的高吸收损耗，截面所占比例小，又能利用表面等离子体波的高度局域特性，能在取得较大非线性系数的同时保证较小的线性传输损耗。比如非线性系数在300W-1m-1以上，线性损耗在150m-1以下，模场传输距离为毫米量级。
本发明的品质因数(FOM)定义为非线性系数与线性损耗之比，FOM越大，表明非线性性能越好。本发明利用品质因数(FOM)优化波导结构尺寸，实现了高品质因数的波导结构。在所考虑的中红外波段，FOM均在1.0W-1m-2以上。
本发明的有益效果是：
本发明结构的设计和材料的选取能有效降低传输损耗、提升非线性波长转换性能。
本发明波导可在成熟商用的SOI(但不限于此)平台上制作，降低制作难度和成本，提升波导的可靠性。
本发明波导可用于中红外波段，但不局限于中红外波段。
总体而言，相比之前的技术，本发明所提供的非线性波导具有高品质因数FOM，且与商用成熟的SOI技术兼容，易于制作和集成。
附图说明
图1是本发明中复合波导结构示意图；
图2是实施例中复合波导结构示意图；
图3是实施例中提供的波导结构对应的转换效率曲线仿真结果；
图4(a)是实施例中提供的波导结构对应的非线性系数随波长的变化关系；
图4(b)是实施例中提供的波导结构对应的线性损耗随波长的变化关系；
图4(c)是实施例中提供的波导结构对应的品质因数FOM随波长的变化关系。
图中：衬底1，半导体层2、2’，聚合物层3，金属层4。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括衬底1和覆盖于衬底1之上的半导体-金属-聚合物复合波导，半导体-金属-聚合物复合波导主要有金属层4和分别布置于金属层4的上下表面且上下对称布置的两个组合层构成，组合层包括从金属层4表面向外的第一半导体层2’、聚合物层3和第二半导体层2；金属层4和组合层外设置空气的包层。
两个组合层中的第一半导体层2’、聚合物层3和第二半导体层2的布置关于金属层4形成的上下对称结构。第一半导体层2’分别紧贴布置于与金属层4的上下表面，且第一半导体层2’布置于金属层4的中间，聚合物层3包裹于第一半导体层2’外且接触于金属层4表面。第一半导体层2’的宽度小于金属层4的宽度，聚合物层3和第二半导体层2的宽度等于金属层4的宽度。
金属层4上表面的组合层中，金属层4上表面从下到上依次布置有第一半导体层2’、聚合物层3和第二半导体层2，第一半导体层2’布置于金属层4上表面，聚合物层3布置于第一半导体层2’和金属层4的上表面，第二半导体层2布置于聚合物层3上表面。
金属层4下表面的组合层中，金属层4下表面从上到下依次布置有第一半导体层2’、聚合物层3和第二半导体层2，第一半导体层2’布置于金属层4下表面，聚合物层3布置于第一半导体层2’和金属层4的下表面，第二半导体层2布置于聚合物层3下表面。
每一层的形状均为矩形，具体实施中半导体-金属-聚合物复合波导整体可以沿竖直方向左右对称分布。
本发明的实施例如下：
如图2所示，采用SOI结构作为衬底，第一半导体层2’和第二半导体层2采用高折射率材料硅，聚合物层3采用狭缝填充材料DDMEBT，金属层4为银。硅、银和DDMEBT构成的IMI对称结构能有效降低波导的传输损耗，提升波导的传输距离。
本实施例中，光场主要束缚在填充高非线性系数材料DDMEBT的狭缝中。小矩形块硅层将金属与DDMEBT隔开减小了金属带来的损耗，同时保留了SPP的光场局域特性。
在中红外波段，硅的双光子吸收系数为0且三阶非线性极化率也较大。DDMEBT具有较大的三阶非线性极化率，双光子吸收系数为0。光场主要束缚在高非线性的DDMEBT区域，有效地提升了非线性性能。
为了同时考虑非线性系数γ和传输损耗α对非线性性能的影响，引入品质因数FOM对波导进行优化。在本发明实施例中，非线性损耗较小，定义FOM为非线性系数与线性损耗的比值。利用FOM优化波导尺寸得到高FOM的波导，进而可实现高非线性转换效率。
通过定义品质因数FOM为非线性系数与线性损耗之比，对如图2所示的波导结构尺寸h、g、hm和w进行了优化。在入射光波长为2.1μm时，当W＝300nm，H＝400nm，w＝180nm，h＝15nm，g＝15nm，hm＝5nm时，FOM取得最优值2.482，相比介质波导(非线性系数在18W-1m-1量级)和之前用于非线性的表面等离子体波导(FOM小于1)，有了很大的提升。
图3为上述结构下的四波混频转换效率随信号光波长的变化曲线，此时泵浦光功率为0.15W，信号光功率为15mW。从图中可看出，最高转换效率为-14.5dB。相比之前瓦量级的泵浦光功率，最高转换效率仅-16.1dB，有了很大的提升。
图4分别是上述波导结构下，非线性系数、线性损耗和品质因素随入射波长的变化曲线。可见，非线性系数(图4(a))和线性损耗(图4(b))在上述优化所取的波长2.1μm附近取得最大值和最小值。品质因数FOM(图4(c))在2.1μm附近最大，且在所考虑的1.4-2.6μm波长范围内，FOM的值均在1以上，这说明本发明所设计的波导在近红外和中红外波段均有较大的FOM值，相应具有高的转换效率。

Claims (8)

1.一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：包括衬底(1)和覆盖于衬底(1)之上的半导体-金属-聚合物复合波导，半导体-金属-聚合物复合波导主要有金属层(4)和分别布置于金属层(4)的上下表面且上下对称布置的两个组合层构成，组合层包括从金属层(4)表面向外的第一半导体层(2’)、聚合物层(3)和第二半导体层(2)；金属层(4)和组合层外设置空气的包层；
两个组合层中的第一半导体层(2’)、聚合物层(3)和第二半导体层(2)的布置关于金属层(4)形成的上下对称结构；第一半导体层(2’)分别紧贴布置于与金属层(4)的上下表面，且第一半导体层(2’)布置于金属层(4)的中间，聚合物层(3)包裹于第一半导体层(2’)外且接触于金属层(4)表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：所述的第一半导体层(2’)的宽度小于金属层(4)的宽度，聚合物层(3)和第二半导体层(2)的宽度等于金属层(4)的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：
所述的复合波导中以聚合物层(3)构成狭缝结构，使得光场束缚在狭缝结构中。
4.根据权利要求1所述的一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：
所述的复合波导中以两半导体层(2、2’)、聚合物层(3)和金属层(4)形成对称波导结构，使得复合波导存在对称模式，有效地降低波导的线性传输损耗。
5.根据权利要求1所述的一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：
所述的第一半导体层(2’)和第二半导体层(2)为高折射率材料，聚合物层(3)为高非线性低双光子吸收材料，金属层(4)为低线性损耗材料。
6.根据权利要求1或5所述的一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：所述的聚合物层(3)采用聚合物DDMEBT(2-[4-(二甲基氨基)苯基]-3-([4-(二甲基氨基)苯基]乙炔基)丁-1,3-二烯-1,1,4,4-四氰)。
7.根据权利要求1或5所述的一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：所述的第一半导体层(2’)和第二半导体层(2)采用硅。
8.根据权利要求1或5所述的一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，其特征在于：所述的金属层(4)采用金、银。
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