CN113075831A - 一种氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器 - Google Patents

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顾林棚
黎志文
李家杰
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
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Abstract

本发明涉及一种氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，包括双直波导型氮化硅微环腔和硒化镓薄膜，其特征在于硒化镓薄膜覆盖于双直波导型氮化硅微环腔的上表面。泵浦光由上路直波导通过侧边耦合进入氮化硅微环腔；所述氮化硅微环腔对泵浦光场具有放大作用使微环表面形成很强的倏逝光场；所述倏逝光场与具有超高二阶非线性系数的硒化镓薄膜相互作用高效率地产生倍频光或和频光；产生的倍频光或和频光由氮化硅微环腔耦合至下路直波导而输出。本发明有益于形成一种制备工艺简单、成本低、结构紧凑且具有高转换效率的光频率转换器，有望在光通信和光子集成芯片等领域得到应用。

Description

一种氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器
技术领域
本发明涉及光学频率转换器，属于非线性光学技术领域。具体涉及一种氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器。
背景技术
倍频与和频是现代激光技术中实现频率转换技术中最基础、最典型、应用最为广泛的技术。目前，以倍频、和频为代表的二阶非线性效应是获得新频率强相干光的重要手段，反复利用二阶非线性效应进行频率上转换，可以使激光波长不断向紫外区域进行扩展。随着氮化硅薄膜生长和器件制备工艺逐渐成熟，研究发现氮化硅波导具有低传输损耗、宽透明波段、低热光系数以及与微电子技术中成熟的CMOS工艺相兼容等优点，其在实现光子集成芯片方面具有很大潜力。然而，受限于氮化硅的电介质特性，难以在其上构建高效主动器件，而在非线性光学发展过历史中，二阶非线性效应使多种仅具有电介质特性的光学材料实现了高性能全光和光电器件。如基于偏硼酸钡晶体的高功率光参量放大器和振荡器、光通信中的高速铌酸锂电光调制器等。因此，虽然氮化硅因其晶体结构的中心对称性而缺失二阶非线性效应，但如可在氮化硅光子器件上实现二阶非线性效应，不仅可获得基于高效光参量过程的全光频率转换器件，且可基于倍频、和频等二阶非线性效应构建高性能光电器件。虽然已有引入应力、强激光辐照等方法破坏氮化硅界面对称性实现二阶非线性效应的报道，但界面可控性差、制备条件严苛、效率很低，需要高功率脉冲激光器泵浦、难以实现可靠的光频率转换器件的构建。
发明内容
要解决的技术问题
为克服现有氮化硅光子结构基于二阶非线性效应实现光频率转换技术制备工艺复杂、转换效率低等缺点，本发明提出一种氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，该频率转换器制备工艺简单、结构紧凑可实现高效倍频光与和频光的转换。
技术方案
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于包括上路直波导、微环腔、下路直波导和硒化镓薄膜；上路直波导、下路直波导分别与微环腔设有间隙；所述上路直波导、下路直波导与微环腔的厚度相等，相互采用侧向耦合。
所述上路直波导、下路直波导和微环腔制备在相对衬底材料具有高折射率的氮化硅晶圆上，通过电子束曝光或高精度紫外曝光、等离子体刻蚀实现；所述衬底材料可以为硅也可以为硅的氧化物；所述微环腔的形状可以为圆环也可以为椭圆环；所述硒化镓薄膜采用少层ε型硒化镓薄膜；所述硒化镓薄膜可以是利用微机械剥离法从硒化镓块体材料上进行剥离得到的，也可以是利用化学气相沉积法生长得到的；所述硒化镓薄膜通过覆盖的方式集成于所述微环腔上表面；所述硒化镓薄膜也可以采用硒化铟薄膜、二硫化钨薄膜或二硫化钼薄膜替代。
本发明所采用的工作原理，其特征在于如下：
氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器的泵浦光通过端面耦合或垂直耦合的方式进入所述上路直波导中；泵浦光由上路直波导通过侧边耦合进入所述微环腔中；所述微环腔使腔内光功率密度得到增强进而在所述微环腔上表面形成很强的倏逝光场；所述倏逝光场与所述硒化镓薄膜相互作用而产生倍频光或和频光；产生的倍频光或和频光由所述微环腔耦合至所述下路直波导进而由所述下路直波导通过端面耦合或垂直耦合方式输出，实现光频率的转换。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比具有以下有益效果：
1、硒化镓的带隙介于1.3eV～2.1eV之间，因此对于通讯波段的光信号无吸收，因此硒化镓与微环结构直接集成不会引入额外的吸收损耗。另外，单层硒化镓的二阶非线性系数高达2.4nm/V，有益于形成一种低损耗、高转换效率的光频率转换器。
2、本发明所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器将具有良好机械柔性的硒化镓薄膜作为非线性介质材料，仅通过简单的机械转移便可与芯片上的微环腔无缝集成，实现器件的制备，有益于形成一种制备工艺简单的光频率转换器。
3、本发明所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，可通过控制波导高度与宽度调控波导色散，使得该器件在较宽波长范围内支持泵浦光与倍频光或和频光满足相位匹配条件，实现高效率倍频光或和频光的产生。
4、本发明所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器借助了微环腔的强局域光场和长作用距离增强泵浦光与硒化镓薄膜的相互作用，可有效降低光参量过程中泵浦光功率，有益于形成一种结构紧凑、低功耗的光频率转换器。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器的结构示意图；
图2为氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器的扫描电子显微镜图；
图3为测试氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器倍频光产生的装置示意图；
图4为使用连续激光器作泵浦光，泵浦波长为1558.6nm时倍频光信号的光谱图；
图5为使用波长可调谐连续光激光器作泵浦光源，泵浦波长从1500nm扫描至1600nm时微环腔的透射谱以及倍频光信号强度与泵浦光波长的依赖曲线；
图6为测试氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器和频光产生的装置示意图；
图7为使用两个连续激光器作为泵浦光，泵浦波长为1558.6nm与1532nm时倍频光与和频光信号的光谱图。
图中:1.上路直波导；2.微环腔；3.下路直波导；4.硒化镓薄膜；5.上路直波导与微环腔之间的间隙；6.下路直波导与微环腔之间的间隙；7.氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器；8.1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器；9.光功率计；10.光谱仪；11.1500～1600nm的波长可调谐连续光激光器；12.光纤合束器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施案例提出一种氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，如图1所示，该光频率转换器特征在于包括上路直波导1、微环腔2、下路直波导3和硒化镓薄膜4；硒化镓薄膜4直接覆盖到微环腔2上表面。
所述上路直波导1、微环腔2、下路直波导3采用氮化硅材料，厚度为300nm，衬底材料为在500μm厚硅基底上生长的厚度为2μm的二氧化硅；所述上路直波导1与微环腔2的宽度为1100nm，所述下路直波导的宽度为520nm；所述微环腔半径为15μm；所述上路直波导1与所述微环腔2的间隙5为80nm，所述下路直波导3与所述微环腔2的间隙6为40nm。
所述硒化镓薄膜为利用微机械剥离法从块体ε型硒化镓材料中剥离得到的薄层材料并通过二维材料干法转移技术转移至所述微环腔上表面，所述硒化镓薄膜的分布位置如图2所示。
参阅图3，为测试本发明提出的氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器倍频光的产生，以波长可调谐连续光激光器8为泵浦光源，通过通讯波段普通单模光纤以光栅耦合方式将泵浦光耦合进所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器7，上路直波导1输出的泵浦光信号经光栅耦合由单模光纤输出至光功率计9，下路直波导3输出的倍频光信号经光栅耦合由单模光纤输出至光谱仪10。
如图4所示，设定所述波长可调谐连续光激光器8的波长为1558.6nm，功率为17mW，光谱仪10探测到波长为779.3nm的倍频光信号；图5所示为波长可调谐连续光激光器8的输出功率固定为17mW，波长以0.1nm的步长从1500nm扫描至1600nm时，光功率计9得到的微环腔的透射光谱以及光谱仪收集到的倍频光强度随泵浦光波长变化的依赖曲线，由图可知所述光频率转换器具有低功耗、高转换效率的特点。
图6所示为测试本发明提出的氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器和频光产生的装置示意图，利用光纤合束器12将两个波长可调谐连续光激光器8与11输出的激光合束后作为泵浦光波，通过通讯波段普通单模光纤以光栅耦合方式将泵浦光耦合进所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器7，上路直波导1输出的泵浦光信号经光栅耦合由单模光纤输出至光功率计9，下路直波导3输出的倍频光与和频光信号经光栅耦合由单模光纤输出至光谱仪10。
参阅图7，设定所述波长可调谐连续光激光器8的波长为1558.6nm，功率为4mW，所述可调谐连续光激光器11的波长为1532nm，功率为4mW，光谱仪10同时探测到波长为779.3nm与766nm的倍频光信号以及波长为772.3nm的和频光信号。

Claims (8)

1.一种氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于包括上路直波导(1)、微环腔(2)、下路直波导(3)和硒化镓薄膜(4)；上路直波导(1)、下路直波导(3)分别与微环腔(2)设有间隙(5、6)；所述上路直波导(1)、下路直波导(3)与微环腔(2)的厚度相等，相互采用侧向耦合。
2.根据权利要求1所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于：所述微环腔(2)的形状为圆环或椭圆环。
3.根据权利要求1所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于：所述硒化镓薄膜(4)采用少层ε型硒化镓薄膜。
4.根据权利要求1所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于：所述上路直波导(1)、下路直波导(3)和微环腔(2)制备在相对衬底具有高折射率的氮化硅晶圆上，通过电子束曝光或高精度紫外曝光、等离子体刻蚀实现。
5.根据权利要求4所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于：所述衬底材料为硅或硅的氧化物。
6.根据权利要求1所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于：所述硒化镓薄膜(4)覆盖于所述微环腔(2)的上表面。
7.根据权利要求1或3所述氮化硅微环集成硒化镓薄膜的光频率转换器，其特征在于：所述硒化镓薄膜(4)也可以采用硒化铟薄膜、二硫化钨薄膜或二硫化钼薄膜替代。
8.根据权利要求1所述硒化镓薄膜(4)覆盖于所述微环腔(2)上表面；泵浦光由上路直波导(1)耦合进入微环腔(2)；所述微环腔(2)放大泵浦光场使微环腔(2)表面形成很强的倏逝光场；所述倏逝光场与具有超高二阶非线性系数的硒化镓薄膜(4)相互作用产生倍频光或和频光；产生的倍频光或和频光由微环腔(2)耦合至下路直波导(3)而输出。
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