CN114142341A - 一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源 - Google Patents

一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源 Download PDF

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Abstract

本发明属于片上集成激光器技术领域，具体涉及一种基于自由纳米线‑硅波导结构的片上超连续谱光源，所述硅光栅设置在SiO2衬底上，所述SiO2衬底设置在Au膜反射层上，所述Au膜反射层的底部设置有Si衬底，所述硅光栅通过锥形宽度渐变结构连接有第一硅波导，所述第一硅波导通过第一自由纳米线‑硅波导复合结构与自由纳米线的一端连接，所述自由纳米线的另一端通过第二自由纳米线‑硅波导复合结构与第二硅波导连接。本发明基于绝热耦合原理，利用轴向渐变复合波导结构，实现自由纳米线与硅波导高效率、宽波段的光学耦合。该混合集成方案受益于自由纳米线的高非线性，可以达到更高的非线性转换效率，从而实现低功耗、短距离、高集成的片上超连续谱输出。

Description

一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源
技术领域
本发明属于片上集成激光器技术领域，具体涉及一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源。
背景技术
随着社会的发展，人们对于大容量高速光信息传输与处理技术的需求在不断提高，研发制造尺寸更小、功耗更低的集成光子器件成为一项迫切任务。作为集成光子系统的基本元件，光学微纳米线具有优异的光学特性，被用于片上光源等集成光子器件应用中。其中，片上超连续谱光源在超高容量波分复用、高精度光学频率和时间测量等集成光通信、光检测应用中展现出重大研究价值，因而获得广泛关注与深入研究。
目前基片上超连续谱光源主要基于硅基和硫属玻璃等脊型微纳波导，并已经成功实现近中红外的片上超连续谱输出。然而，受限于硅和硫属玻璃较低的非线性系数(Si在1550nm波长处的非线性折射率系数为10×10-18m2/W，As2S3在1060nm波长处的非线性折射率系数为2.5×10-18m2/W)，这些波导中非线性转换效率低，此类器件存在以下问题：1.激发功率高，实现100nm量级频谱展宽，通常需要能量为100pJ/脉冲-10nJ/脉冲量级；2.工作距离长，实现100nm量级频谱展宽，通常需要有效工作距离为1mm-1cm量级。以上问题限制了此类器件在集成化、低功耗波分复用系统等光通信领域中的应用。
发明内容
针对目前基于上述传统片上超连续谱光源激发功率高、工作距离长等技术问题，本发明提供了一种基于自由纳米线-硅波导复合结构的混合集成片上超连续谱光源。基于绝热耦合理论，通过严格的色散匹配设计，利用轴向渐变复合耦合结构实现高非线性自由纳米线高效率、宽波段、短耦合距离的片上光学集成。利用自由纳米线相较于硅等传统片上材料更高的非线性系数，实现高效率的超连续谱产生，进而可以有效缩短工作距离，最终完成低功耗、短距离、高集成的片上超连续谱激光输出。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，包括硅光栅、SiO2衬底、Au膜反射层、Si衬底、自由纳米线、第一自由纳米线-硅波导复合结构、第二自由纳米线-硅波导复合结构、第一硅波导、第二硅波导，所述硅光栅设置在SiO2衬底上，所述SiO2衬底设置在Au膜反射层上，所述Au膜反射层的底部设置有Si衬底，所述硅光栅通过锥形宽度渐变结构连接有第一硅波导，所述第一硅波导通过第一自由纳米线-硅波导复合结构与自由纳米线的一端连接，所述自由纳米线的另一端通过第二自由纳米线-硅波导复合结构与第二硅波导连接，所述第一硅波导与自由纳米线的一端重叠构成第一自由纳米线-硅波导复合结构，所述第二硅波导与自由纳米线的另一端重叠构成第二自由纳米线-硅波导复合结构；所述硅光栅通过泵浦光照射，通过利用光栅的衍射效应，经衍射后满足动量匹配条件的光分量耦合入硅光栅并沿轴向传输，在经过锥形宽度渐变结构后进入第一硅波导并以导波形式传输，基于倏逝场耦合原理，进入第一硅波导的泵浦光通过第一自由纳米线-硅波导复合结构进入自由纳米线，泵浦光以导波形式在自由纳米线中传输，通过控制自由纳米线结构尺寸和泵浦光波长，激发高效率的超连续谱产生过程，使得泵浦光传输过程中发生显著的频谱展宽。
所述第二硅波导采用轴向渐变结构，所述第二硅波导的末端采用研磨镜面抛光，所述第一硅波导、第二硅波导均设置为弯曲结构，从而实现对自由纳米线的自定位。
所述自由纳米线、第一硅波导、第二硅波导均通过侧面贴合的方式连接在SiO2衬底上。
所述自由纳米线的直径小于等于两倍泵浦光波长，所述自由纳米线采用CdTe、CdS、ZnO或二氧化硅，所述自由纳米线的长度600μm，所述自由纳米线的截面形状为正六边形，所述自由纳米线的制备方法采用化学气相沉积或光纤火焰拉锥。
所述SiO2衬底的厚度为1μm～1mm，Au膜反射层的厚度为0.5μm，所述硅光栅常数为0.67μm，所述硅光栅的占空比为0.1-0.9，所述硅光栅光栅刻蚀区的形状为扇形或矩形，所述硅光栅的光栅刻蚀区面积为0.01～1mm2，所述硅光栅的刻蚀深度为0.1μm～1mm，所述硅光栅的入射角为16°。
所述第一硅波导、第二硅波导的弯曲半径>10μm，所述第一自由纳米线-硅波导复合结构、第二自由纳米线-硅波导复合结构的长度耦合重叠<10μm。
所述硅光栅与第一硅波导之间的锥形宽度渐变结构长度为0.1μm～1mm，所述锥形宽度渐变结构的锥角范围为0°～180°。
所述自由纳米线与第一硅波导侧向并列放置，所述自由纳米线与第一硅波导的耦合距离为0.1μm～10μm，所述自由纳米线与第一硅波导的间距为0～10nm。
所述泵浦光的波长为1μm-2.5μm，所述泵浦光波长处的单向耦合效率>60％，在所述泵浦光波长处第一硅波导工作在单模状态下。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明基于绝热耦合原理，利用轴向渐变复合波导结构，实现自由纳米线与硅波导高效率、宽波段的光学耦合。相较于传统硅基或硫属玻璃超连续谱光源，该混合集成方案受益于自由纳米线的高非线性，可以达到更高的非线性转换效率，从而实现低功耗、短距离、高集成的片上超连续谱输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明硅光栅及第一自由纳米线-硅波导复合结构的结构示意图；
图3为本发明硅光栅的侧面结构示意图；
图4为本发明第二自由纳米线-硅波导复合结构的结构示意图；
图5为本发明自由纳米线超连续谱产生的仿真结果图；
图6为本发明第一自由纳米线-硅波导复合结构耦合效率的仿真结果图；
图7为本发明第二自由纳米线-硅波导复合结构光学耦合情况图；
图8为本发明第二自由纳米线-硅波导复合结构耦合效率的仿真结果图；
图9为本发明第二自由纳米线-硅波导复合结构耦合效率另一仿真结果图。
其中：1为硅光栅，2为SiO2衬底，3为Au膜反射层，4为Si衬底，5为自由纳米线，6-1为第一自由纳米线-硅波导复合结构，6-2为第二自由纳米线-硅波导复合结构，7-1为第一硅波导，7-2为第二硅波导。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，如图1、图3所示，包括硅光栅1、SiO2衬底2、Au膜反射层3、Si衬底4、自由纳米线5、第一自由纳米线-硅波导复合结构6-1、第二自由纳米线-硅波导复合结构6-2、第一硅波导7-1、第二硅波导7-2。硅光栅1设置在SiO2衬底2上，SiO2衬底2设置在Au膜反射层3上，Au膜反射层3的底部设置有Si衬底4，使得泵浦光照射在光栅上产生的部分透射及散射光，经反射层反射再次照射到光栅上并进行二次耦合，从而提高耦合效率。硅光栅1通过锥形宽度渐变结构连接有第一硅波导7-1，第一硅波导7-1通过第一自由纳米线-硅波导复合结构6-1与自由纳米线5的一端连接，自由纳米线5的另一端通过第二自由纳米线-硅波导复合结构6-2与第二硅波导7-2连接，第一硅波导7-1与自由纳米线5的一端重叠构成第一自由纳米线-硅波导复合结构6-1，第二硅波导7-2与自由纳米线5的另一端重叠构成第二自由纳米线-硅波导复合结构6-2；硅光栅1通过泵浦光照射，通过利用光栅的衍射效应，经衍射后满足动量匹配条件的光分量耦合入硅光栅1并沿轴向传输，在经过锥形宽度渐变结构后进入第一硅波导7-1并以导波形式传输。如图2所示，基于倏逝场耦合原理，进入第一硅波导7-1的泵浦光通过第一自由纳米线-硅波导复合结构6-1进入自由纳米线5，泵浦光以导波形式在自由纳米线5中传输，通过控制自由纳米线5结构尺寸和泵浦光波长，激发高效率的超连续谱产生过程，使得泵浦光传输过程中发生显著的频谱展宽。
进一步，如图4所示，第二硅波导7-2采用轴向渐变结构，第二硅波导7-2的末端采用研磨镜面抛光，第一硅波导7-1、第二硅波导7-2均设置为弯曲结构，从而实现对自由纳米线5的自定位。
进一步，自由纳米线5、第一硅波导7-1、第二硅波导7-2均通过侧面贴合的方式连接在SiO2衬底2上。在范德华力的作用下，第一硅波导7-1、第二硅波导7-2和自由纳米线5可以实现紧密贴合。当第一硅波导7-1、第二硅波导7-2和自由纳米线5的直径尺寸与泵浦光波长相当时，基于倏逝场耦合机理可以实现高效率的光学耦合。
进一步，自由纳米线5的直径小于等于两倍泵浦光波长，自由纳米线5采用CdTe、CdS、ZnO或二氧化硅，自由纳米线5的长度600μm，自由纳米线5的截面形状为正六边形，自由纳米线5的制备方法采用化学气相沉积或光纤火焰拉锥。
进一步，SiO2衬底2的厚度为1μm～1mm，Au膜反射层3的厚度为0.5μm，硅光栅1常数为0.67μm，硅光栅1的占空比为0.1-0.9，硅光栅1光栅刻蚀区的形状为扇形或矩形，硅光栅1的光栅刻蚀区面积为0.01～1mm2，硅光栅1的刻蚀深度为0.1μm～1mm，硅光栅1的入射角为16°。光栅厚度、刻蚀深度、周期、占空比、泵浦光入射角度等参数需要严格设计，以满足相位匹配条件从而实现高效率泵浦光空间耦合。当两束入射光以入射角α入射至光栅表面后，反射为另外两束光，以β角出射，当出射光相干加强时，则光程差需要满足以下相干增强条件，即衍射方程：
d(sinα+sinβ)＝mλ(m＝0，±1，±2，±3…)
d是光栅常数，亦即光栅周期，为光波在介质中的波长，m是光栅的衍射级数。选取适当参数可使β＝90°+α。此时，泵浦光沿光栅轴向传输。
进一步，第一硅波导7-1、第二硅波导7-2的弯曲半径＞10μm，第一自由纳米线-硅波导复合结构6-1、第二自由纳米线-硅波导复合结构6-2的长度耦合重叠＜10μm。
进一步，硅光栅1与第一硅波导7-1之间的锥形宽度渐变结构长度为0.1μm～1mm，锥形宽度渐变结构的锥角范围为0°～180°。
进一步，自由纳米线5与第一硅波导7-1侧向并列放置，自由纳米线5与第一硅波导7-1的耦合距离为0.1μm～10μm，自由纳米线5与第一硅波导7-1的间距为0～10nm。
进一步，泵浦光的波长为1μm-2.5μm，泵浦光波长处的单向耦合效率>60％，在泵浦光波长处第一硅波导7-1工作在单模状态下。
具体实施方式参数如下：
泵浦光能量为700fJ/脉冲；
自由纳米线5选用CdTe纳米线，纳米线长度600μm，截面形状为正六边形；
SiO2衬底2厚度为3μm，Au膜厚度为0.5μm，光栅常数为0.67μm，占空比为0.58，刻蚀深度为0.1μm，入射角16°；
第一硅波导7-1高度为0.25μm，宽度为0.31μm，耦合输入长度D为1.5μm；
CdTe自由纳米线5长600μm，CdTe自由纳米线5直径为0.5μm，
第二硅波导7-2高度为0.4μm，起始宽度为0.03μm，最大宽度为0.3μm，耦合输出长度L为10μm。
具体分析如下：
首先，当输入泵浦光波长为1700nm，SiO2衬底1厚度3μm，Au膜反射层3厚度0.5μm，第一硅波导7-1高度0.25μm，光栅常数0.67μm，占空比0.58，刻蚀深度0.1μm，入射角16°。通过优化光栅参数与入射角度(θ)，可以实现较高的单波长耦合效率(～60％)。
其中，在相同波长处，CdTe的非线性折射率系数是硅材料的非线性折射率系数的5-10倍(CdTe在1550nm波长处的非线性折射率系数为5.2×10-17m2/W，Si在1550nm波长处的非线性折射率系数为10×10-18m2/W)，得益于较大的非线性折射率系数，在相同的耦合峰值功率与模场面积条件下，CdTe纳米线的非线性长度远小于硅等其它微纳米线，通过优化纳米线的尺寸或降低输入脉冲脉宽，可以进一步降低实现CdTe纳米线中非线性效应所需的脉冲能量，进而进一步提高非线性转化效率。因此，选用CdTe材料纳米线产生超连续谱优于选用硅材料。
其中，如图5所示，选用CdTe纳米线，自由纳米线5直径0.5μm，长度600μm，泵浦波长1700nm，当光从第一硅波导7-1耦合进入时发生频谱展宽。仿真结果表明，当泵浦能量仅为700fJ/脉冲时，在600μm长CdTe纳米线中可实现约1.5μm的40dB光谱展宽。在相同光谱展宽情况下，单脉冲泵浦能量及工作长度比基于硅波导或硫属玻璃波导的传统器件低一个数量级。
其中，如图6所示，在1550nm波长处，当第一硅波导7-1尺寸0.31μm×0.25μm，自由纳米线5直径0.5μm。结果显示，通过优化第一硅波导7-1尺寸可以有效改善CdTe自由纳米线5与第一硅波导7-1等效折射率匹配情况，结合复合耦合输入结构长度优化，可以实现70％以上的单波长耦合效率。
其中，如图7所示，当CdTe纳米线直径0.5μm，第二硅波导7-2高度0.4μm，起始宽度0.03μm，最大宽度0.3μm，复合耦合输出长度10μm，当输入1.3-1.8μm波长范围的宽谱光时，绝大部分能量(>90％)从CdTe纳米线转移入硅波导中。
其中，如图8所示，当CdTe纳米线直径0.5μm，第二硅波导7-2高度0.4μm，起始宽度0.03μm，最大宽度0.3μm，当输入1.45-1.65μm波长范围的宽谱光时，不同耦合长度下CdTe-硅复合波导耦合效率仿真结果。根据绝热耦合原理，当两波导间通过倏逝场进行光学能量转移时，若两波导构成的复合结构混合基模在耦合区内未发生向高阶模式的明显能量转移，则可以避免由于高阶模式产生的损耗，从而显著提高耦合效率并增加耦合带宽。为此，要求混合基模与相邻耦合模式间的耦合距离Zt需要大于复合耦合结构长度Zb。
Figure BDA0003383585660000091
其中，β1，β2分别为基模跟二阶模各自的传播常数，当耦合距离Zt远大于复合耦合结构长度Zb时，基模的耦合损耗几乎可以忽略，以近乎绝热的方式沿波导传输。通过设计轴向渐变复合耦合结构，可以使得波导中的基模与高阶模满足上式。
如图8所示，当合理选择轴向渐变结构，可以实现从自由纳米线5到第二硅波导7-2宽波段、高效率的耦合，从而实现超连续光谱的片上输出。
其中，如图9所示，CdTe-硅复合波导6-2在不同波长下耦合效率仿真结果，其中，CdTe纳米线直径为0.5μm,第二硅波导7-2高度0.4μm，起始宽度0.03μm，最大宽度0.3μm，复合耦合输出长度10μm，在1.45-1.65μm的输入波长范围内耦合效率始终大于90％，可以实现片上高效宽谱耦合输出。
由上述可知，本发明创新性地采用光学绝热耦合的方式实现高性能自由纳米线与硅基光子系统短耦合距离(≤10μm)、宽波段(>200nm)、高效率(>90％)的混合集成，同时，通过对CdTe纳米线光学导波特性进行深入研究，实现其色散与非线性特性的有效调控，从而提高非线性转换效率使有效工作长度与单脉冲泵浦能量较基于硅波导或硫属玻璃波导的传统片上超连续谱光源降低1个数量级。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：包括硅光栅(1)、SiO2衬底(2)、Au膜反射层(3)、Si衬底(4)、自由纳米线(5)、第一自由纳米线-硅波导复合结构(6-1)、第二自由纳米线-硅波导复合结构(6-2)、第一硅波导(7-1)、第二硅波导(7-2)，所述硅光栅(1)设置在SiO2衬底(2)上，所述SiO2衬底(2)设置在Au膜反射层(3)上，所述Au膜反射层(3)的底部设置有Si衬底(4)，所述硅光栅(1)通过锥形宽度渐变结构连接有第一硅波导(7-1)，所述第一硅波导(7-1)通过第一自由纳米线-硅波导复合结构(6-1)与自由纳米线(5)的一端连接，所述自由纳米线(5)的另一端通过第二自由纳米线-硅波导复合结构(6-2)与第二硅波导(7-2)连接，所述第一硅波导(7-1)与自由纳米线(5)的一端重叠构成第一自由纳米线-硅波导复合结构(6-1)，所述第二硅波导(7-2)与自由纳米线(5)的另一端重叠构成第二自由纳米线-硅波导复合结构(6-2)；所述硅光栅(1)通过泵浦光照射，通过利用光栅的衍射效应，经衍射后满足动量匹配条件的光分量耦合入硅光栅(1)并沿轴向传输，在经过锥形宽度渐变结构后进入第一硅波导(7-1)并以导波形式传输，基于倏逝场耦合原理，进入第一硅波导(7-1)的泵浦光通过第一自由纳米线-硅波导复合结构(6-1)进入自由纳米线(5)，泵浦光以导波形式在自由纳米线(5)中传输，通过控制自由纳米线(5)结构尺寸和泵浦光波长，激发高效率的超连续谱产生过程，使得泵浦光传输过程中发生显著的频谱展宽。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述第二硅波导(7-2)采用轴向渐变结构，所述第二硅波导(7-2)的末端采用研磨镜面抛光，所述第一硅波导(7-1)、第二硅波导(7-2)均设置为弯曲结构，从而实现对自由纳米线(5)的自定位。
3.根据权利要求1所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述自由纳米线(5)、第一硅波导(7-1)、第二硅波导(7-2)均通过侧面贴合的方式连接在SiO2衬底(2)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述自由纳米线(5)的直径小于等于两倍泵浦光波长，所述自由纳米线(5)采用CdTe、CdS、ZnO或二氧化硅，所述自由纳米线(5)的长度600μm，所述自由纳米线(5)的截面形状为正六边形，所述自由纳米线(5)的制备方法采用化学气相沉积或光纤火焰拉锥。
5.根据权利要求1所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述SiO2衬底(2)的厚度为1μm～1mm，Au膜反射层(3)的厚度为0.5μm，所述硅光栅(1)常数为0.67μm，所述硅光栅(1)的占空比为0.1-0.9，所述硅光栅(1)光栅刻蚀区的形状为扇形或矩形，所述硅光栅(1)的光栅刻蚀区面积为0.01～1mm2，所述硅光栅(1)的刻蚀深度为0.1μm～1mm，所述硅光栅(1)的入射角为16°。
6.根据权利要求2所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述第一硅波导(7-1)、第二硅波导(7-2)的弯曲半径>10μm，所述第一自由纳米线-硅波导复合结构(6-1)、第二自由纳米线-硅波导复合结构(6-2)的长度耦合重叠<10μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述硅光栅(1)与第一硅波导(7-1)之间的锥形宽度渐变结构长度为0.1μm～1mm，所述锥形宽度渐变结构的锥角范围为0°～180°。
8.根据权利要求1所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述自由纳米线(5)与第一硅波导(7-1)侧向并列放置，所述自由纳米线(5)与第一硅波导(7-1)的耦合距离为0.1μm～10μm，所述自由纳米线(5)与第一硅波导(7-1)的间距为0～10nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，其特征在于：所述泵浦光的波长为1μm-2.5μm，所述泵浦光波长处的单向耦合效率>60％，在所述泵浦光波长处第一硅波导(7-1)工作在单模状态下。
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