一種硅基全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成光子學(xué)及非線性光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種高轉(zhuǎn)換效率的硅基全光 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光通信是現(xiàn)代信息、傳輸最重要的方式之一，正朝著超高速、大容量、大寬帶、長(zhǎng)距 離、低成本的方向前進(jìn)。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是解決光通信網(wǎng)絡(luò)中光纖、濾波器、放大器等全光器件 帶寬限制的關(guān)鍵器件。硅基材料具有集成度高、制造工藝兼容CMOS、穩(wěn)定性好、非線性系數(shù) 高等特點(diǎn)，適合用于全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的制造。在硅基全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器中，外界栗浦光與信 號(hào)光注入硅介質(zhì)中，激發(fā)起材料的三階非線性效應(yīng)--克爾效應(yīng)，并通過四波混頻效應(yīng)產(chǎn) 生新的頻率分量。以簡(jiǎn)并四波混頻過程為例，注入栗浦光的頻率為ωρ，信號(hào)光頻率為cos， 則四波混頻過程產(chǎn)生了頻率為2ω 目標(biāo)光，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
[0003] 轉(zhuǎn)換效率是衡量波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器工作性能的重要指標(biāo)。此處，轉(zhuǎn)換效率定義為CE=P。/Ριη，式中，h、Pin分別為目標(biāo)光的功率與信號(hào)光的輸入功率。非線性系數(shù)與相位失配是決定 轉(zhuǎn)換效率高低的主要因素。非線性系數(shù)用于表征光場(chǎng)與介質(zhì)之間相互作用的能力大小。非 線性系數(shù)越大，四波混頻效應(yīng)越強(qiáng)。與傳統(tǒng)條形波導(dǎo)相比，硅基狹縫波導(dǎo)減小了波導(dǎo)的有效 模場(chǎng)面積，增強(qiáng)了光場(chǎng)和介質(zhì)之間的相互作用；在狹縫結(jié)構(gòu)中填充高非線性材料，則能夠進(jìn) 一步提高非線性系數(shù)，有助于提升轉(zhuǎn)換效率。然而，相位失配使得目標(biāo)光的功率呈現(xiàn)周期性 增強(qiáng)與衰減的變化規(guī)律，限制了硅基狹縫波導(dǎo)的輸出轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種硅基全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，其目的在于提高 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中由于相位失配限制了硅基狹縫波導(dǎo)的輸出轉(zhuǎn) 換效率的問題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種硅基全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，包括依次設(shè)置的第一硅條形波導(dǎo)、狹縫 結(jié)構(gòu)和第二硅條形波導(dǎo)；所述第一硅條形波導(dǎo)和所述第二硅條形波導(dǎo)的寬度周期性改變， 不同寬度部分通過錐形耦合器連接；通過改變波導(dǎo)截面寬度，使得截面寬度改變前后相位 失配的正負(fù)符號(hào)相反，從而對(duì)相位失配進(jìn)行調(diào)控，使得能量不斷從栗浦光向目標(biāo)光轉(zhuǎn)移，提 高轉(zhuǎn)換效率。
[0006] 更進(jìn)一步地，所述狹縫結(jié)構(gòu)的高度保持不變，所述第一硅條形波導(dǎo)和所述第二硅 條形波導(dǎo)的橫截面寬度在第一寬度W1和第二寬度W2之間周期性變化。
[0007] 更進(jìn)一步地，所述第一寬度W1和所述第二寬度W2需滿足如下關(guān)系：kw1kW2〈〇，κW1、κ￥2分別表示所述第一寬度W1和所述第二寬度W2對(duì)應(yīng)的相位失配。其中，當(dāng)狹縫高 度為30納米，狹縫結(jié)構(gòu)中填充硅納米晶，上下兩側(cè)硅條形波導(dǎo)高度均為200納米時(shí)，第一寬 度W1和第二寬度W2需要滿足：Wl〈275nm〈W2或者Wl>275nm>W2〇
[0008] 更進(jìn)一步地，所述狹縫結(jié)構(gòu)為水平狹縫波導(dǎo)，水平設(shè)置于所述第一硅條形波導(dǎo)和 所述第二硅條形波導(dǎo)之間。水平狹縫波導(dǎo)不易受彎曲的影響，能夠減小彎曲損耗對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn) 換器的影響。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述水平狹縫波導(dǎo)的寬度為0. 2微米~2微米，高度為20納米~100 納米，所述第一硅條形波導(dǎo)和所述第二硅條形波導(dǎo)的高度為〇. 1微米~〇. 8微米。
[0010] 更進(jìn)一步地，所述狹縫結(jié)構(gòu)為垂直狹縫波導(dǎo)，垂直設(shè)置于所述第一硅條形波導(dǎo)和 所述第二硅條形波導(dǎo)之間。
[0011] 更進(jìn)一步地，狹縫結(jié)構(gòu)與硅條形波導(dǎo)同一平面內(nèi)，通過光刻工藝一次刻蝕完成；工 藝簡(jiǎn)單，制作方便。
[0012] 更進(jìn)一步地，所述垂直狹縫波導(dǎo)的高度為0. 2微米~2微米，寬度為20納米~100 納米，所述第一硅條形波導(dǎo)和所述第二硅條形波導(dǎo)的寬度為〇. 1微米~〇. 8微米。
[0013] 更進(jìn)一步地，所述狹縫結(jié)構(gòu)中填充有高非線性材料，所述高非線性材料指非線性 折射率大于硅的非線性折射率的材料。
[0014] 更進(jìn)一步地，所述高非線性材料為硅納米晶、電光聚合物、熱光聚合物、摻餌聚合 物或有機(jī)聚合物。
[0015] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于通過周期性改變硅基 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的截面尺寸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相位失配的有效調(diào)控，能夠取得提高轉(zhuǎn)換效率的有益效 果。
【附圖說明】
[0016] 圖1為現(xiàn)有的水平硅基狹縫條形波導(dǎo)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。圖中，條形波導(dǎo)橫截面寬度W 保持不變。其中，11為狹縫結(jié)構(gòu)，12為硅條形波導(dǎo)。
[0017] 圖2(a)為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的水平狹縫波導(dǎo)的側(cè)視圖，（b)為本發(fā)明的水平 狹縫波導(dǎo)的俯視圖。圖中狹縫結(jié)構(gòu)高度保持不變，波導(dǎo)的橫截面寬度在W1、W2之間變化，不 同寬度部分通過錐形耦合器連接。其中，21為狹縫結(jié)構(gòu)，22為硅條形波導(dǎo)，23為錐形耦合 器。
[0018] 圖3(a)為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的垂直狹縫波導(dǎo)的側(cè)視圖，（b)為本發(fā)明的垂直 狹縫波導(dǎo)的俯視圖。圖中狹縫結(jié)構(gòu)寬度保持不變，波導(dǎo)的橫截面寬度在W1、W2之間變化，不 同寬度部分通過錐形耦合器連接。其中，31為狹縫結(jié)構(gòu)，32為硅條形波導(dǎo)，33為錐形耦合 器。
[0019] 圖4為現(xiàn)有的硅基水平對(duì)稱狹縫波導(dǎo)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器中，sinΘ的值隨傳輸距離的變 化情況。波導(dǎo)總長(zhǎng)度為4毫米，狹縫高度為30納米，上下兩側(cè)硅條形波導(dǎo)高度均為200納 米，波導(dǎo)寬度為300納米，上包層為空氣，狹縫結(jié)構(gòu)中填充硅納米晶。注入栗浦光波長(zhǎng)為 1550納米，功率為300暈瓦，信號(hào)光波長(zhǎng)為1850納米，功率為0. 1暈瓦。
[0020] 圖5為現(xiàn)有的硅基水平對(duì)稱狹縫波導(dǎo)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換效率隨傳輸距離的變化 情況。波導(dǎo)總長(zhǎng)度為4毫米，狹縫高度為30納米，上下兩側(cè)硅條形波導(dǎo)高度均為200納米， 波導(dǎo)寬度為300納米，上包層為空氣，狹縫結(jié)構(gòu)中填充硅納米晶。注入栗浦光波長(zhǎng)為1550 納米，功率為300暈瓦，信號(hào)光波長(zhǎng)為1850納米，功率為0. 1暈瓦。
[0021] 圖6為硅基水平對(duì)稱狹縫波導(dǎo)的相位失配值隨波導(dǎo)寬度的變化情況。狹縫高度 為30納米，上下兩側(cè)硅條形波導(dǎo)高度均為200納米，上包層為空氣，狹縫結(jié)構(gòu)中填充硅納米 晶。
[0022] 圖7為本發(fā)明的對(duì)稱水平狹縫波導(dǎo)中，sinΘ的值隨傳輸距離的變化情況。波導(dǎo) 總長(zhǎng)度為4毫米，狹縫高度為30納米，上下兩側(cè)硅條形波導(dǎo)高度均為200納米，波導(dǎo)寬度在 300納米與250納米之間交替變化，上包層為空氣，狹縫結(jié)構(gòu)中填充硅納米晶。注入栗浦光 波長(zhǎng)為1550納米，功率為300暈瓦，信號(hào)光波長(zhǎng)為1850納米，功率為0. 1暈瓦。
[0023] 圖8為本發(fā)明的對(duì)稱水平狹縫波導(dǎo)中，轉(zhuǎn)換效率隨傳輸距離的變化情況。波導(dǎo)總 長(zhǎng)度為4毫米，狹縫高度為30納米，上下兩側(cè)硅條形波導(dǎo)高度均為200納米，波導(dǎo)寬度在 300納米與250納米之間交替變化，上包層為空氣，狹縫結(jié)構(gòu)中填充硅納米晶。注入栗浦光 波長(zhǎng)為1550納米，功率為300暈瓦，信號(hào)光波長(zhǎng)為1850納米，功率為0. 1暈瓦。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0025] 本發(fā)明提出了一種高轉(zhuǎn)換效率的硅基全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，通過使用一種填充了高非 線性材料的硅基狹縫波導(dǎo)，周期性調(diào)整波導(dǎo)截面的尺寸，具體而言，調(diào)整波導(dǎo)截面寬度，對(duì) 相位失配進(jìn)行調(diào)控，引導(dǎo)能量不斷從栗浦光轉(zhuǎn)移向目標(biāo)光，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率的全光波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換。
[0026] 本發(fā)明提出了一種填充了高非線性材料的硅基狹縫波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，狹縫波導(dǎo)的截面寬度周期性變化，其中高非線性材料是指非線性折射率大 于硅的非線性折射率（6X10lsm2/W)的材料。
[0027] 相位失配通過影響栗浦光、信號(hào)光與目標(biāo)光之間的相位差Θ來(lái)決定四波混頻效 應(yīng)中的能量流動(dòng)方向。相位差Θ隨傳輸過程的變化情況如以下公式所示：
[0028]
[0029]
[0030] 式中，κ表示相位失配，γ表示非線性系數(shù)，Pp表示栗浦光的功率，Ps信號(hào)光 的功率，Pi目標(biāo)光的功率；sinΘ>〇時(shí)，能量從栗浦流向目標(biāo)光，使得轉(zhuǎn)換效率得到增強(qiáng)； sinΘ〈〇時(shí)，能量從目標(biāo)光流回栗浦，轉(zhuǎn)換效率隨之降低。
[0031] 相位失配由波導(dǎo)的色散與非線性系數(shù)決定，滿足如下公式
[0032] κ=β2 (ωρ) (ωρ-ωs) 2+β4 (ωρ)) (ωρ-ωs)V12+2yPp......(3)
[0033] 式中，β2(ωρ)和β4(ωρ)分別是波導(dǎo)的二階、四階色散。由于波導(dǎo)色散與波導(dǎo)的 截面尺寸大小有關(guān)，對(duì)于截面保持不變的狹縫波導(dǎo)，波導(dǎo)的二階、四階色散保持不變，則相 位失配為一定值。從公式（1)可以看出，隨之傳輸距離的增大，定值κ將使得sinΘ的值 在正值與負(fù)值之間周期性變化，目標(biāo)光的功率呈現(xiàn)周期性增強(qiáng)與衰減的變化趨勢(shì)。
[0034] 本發(fā)明通過改變波導(dǎo)截面尺寸，對(duì)β2(ωρ)和β4(ωρ)的值周期性改變，實(shí)現(xiàn) 對(duì)調(diào)控相位失配κ的調(diào)控。具體而言，當(dāng)Sin0的值為負(fù)時(shí)，改變波導(dǎo)截面寬度，使得截 面寬度改變前后，相位失配的正負(fù)符號(hào)相反，從而使得sinΘ的值重新變?yōu)檎?，即滿足 K W1 KW2<〇......(4);ΚW1、κW2分別為截面尺寸改變前后，不同截面寬度對(duì)應(yīng)的相位失配值。