[发明专利]基于硅基表面等离子体波导的超宽带光参量放大器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种半导体技术领域的装置，具体是一种基于硅基表面等离子体波导的超宽带光参量放大器。

背景技术

近年来，基于表面等离子体技术的纳米光学得到了越来越多的关注，表面等离子体打破传统介质波导衍射极限，能将通信波段的光局限在深亚波长级的波导中，可以像金属线传导电子一样在纳米尺度上传输光，推动了器件尺寸的进一步减小以及集成密度的进一步增加。同时，随着芯片逐渐将计算、存储、通信和信息处理等多种功能汇集在一起，推动了片上光计算技术的实现。为了实现光计算中的逻辑以及信号处理功能，需要用到光器件的非线性效应。相比电信号处理，光器件的非线性信号处理具有超快的响应速度，处理带宽超过THz。但是为了产生非线性效应需要较大的功率和较长的距离，其尺寸和功耗限制了其在集成光路中的应用。由于表面等离子激元对光的深亚波长的局域能力，其模场面积大大减小，从而使得增强非线性系数，减小阈值功率和器件长度成为可能，因此表面等离子在未来纳米光集成信号处理器件和电路等科学领域得到了应用。自然-光学(Nature photonics)杂志中的论文“Plasmonics beyond thediffraction limit(突破衍射极限的表面等离子体)”，系统地介绍了基于表面等离子体波导的无源和有源的纳米器件如光探测器，光放大器等。

同时，参杂光纤放大器是基于参杂原子的受激辐射的，所以其工作波长范围主要取决于参杂原子的性质；拉曼放大器也有类似的性质，使得两种放大器的工作带宽只有几十个纳米。但光参量放大器主要依赖于光波导材料的三阶非线性而不是所参杂的原子性质。原理上只要满足四波混频的相位匹配，光参量放大器可以工作在任意波长范围。其工作带宽主要由泵浦光功率，波导的非线性以及色散决定的。因此在增大光参量放大器的工作带宽使其远远大于参杂光纤放大器以及拉曼放大器上有着很大的发展前景。将表面等离子体波导的超高非线性结合，理论上可以设计出超宽的光参量放大器。

经过对现有技术的检索发现，美国cornell大学Mark A.Foster等人发表论文(发表于Nature，Vol.442，PP.960-963(自然杂志)，“Broad-band optical parametric gain on a siliconphotonic chip(基于硅光学波导的宽带光参量增益)”)。该文献报道了C波段的参量放大器的设计，通过优化设计硅基波导的结构参数，实现了器件尺寸为300nm×600nm×6.4mm带宽为70纳米和增益为14dB的光参量放大器，该结构的泵浦光功率为1W。但是该现有技术实现的带宽不能支持日益增加的对通信带宽的要求(仅限于C波段)，而且输入功率相对比较高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的所述的不足，提供一种基于硅基表面等离子体波导的超宽带光参量放大器，通过将功率为0.5W的泵浦光和低功率的信号光同时入射到长为20微米的该波导结构中，在输出端得到的信号光有14dB的增益以及工作带宽为202纳米包含S-band、C-band以及L-band波段，器件尺寸为100nm×5nm×20μm，增强了其纳米集成程度，并降低了输入泵浦光功率，降低了能耗，提高了泵浦效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：可调谐激光器、泵浦激光器、表面等离子波导和光耦合器，其中：可调谐激光器和泵浦激光器的输出端分别与光耦合器相连，光耦合器将泵浦光和信号光耦合后输出至表面等离子波导。

所述的可调谐激光器，用于提供信号光源，其输出端可以通过连接光衰减器降低其信号功率，其输出波长范围为1300nm-1700nm。

所述的泵浦激光器，用来提供参量放大器工作时所需的高功率泵浦光，其输出的泵浦光的波长为1550nm，输出的功率范围为0.25W-1W。

所述的光耦合器将泵浦光和信号光耦合成一路光，耦合进入波导。

所述的表面等离子波导包括：脊形硅波导、金属银阶梯结构层以及聚合物间隙层，其中：金属银阶梯结构层通过聚合物间隙层与脊形硅波导在垂直方向上相连。

所述的金属银阶梯结构层的外宽大于脊形硅波导的硅基宽度，金属银阶梯结构层的金属阶梯宽度与脊形硅波导的硅脊对齐。