[发明专利]一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体慢光有源器件设计及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器。

背景技术

新一代光通信、光存储及光子集成要求单元器件尺寸不断缩小，光子晶体由于其自身的特点，近年来一直是研究的热点，其各种效应也不断被发现和利用。几乎所有的有源和无源光子器件都可以用光子晶体的理论和材料来设计制造。光子晶体的许多独特之处引人瞩目，如基于光子晶体带隙的小尺寸大角度弯折无损耗波导、基于带边超大色散效应的超棱镜，以及基于光子晶体负折射效应的突破衍射极限的成像透镜。其中，光子晶体带边慢光效应非常引人关注，它可以在微小尺度内极大增强光和物质的相互作用，有效控制辐射速率，基于此的各种微纳腔激光器已经实现超低阈值激射，特殊腔结构的光子晶体激光器具有高达100Gbps调制速率。

基于慢光效应的调制器、光开关、光延迟器尺寸可以缩小1个或几个数量级。基于慢光效应的半导体光放大器在信号放大、波长变换、光逻辑门、光计算、光网络节点的码型变换、色散监测和光码分多址复用收发模块等方面都有重要应用，慢光结构的采用可以大幅度缩短腔长，从而大幅度减小尺寸，降低功耗，提高速率。

此前有文献报道了以光子晶体线缺陷为主的慢光半导体光放大器(SOA)设计，群折射率可以达到50以上，但是都是基于横电(TE)模式工作的，横磁(TM)模式工作的未见报道。这主要是因为TM模式用普通的光子晶体结构很难实现，但是这类偏振器件在光子集成中是很重要的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现有的光子晶体慢光半导体光放大器，一般工作于TE模式下，不能满足TM偏振模式放大特性的需要，对此本发明的主要目的在于提供一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，该半导体光放大器包括纵向结构和横向结构，其中纵向结构为纵向弱限制结构或空气桥结构，横向结构采用蜂窝晶格结构，并引入线缺陷作为导光区。

上述方案中，所述纵向弱限制结构是在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，其形成的波导结构在光通信波段横磁基模有效折射率在3.0至3.2。

上述方案中，所述在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，由上到下依次为空气/半导体材料盖层/铟镓砷磷多量子阱层/缓冲层/衬底材料。

上述方案中，所述半导体材料盖层、缓冲层和衬底材料均采用磷化铟，所述半导体材料盖层及铟镓砷磷多量子阱层的厚度均为200至300纳米。

上述方案中，所述空气桥结构由上到下依次为空气/铟镓砷磷多量子阱层/空气层/衬底材料，其形成的波导结构在光通信波段横磁基模有效折射率在2.9至3.0。

上述方案中，所述衬底材料采用磷化铟，所述铟镓砷磷多量子阱层的厚度为250至350纳米。

上述方案中，所述蜂窝晶格结构，当孔半径R与周期P的比值大于0.16时则有横磁光子带隙出现。

上述方案中，所述蜂窝晶格结构，通过去掉两行孔形成波导，该波导通过能带结构即色散关系分析发现其横磁缺陷态具有大的群折射率，即慢光效应，群折射率达到50以上，能够使光和物质作用加强。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，采用蜂窝晶格引入线缺陷的光子晶体结构能够实现高群折射率，达到50或更高，且是TM偏振工作模式，与多量子阱有源区结合实现TM模式的放大，慢光效应增强了光和增益介质作用，大幅度缩短腔长。

2、本发明提供的这种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，通过调整中间波导的宽度可以改变慢光工作中心波长，调整放大效果。对于空气桥结构可以采取光泵方式工作，而对于纵向弱限制结构可以采取电泵。

3、本发明提供的这种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，通过合理调整占空比及增益介质结构，使其工作于通信波段，应用于未来高密度光子或光电子集成芯片。

附图说明

图1是TM偏振光子晶体慢光效应SOA纵向结构示意图，其中(a)是弱折射率限制结构，(b)是空气桥结构；

图2是TM偏振光子晶体慢光效应SOA横向结构示意图；