[发明专利]一种硅基全光波长转换器

说明书

技术领域

本发明涉及集成光子学及非线性光学领域，特别涉及一种高转换效率的硅基全光波长转换器。

背景技术

光通信是现代信息、传输最重要的方式之一，正朝着超高速、大容量、大宽带、长距离、低成本的方向前进。波长转换器是解决光通信网络中光纤、滤波器、放大器等全光器件带宽限制的关键器件。硅基材料具有集成度高、制造工艺兼容CMOS、稳定性好、非线性系数高等特点,适合用于全光波长转换器的制造。在硅基全光波长转换器中，外界泵浦光与信号光注入硅介质中，激发起材料的三阶非线性效应——克尔效应，并通过四波混频效应产生新的频率分量。以简并四波混频过程为例，注入泵浦光的频率为ω_p，信号光频率为ω_s，则四波混频过程产生了频率为ω_c＝2ω_p-ω_s的目标光，实现了波长转换。

转换效率是衡量波长转换器工作性能的重要指标。此处，转换效率定义为CE＝P_c/P_in，式中，P_c、P_in分别为目标光的功率与信号光的输入功率。非线性系数与相位失配是决定转换效率高低的主要因素。非线性系数用于表征光场与介质之间相互作用的能力大小。非线性系数越大，四波混频效应越强。与传统条形波导相比，硅基狭缝波导减小了波导的有效模场面积，增强了光场和介质之间的相互作用；在狭缝结构中填充高非线性材料，则能够进一步提高非线性系数，有助于提升转换效率。然而，相位失配使得目标光的功率呈现周期性增强与衰减的变化规律，限制了硅基狭缝波导的输出转换效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种硅基全光波长转换器，其目的在于提高波长转换器的转换效率，旨在解决现有技术中由于相位失配限制了硅基狭缝波导的输出转换效率的问题。

本发明提供了一种硅基全光波长转换器，包括依次设置的第一硅条形波导、狭缝结构和第二硅条形波导；所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合器连接；通过改变波导截面宽度，使得截面宽度改变前后相位失配的正负符号相反，从而对相位失配进行调控，使得能量不断从泵浦光向目标光转移，提高转换效率。

更进一步地，所述狭缝结构的高度保持不变，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的横截面宽度在第一宽度W1和第二宽度W2之间周期性变化。

更进一步地，所述第一宽度W1和所述第二宽度W2需满足如下关系：κ_W1κ_W2<0，κ_W1、κ_W2分别表示所述第一宽度W1和所述第二宽度W2对应的相位失配。其中，当狭缝高度为30纳米，狭缝结构中填充硅纳米晶，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米时，第一宽度W1和第二宽度W2需要满足：W1<275nm<W2或者W1>275nm>W2。

更进一步地，所述狭缝结构为水平狭缝波导，水平设置于所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导之间。水平狭缝波导不易受弯曲的影响，能够减小弯曲损耗对波长转换器的影响。

更进一步地，所述水平狭缝波导的宽度为0.2微米～2微米，高度为20纳米～100纳米，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的高度为0.1微米～0.8微米。

更进一步地，所述狭缝结构为垂直狭缝波导，垂直设置于所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导之间。

更进一步地，狭缝结构与硅条形波导同一平面内，通过光刻工艺一次刻蚀完成；工艺简单，制作方便。

更进一步地，所述垂直狭缝波导的高度为0.2微米～2微米，宽度为20纳米～100纳米，所述第一硅条形波导和所述第二硅条形波导的宽度为0.1微米～0.8微米。

更进一步地，所述狭缝结构中填充有高非线性材料，所述高非线性材料指非线性折射率大于硅的非线性折射率的材料。

更进一步地，所述高非线性材料为硅纳米晶、电光聚合物、热光聚合物、掺饵聚合物或有机聚合物。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于通过周期性改变硅基波长转换器的截面尺寸，实现了对相位失配的有效调控，能够取得提高转换效率的有益效果。

附图说明

图1为现有的水平硅基狭缝条形波导波长转换器。图中，条形波导横截面宽度W保持不变。其中，11为狭缝结构，12为硅条形波导。