一种硅基全光波长转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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，外界栗浦光与信 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，注入栗浦光的频率为ωρ，信号光频率为cos， 则四波混频过程产生了频率为2ω 目标光，实现了波长转换。
[0003] 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。/Ριη，式中，h、Pin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】
[0004] 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。
[0005] 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，使得能量不断从栗浦光向目标光转移，提 高转换效率。
[0006] 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。
[0007] 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：kw1kW2〈〇，κW1、κ￥2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：Wl〈275nm〈W2或者Wl>275nm>W2〇
[0008] 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。
[0009] 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〇. 1微米~〇. 8微米。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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〇. 1微米~〇. 8微米。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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】
[0016] 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。
[0017] 图2(a)为本发明第一实施例提供的水平狭缝波导的侧视图，（b)为本发明的水平 狭缝波导的俯视图。图中狭缝结构高度保持不变，波导的横截面宽度在W1、W2之间变化，不 同宽度部分通过锥形耦合器连接。其中，21为狭缝结构，22为硅条形波导，23为锥形耦合 器。
[0018] 图3(a)为本发明第二实施例提供的垂直狭缝波导的侧视图，（b)为本发明的垂直 狭缝波导的俯视图。图中狭缝结构宽度保持不变，波导的横截面宽度在W1、W2之间变化，不 同宽度部分通过锥形耦合器连接。其中，31为狭缝结构，32为硅条形波导，33为锥形耦合 器。
[0019] 图4为现有的硅基水平对称狭缝波导波长转换器中，sinΘ的值随传输距离的变 化情况。波导总长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳 米，波导宽度为300纳米，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入栗浦光波长为 1550纳米，功率为300晕瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0. 1晕瓦。
[0020] 图5为现有的硅基水平对称狭缝波导波长转换器中，转换效率随传输距离的变化 情况。波导总长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米， 波导宽度为300纳米，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入栗浦光波长为1550 纳米，功率为300晕瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0. 1晕瓦。
[0021] 图6为硅基水平对称狭缝波导的相位失配值随波导宽度的变化情况。狭缝高度 为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米 晶。
[0022] 图7为本发明的对称水平狭缝波导中，sinΘ的值随传输距离的变化情况。波导 总长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，波导宽度在 300纳米与250纳米之间交替变化，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入栗浦光 波长为1550纳米，功率为300晕瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0. 1晕瓦。
[0023] 图8为本发明的对称水平狭缝波导中，转换效率随传输距离的变化情况。波导总 长度为4毫米，狭缝高度为30纳米，上下两侧硅条形波导高度均为200纳米，波导宽度在 300纳米与250纳米之间交替变化，上包层为空气，狭缝结构中填充硅纳米晶。注入栗浦光 波长为1550纳米，功率为300晕瓦，信号光波长为1850纳米，功率为0. 1晕瓦。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0025] 本发明提出了一种高转换效率的硅基全光波长转换器，通过使用一种填充了高非 线性材料的硅基狭缝波导，周期性调整波导截面的尺寸，具体而言，调整波导截面宽度，对 相位失配进行调控，引导能量不断从栗浦光转移向目标光，实现了高转换效率的全光波长 转换。
[0026] 本发明提出了一种填充了高非线性材料的硅基狭缝波导，用于实现高转换效率的 全光波长转换，狭缝波导的截面宽度周期性变化，其中高非线性材料是指非线性折射率大 于硅的非线性折射率（6X10lsm2/W)的材料。
[0027] 相位失配通过影响栗浦光、信号光与目标光之间的相位差Θ来决定四波混频效 应中的能量流动方向。相位差Θ随传输过程的变化情况如以下公式所示：
[0028]
[0029]
[0030] 式中，κ表示相位失配，γ表示非线性系数，Pp表示栗浦光的功率，Ps信号光 的功率，Pi目标光的功率；sinΘ>〇时，能量从栗浦流向目标光，使得转换效率得到增强； sinΘ〈〇时，能量从目标光流回栗浦，转换效率随之降低。
[0031] 相位失配由波导的色散与非线性系数决定，满足如下公式
[0032] κ=β2 (ωρ) (ωρ-ωs) 2+β4 (ωρ)) (ωρ-ωs)V12+2yPp......(3)
[0033] 式中，β2(ωρ)和β4(ωρ)分别是波导的二阶、四阶色散。由于波导色散与波导的 截面尺寸大小有关，对于截面保持不变的狭缝波导，波导的二阶、四阶色散保持不变，则相 位失配为一定值。从公式（1)可以看出，随之传输距离的增大，定值κ将使得sinΘ的值 在正值与负值之间周期性变化，目标光的功率呈现周期性增强与衰减的变化趋势。
[0034] 本发明通过改变波导截面尺寸，对β2(ωρ)和β4(ωρ)的值周期性改变，实现 对调控相位失配κ的调控。具体而言，当Sin0的值为负时，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，从而使得sinΘ的值重新变为正值，即满足 K W1 KW2<〇......(4);ΚW1、κW2分别为截面尺寸改变前后，不同截面宽度对应的相位失配值。