[0035] 通过对相位失配的调控，能量不断从栗浦光向目标光转移，转换效率得到提升。不 同宽度部分之间采用锥形耦合器连接。锥形耦合器的宽度连续变化，用其连接两段截面宽 度不同的波导，能够减小光传输过程中的损耗。
[0036]图2(a)示出了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。硅基全光波长转换器包括依次设置的硅条形波导22、狭缝结构21 和硅条形波导22 ;其中硅条形波导22的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合器23 连接；狭缝结构21的高度保持不变，硅条形波导22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，不同宽度部分通过锥形耦合器23连接。作为本发明的一个实施例， 狭缝结构21被水平夹于两硅条形波导22之间，为水平狭缝波导。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。
[0037]图3(a)为本发明第二实施例提供的垂直耦合狭缝波导的侧视图，（b)为本发明的 垂直耦合狭缝波导的俯视图。硅基全光波长转换器包括依次设置的硅条形波导32、狭缝结 构31和硅条形波导32,其中硅条形波导32的宽度周期性改变，不同宽度部分通过锥形耦合 器33连接；狭缝结构31的宽度保持不变，硅条形波导32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，不同宽度部分通过锥形耦合器33连接。作为本发明的一个实 施例，狭缝结构被垂直夹于两硅条形波导之间，为垂直狭缝波导。垂直狭缝波导中，狭缝结 构与硅条形波导同一平面内，可以通过光刻工艺一次刻蚀完成，工艺简单，制作方便。
[0038] 在本发明实施例中，狭缝波导可选为对称结构，即狭缝两侧条形波导结构参数完 全一致，也可选为非对称结构，即狭缝两侧条形波导结构参数不完全相同。
[0039] 在本发明实施例中，对于狭缝结构中填充的非线性材料，可选择为硅纳米晶、电光 聚合物、热光聚合物、掺饵聚合物或有机聚合物。这些材料的非线性系数较高，能够产生较 强的四波混频效应，增强光场与波导结构的作用强度。
[0040] 在本发明实施例中，狭缝波导上包层材料可选择为空气、二氧化硅。选用空气为上 包层，则光刻完成后无需后续加工，工艺流程简单；选用二氧化硅为上包层，有助于减小传 输损耗。可根据实际需求与工艺条件选择。
[0041] 在本发明实施例中，垂直狭缝波导的高度为0. 2微米~2微米，狭缝宽度为20纳 米~100纳米，两侧硅条形波导的宽度为0. 1微米~0. 8微米；水平狭缝波导的宽度为0. 2 微米~2微米，狭缝高度为20纳米~100纳米，上、下娃条形波导的高度为0. 1微米~0. 8 微米。锥形耦合器长度为锥形耦合器内边缘长度，其值取值范围为10微米~50微米。截 面尺寸的选择与选用结构、狭缝中填充物的材料有关，在此范围内，波导横截面积适中，有 利于增强波导的非线性效应，且能够满足现有的工艺要求，便于制作。而横截面积过大，波 导的非线性降低，降低四波混频效应的强度；横截面过小，又会增加器件制作难度，提高对 实际工艺的要求。
[0042] 将栗浦光、信号光注入水平狭缝波导中，在四波混频效应作用下，产生了新的频率 分量。在传输距离较小时，图1、2所示的两种波导宽度均为300纳米，如技术背景中所述， sinΘ的值为正值，图5、图8中转换效率均处于增大状态。随着传输距离逐渐增大，由于相 位失配的影响，sin Θ的值不断减小，直到变为〇。此后，现有狭缝波导结构中，sinΘ的值 呈现正负交替的变化情况（如图4所示），目标光功率周期性增强与衰减，转换效率随传输 距离振荡变化（如图5所示），最终的输出效率仅为-30. 6dB。
[0043] 而本发明提出的波长转换器，则在sinΘ=〇时，改变波导横截面的宽度，使得波 导结构的色散改变，实现对相位失配的调控，使得sinΘ的值重新变为正值，引导能量不断 从栗浦光转移向目标光，使得转换效率不断得到增强。图6表示狭缝波导不同宽度对应的 相位失配值，该波导的狭缝高度为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，上包层为空气，注入栗浦光波长为1550纳米，信号光波长为1850纳 米。当波导宽度W>275nm时，相位失配值为负值；当波导宽度W〈275nm时，相位失配值为正 值。因此，根据公式（4)，本实施例中波导截面宽度W1、W2需满足：
[0044]Wl〈275nm〈W2 或者Wl>275nm>W2
[0045] 由于W1 = 300nm，因此宽度W2应当小于275nm。选取W2 = 250nm，通过周期性改 变波导宽度，本发明提出的波长转换器转换的最终输出效率为-12. 4dB，极大地提高了转换 效率。
[0046] 硅基狭缝波导的结构除了上面的垂直狭缝波导，还可以为水平狭缝波导（如图3 所示）。狭缝波导可为对称波导，也可为非对称波导。狭缝结构中填充的非线性材料除了硅 纳米晶，还可以为电光聚合物、热光聚合物、掺饵聚合物或有机聚合物。波导上包层除了为 空气，还可以为二氧化硅。各自特点已经在前文中阐明，可以根据实际需求与工艺水平进行 选择。
[0047] 为本发明器件尺寸一般为：垂直狭缝波导的高度为0. 2微米~2微米，狭缝宽度 为20纳米~100纳米，两侧硅条形波导的宽度为0. 1微米~0. 8微米；水平狭缝波导的宽 度为0. 2微米~2微米，狭缝高度为20纳米~100纳米，上下硅条形波导的高度为0. 1微 米~0. 8微米。定义锥形耦合器长度为锥形耦合器内边缘长度，其值取值范围为10微米~ 50微米。关于各尺寸的大小，前文中已经阐明，既考虑器件性能，又考虑了实际工艺。
[0048] 最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种硅基全光波长转换器，其特征在于，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。2. 如权利要求1所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，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。3. 如权利要求2所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，所述第一宽度W1和所述第 二宽度W2需满足如下关系：κW1κW2〈〇,κW1、κW2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。4. 如权利要求2所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，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。5. 如权利要求4所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，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，所述第一娃条形波导和所述第二娃条形 波导的高度为〇. 1微米~〇. 8微米。6. 如权利要求2所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，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。7. 如权利要求6所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，狭缝结构与所述第一硅条 形波导和所述第二硅条形波导位于同一平面内，通过光刻工艺一次刻蚀完成。8. 如权利要求6或7所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，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。9. 如权利要求2-8任一项所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，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。10. 如权利要求9所述的硅基全光波长转换器，其特征在于，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。
【专利摘要】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；第一硅条形波导和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。狭缝结构的高度保持不变，第一硅条形波导和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。第一宽度W1和第二宽度W2需满足如下关系：κW1κW2<0，κW1、κW2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。本发明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，能够提高转换效率。
【IPC分类】G02F1/365, G02F1/35, G02F2/00, G02F1/355
【公开号】CN105372901
【申请号】CN201510887856
【发明人】张敏明, 周飞亚, 王元武, 刘德明
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年12月4日