一种高非线性的微环波导光器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用高非线性效应实现全光信号处理的微环波导光器件。为克服现有微环进行全光信号处理时非线性系数不足，本发明提出了一种微环波导光器件，包括：直波导和在衬底上平行生长出的微环，所述微环为环形谐振腔，所述微环的脊形波导部分为平行slot结构，而不是单一的脊波导结构，所述直波导与耦合。本发明创新了一个平行slot微环波导结构，当光耦合进平行slot微环波导结构时，其中Slot波导结构可以很好的限制光场，而微环的谐振效应使谐振光光强增强非常大,因此微环中的各种非线性效应得到增强,降低阈值，提高效率，并可以在全光信号处理如光频梳、波长转换、逻辑门和码型转换等领域中得到应用。
【专利说明】一种高非线性的微环波导光器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及非线性效应，全光信号处理的光器件领域，更具体涉及一种利用高非线性效应实现全光信号处理的微环波导光器件。
【背景技术】
[0002]从20世纪70年代开始光通信技术在全世界范围内被广泛地研究和发展，并成为当今信息技术发展的一个重要方面。而“光器件”是光通信系统的核心，对通信系统的成本、容量和功耗有着很大的影响，因此光器件的研究和市场化一直是光通信技术的发展关键点。
[0003]关于光器件来说，进一步发展就是光集成(集成光学)，它是光学器件和系统发展的结果，由美国Bell实验室的Milier在1969年提出，主要目的是在一个平面衬底上将各种功能的光器件集成起来(类似微电子集成)，以实现光学系统的规模化，微型化，集成化。随着微纳加工技术的不断发展和提高，集成光学也得到了很大的进步，硅基以及S01(silicon-on-1nsulator,硅基绝缘)基光波导，以其高折射率差和强的光学限制，可以使得光学器件越来越向高集成度、小型化、纳米量级尺度发展。集成光学的一个重要问题就是减小器件的尺寸以提高集成度，同样在1969年美国Bell实验室的Marcatill提出了微环的概念与结构，随着器件制造工艺水平不断地提高，微环迅速发展成为集成光学中的研究热点，基于微环的各种功能性器件也得到实现，因此微环在光波导器件中发挥了越来越重要的作用，并被认为是未来大规模集成光学回路的基本元件。
[0004]目前人们利用微环的谱线特性来做滤波装置或者传感应用，或者相位特性来做延迟线(缓存器)，但是大部分还是希望能够利用利用微环进行全光信号的处理。但是，传统微环结构的非线性系数较低，很难达到全光信号处理的要求。为了使微环结构获得较高的非线性系数，传统的方法一是进一步提高其Q值。但是如果Q值过高，必然就导致微环的传输谱线锐度增大，泵浦光功率利用小，效率也随之降低。传统的方法二是采用较高非线性系数的新型材料。但是目前硅基光电子器件可以采用成熟的CMOS工艺使得生产低成本、高性能的商用器件成为可能，而新型材料必然会导致工艺的复杂、成本的增加。
[0005]而现有slot直波导结构具有较高的非线性系数，Slot波导是由两侧直线型高折射率材料及中间低折射率材料(或空气缝隙)组成，两侧高折射率材料的宽度、高度及低折射率材料的尺寸均为几百纳米。这种波导能使光场在低折射率的slot区得到很好的限制，其原理就是利用麦克斯韦方程中介质界面处电位移矢量的法向分量连续，如果界面处存在高的折射率差，这样就必然导致电场强度在界面处的不连续，当低折射率材料的宽度远小于光场在该材料的衰减长度时，两波导的倏逝场在slot区域内发生叠加，使得低折射率区中的电场强度远远高于波导之内，在低折射率缝隙中对Ex电场有很强的限制作用，形成准TE模，从而可以实现纳米尺度低折射率层内光信号的传输，该结构在理论模拟和实验上都相应地得到了验证。分别如图1、图2所示，现有Slot波导根据slot结构区9与衬底3的相对几何位置，分为平行和垂直slot结构，。[0006]目前还没有结合平行slot波导结构和微环结构来提高微环波导光器件的非线性，达到应用所需要求的技术方案。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是为克服现有微环进行全光信号处理时非线性系数不足，提出了一种微环波导光器件，在不需进一步提高微环Q值时，且在较低泵浦功率下，就可以得到高的非线性系数，实现全光信号的处理。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提出了一种微环波导光器件，包括:直波导和在衬底上平行生长出的微环，所述微环为环形谐振腔，所述微环的脊形波导部分为平行slot结构，而不是单一的脊波导结构，所述直波导与耦合。
[0009]优选的，所述直波导为一根，位于所述微环的一侧，与所述微环侧向耦合。
[0010]还优选的，所述直波导为一根，位于所述微环的上侧，与所述微环垂直耦合。
[0011]还优选的，所述直波导为两根，分别位于所述微环的两侧，与所述微环耦合。
[0012]对于所述微环的形状，可选择为圆环形、多边形、椭圆形。
[0013]对于娃基s lot波导，slot结构的间隙材料为非娃低折射率材料,能够降低双光子吸收。
[0014]在slot区，所述非硅低折射率材料为高非线性材料，如硅纳米晶掺杂Si02，提高其非线性。
[0015]优选的，所述slot微环横截面的宽度为500nm±5%，高度为350nm±5%，其中slot区中间的低折射率部分高度为30~40nm±5%，slot区上下两边的高折射率部分高度分别为 160nm±5%。
[0016]更优的，为了让直波导和slot微环更好的耦合，在其耦合区的间隔为50~100nm±5%。直波导的横截面尺寸和slot微环的横截面大小一样。
[0017]对于所述微环的半径，其大小取值如下:
[0018]
【权利要求】
1.一种微环波导光器件，其特征在于，包括:直波导和在衬底上平行生长出的微环，所述微环为环形谐振腔，所述微环的脊形波导部分为平行slot结构，所述直波导与耦合。
2.根据权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述直波导为一根，位于所述微环的一侧，与所述微环侧向耦合。
3.根据权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述直波导为一根，位于所述微环的上侧，与所述微环垂直耦合。
4.根据权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述直波导为两根，分别位于所述微环的两侧，与所述微环耦合。
5.根据权利要求1所述的微环波导光器件，其特征在于，所述微环的形状为圆环形、多边形或椭圆形。
6.根据权利要求1-5之一所述的微环波导光器件,其特征在于，所述slot微环横截面的宽度为500nm±5%，高度为350nm±5%，其中slot区中间的低折射率部分高度为30~40nm±5%，slot区上下两边的高折射率部分高度分别为160nm±5%。
7.根据权利要求6所述的微环波导光器件，其特征在于，耦合区的间隔为50~100nm±5%。直波导的横截面尺寸和slot微环的横截面大小一样。
8.根据权利要求7所述的微环波导光器件，其特征在于，所述微环的半径，其大小取值如下:
9.根据权利要求7所述的微环波导光器件，其特征在于，对于硅基slot波导，slot结构的间隙材料为非硅低折射率材料。
10.根据权利要求9所述的微环波导光器件，其特征在于，在slot区，所述非硅低折射率材料为高非线性材料硅纳米晶掺杂Si02。
【文档编号】G02F1/365GK103576413SQ201310543026
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】刘德明, 夏历, 王元武, 张敏明 申请人:华中科技大学