基于硅基表面等离子体波导的超宽带光参量放大器

摘要

一种半导体技术领域的基于硅基表面等离子体波导的超宽带光参量放大器，包括：可调谐激光器、泵浦激光器、表面等离子波导和光耦合器，其中：可调谐激光器和泵浦激光器的输出端分别与光耦合器相连，光耦合器将泵浦光和信号光耦合后依次输出至表面等离子波导。本发明通过将功率为0.5W的泵浦光和低功率的信号光同时入射到长为20微米所述波导结构中，在输出端得到的信号光有14dB的增益以及工作带宽为202纳米包含S-band、C-band以及L-band波段，器件尺寸为100nm×5nm×20μm，增强了其纳米集成程度，并降低了输入泵浦光功率，降低了能耗，提高了泵浦效率。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种半导体技术领域的装置，具体是一种基于硅基表面等离子体波导的超宽带光参量放大器。

背景技术

近年来，基于表面等离子体技术的纳米光学得到了越来越多的关注，表面等离子体打破传统介质波导衍射极限，能将通信波段的光局限在深亚波长级的波导中，可以像金属线传导电子一样在纳米尺度上传输光，推动了器件尺寸的进一步减小以及集成密度的进一步增加。同时，随着芯片逐渐将计算、存储、通信和信息处理等多种功能汇集在一起，推动了片上光计算技术的实现。为了实现光计算中的逻辑以及信号处理功能，需要用到光器件的非线性效应。相比电信号处理，光器件的非线性信号处理具有超快的响应速度，处理带宽超过THz。但是为了产生非线性效应需要较大的功率和较长的距离，其尺寸和功耗限制了其在集成光路中的应用。由于表面等离子激元对光的深亚波长的局域能力，其模场面积大大减小，从而使得增强非线性系数，减小阈值功率和器件长度成为可能，因此表面等离子在未来纳米光集成信号处理器件和电路等科学领域得到了应用。自然-光学(Nature photonics)杂志中的论文“Plasmonics beyond thediffraction limit(突破衍射极限的表面等离子体)”，系统地介绍了基于表面等离子体波导的无源和有源的纳米器件如光探测器，光放大器等。

同时，参杂光纤放大器是基于参杂原子的受激辐射的，所以其工作波长范围主要取决于参杂原子的性质；拉曼放大器也有类似的性质，使得两种放大器的工作带宽只有几十个纳米。但光参量放大器主要依赖于光波导材料的三阶非线性而不是所参杂的原子性质。原理上只要满足四波混频的相位匹配，光参量放大器可以工作在任意波长范围。其工作带宽主要由泵浦光功率，波导的非线性以及色散决定的。因此在增大光参量放大器的工作带宽使其远远大于参杂光纤放大器以及拉曼放大器上有着很大的发展前景。将表面等离子体波导的超高非线性结合，理论上可以设计出超宽的光参量放大器。

经过对现有技术的检索发现，美国cornell大学Mark A.Foster等人发表论文(发表于Nature，Vol.442，PP.960-963(自然杂志)，“Broad-band optical parametric gain on a siliconphotonic chip(基于硅光学波导的宽带光参量增益)”)。该文献报道了C波段的参量放大器的设计，通过优化设计硅基波导的结构参数，实现了器件尺寸为300nm×600nm×6.4mm带宽为70纳米和增益为14dB的光参量放大器，该结构的泵浦光功率为1W。但是该现有技术实现的带宽不能支持日益增加的对通信带宽的要求(仅限于C波段)，而且输入功率相对比较高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的所述的不足，提供一种基于硅基表面等离子体波导的超宽带光参量放大器，通过将功率为0.5W的泵浦光和低功率的信号光同时入射到长为20微米的该波导结构中，在输出端得到的信号光有14dB的增益以及工作带宽为202纳米包含S-band、C-band以及L-band波段，器件尺寸为100nm×5nm×20μm，增强了其纳米集成程度，并降低了输入泵浦光功率，降低了能耗，提高了泵浦效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：可调谐激光器、泵浦激光器、表面等离子波导和光耦合器，其中：可调谐激光器和泵浦激光器的输出端分别与光耦合器相连，光耦合器将泵浦光和信号光耦合后输出至表面等离子波导。

所述的可调谐激光器，用于提供信号光源，其输出端可以通过连接光衰减器降低其信号功率，其输出波长范围为1300nm-1700nm。

所述的泵浦激光器，用来提供参量放大器工作时所需的高功率泵浦光，其输出的泵浦光的波长为1550nm，输出的功率范围为0.25W-1W。

所述的光耦合器将泵浦光和信号光耦合成一路光，耦合进入波导。

所述的表面等离子波导包括：脊形硅波导、金属银阶梯结构层以及聚合物间隙层，其中：金属银阶梯结构层通过聚合物间隙层与脊形硅波导在垂直方向上相连。

所述的金属银阶梯结构层的外宽大于脊形硅波导的硅基宽度，金属银阶梯结构层的金属阶梯宽度与脊形硅波导的硅脊对齐。

本发明工作时，由可调谐激光器提供的波长为1300nm-1700nm的低功率信号光和由泵浦激光器提供的波长为1550nm功率为0.5W的泵浦光，通过光耦合器，耦合进入器件尺寸为100nm×5nm×20μm的阶梯结构混合表面等离子体波导中，信号光和泵浦光在该波导中通过四波混频效应，在波导输出端产生有增益的信号光以及闲置光。光谱分析仪显示波导输出端产生的信号光功率、增益以及频谱。

与现有技术相比，本发明第一次利用表面等离子体波导实现了超宽带光参量放大器，并通过引入高非线性聚合物-区域规则性聚3己基噻吩(Region-Regular Poly(3-Hexy1Thiophene)(RR-P3HT))做为介质间隙，增强了非线性系数，增大的单泵浦光的光参量放大器的工作带宽，覆盖了S-band、C-band以及L-band波段，并降低了输入泵浦光的功率，从而降低了能量损耗，提高了泵浦效率。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为表面等离子体波导结构示意图。

图3a为通过COMSOL仿真软件得到的表面等离子体结构的电场分布示意图。

图3b为表面等离子体结构的x轴方向上电场的大小分布曲线。

图3c为表面等离子体结构的y轴方向上电场大小分布曲线。

图4a为简并四波混频的工作原理图。

图4b为四波混频效应的频谱图。

图5为通过Comsol仿真所得的群速度色散D与工作波长在不同波导硅基宽度下的关系图。

图6a为实施例的光参量放大器通过Matlab仿真所得的信号功率增益图；

其中：泵浦光功率为0.5W，工作波长为1550nm，波导长度为20μm。

图6b为实施例的光参量放大器，通过Matlab仿真所得的信号功率的峰值增益和3-dB带宽图；

其中：泵浦光功率为0.5W，工作波长为1550nm，波导长度为20μm。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本装置包括：可调谐激光器1、泵浦激光器2、表面等离子波导3和光耦合器4，其中：可调谐激光器1和泵浦激光器2的输出端分别与光耦合器4相连，光耦合器4将泵浦光和信号光耦合后输出至表面等离子波导3。

所述的可调谐激光器1，用于提供信号光源，其输出端可以通过连接光衰减器降低其信号功率，其输出波长范围为1300nm-1700nm。

所述的泵浦激光器2，用来提供参量放大器工作时所需的高功率泵浦光，其输出的泵浦光的波长为1550nm，输出的功率范围为0.25W-1W。

所述的光耦合器4，主要将泵浦光和信号光耦合成一路光，耦合进入波导。

如图2所示，所述的表面等离子波导3包括：尺寸为W×H的脊形硅波导5、宽度为W1的金属银阶梯结构层6以及聚合物间隙层7，其中：金属银阶梯结构层6通过聚合物间隙层7与脊形硅波导5在垂直方向上相连。其中W为硅脊宽度，H为硅脊高度，h为在硅脊上方聚合物间隙的厚度，h1为金属阶梯层高度，Hc为金属Ag层的厚度(不考虑金属阶梯层高度)，Hs为硅脊波导的硅层厚度，W1为金属Ag层宽度，

所述的金属银阶梯结构层6的宽度W₁大于脊形硅波导5(即SOI波导)的硅基宽度W，金属银阶梯结构层6的金属阶梯8宽度为W与脊形硅波导5的硅脊9对齐，金属银阶梯结构层6的金属阶梯8的厚度为h₁。从图中可看到，位于金属阶梯8下表面的聚合物间隙层7的厚度为h，在金属其他下表面的聚合物间隙层的厚度为h+H+h₁。

本装置工作时，由可调谐激光器提供的波长为1300nm-1700nm的低功率信号光(20mW)和由泵浦激光器提供的波长为1550nm功率为0.5W的泵浦光，通过光耦合器，耦合进入器件尺寸为100nm×5nm×20μm(即硅脊宽度W为100nm，硅脊上方聚合物间隙的厚度h为5nm，波导长度L为20μm，其余参数为H＝300nm，h₁＝20nm，H_c＝100nm，H_s＝200nm，W₁＝300nm)的阶梯结构混合表面等离子体波导中，信号光和泵浦光在该波导中通过四波混频效应，在波导输出端产生有增益的信号光以及闲置光。光谱分析仪显示波导输出端产生的信号光功率、增益以及频谱。本装置工作时能充分利用阶梯结构混合表面等离子体波导的高非线性，实现超宽带宽信号增益

如图3(a)所示为尺寸W＝50nm，H＝300nm，h＝5nm，h₁＝20nm，H_c＝100nm，H_s＝200nm，W₁＝300nm条件下的电场的幅度在横向上(即xy方向)的分布示意图，图3(b)为电场幅度在y方向的分布示意图(x＝0)，图3(c)为电场幅度在x方向的分布示意图(y＝0)，其中原点坐标如图3(a)中所示，在从图中可知电场很强地局限于厚度为h的聚合物间隙层中(即图中的黑色部分为电场能量的主要集中处)。其有效折射率的实部为1.966057，有效折射率的虚部为0.001437。其中h选择为5纳米，其原因为，对于银(Ag)-聚合物间隙-硅(Silicon)波导结构，由于聚合物间隙层的高度影响银/聚合物界面表面等离子里体模和硅波导模的耦合程度，当间隙层过大会使两种模的耦合变弱，使得光强不能稳定的局限于聚合物间隙层中。当h选择大于5纳米时，电场会周期性地在银/聚合物表面的表面等离子体模以及脊形硅波导中波导模间进行转换，使得电场不能稳定地局限于聚合物间隙层中。本装置中选择聚合物间隙层厚度h为5纳米。通过优化金属阶梯层的高度，得到最佳的传输损耗和有效模场面积的折中。最终得到的最佳金属阶梯层高度为20nm，并通过引入高非线性的聚合物-区域规则性聚3己基噻吩(Region-Regular Poly(3-Hexy1Thiophene)(RR-P3HT))做为介质间隙，得到在硅基宽度为10nm，20nm，50nm以及100nm的波导的非线性系数γ分别为4.7×106W^-1m^-1，2.35×10⁶W^-1m^-1，9.4×10⁵W^-1m^-1和4.7×10⁵W^-1m^-1，所得到的非线性系数是一般硅基波导的非线性系数的3个数量级(即上千倍)。

如图4a所示为简并四波混频的工作原理，将一个较高功率的泵浦光(角频率为ω_p)和较低功率的信号光(角频率为ω_s)同时进入所装置的表面等离子体波导中，通过四波混频效应，在波导输出端，两个角频率为ω_p的泵浦光子将转换成一个信号光子(角频率为ω_s)和一个闲置光子(角频率为ω_i)，导致于信号光的放大。如图4b所示为四波混频的频谱特性，上面提到的三种光子满足能量守恒定律，即2ω_p＝ω_s+ω_i(公式1)。其中参量增益参数g由下式子给出：g²＝-Δβ(Δβ/4+γP₀)(公式2)，其中P₀为泵浦光功率，Δβ为线性波矢的失配量由波导属性决定(色散)即：Δβ＝β_s+β_i-2β_p(公式3)，其中βs，βi，βp为信号光，闲置光以及泵浦光的传播常数。不考虑到泵浦光的衰减，其信号的功率增益Gs为(公式4)，其中Es为信号电场，L为波导长度。在公式2中，γP0代表由于自相位调制以及交叉相位调制引起的相位偏差，对于一般的硅基波导，当群速度色散D小于0时，即不满足相位匹配条件时，其信号增益发生在很窄的波长范围之内一般为几个纳米。

如图5所示为不同波导硅脊宽度的群速度色散。从图中可以看到，所有的波导尺寸的群速度色散即D都小于0，即不满足相位匹配。其原因如下，因为表面等离子体波导的有效折射率和硅的折射率的三次方成正比，而硅在波长为1550nm下有非常大的正常群速度色散(D小于0)，从而增大了硅的材料色散，使得硅的材料色散在总色散中占主导作用，得到的群速度色散D都小于0。从图中也可以看出，大的硅脊宽度的群速度色散D更加接近于0，更加多的满足相位匹配，因为硅脊宽的波导色散补偿了更多的材料色散。

如图6a所示为根据公式1-公式5通过Matlab仿真所得到的在20微米长波导以及0.5W泵浦光功率下的四波混频的信号增益。在正常色散区，即D小于0，所得到所有波导结构的3dB带宽为百纳米，这就比一般的SOI波导大多了。原因如下，因为基于公式3增益带宽以Δβ为标示，其量级与4γP₀一致。这就意味着，越大的γ或P₀甚至γP₀，Δβ的容忍度范围就越大，也就是说相位匹配要求就越弱，泵浦光和信号光之间的频率差可以越大，使得3dB带宽越大。如图6b所示为通过Matlab仿真所得的信号功率的峰值增益和3-dB带宽图，当硅脊宽度增大时，3dB带宽变大，因为从图4中可以看出，其正常色散D更加接近于0，但峰值信号增益减小，因为其非线性系数γ变小。最终得到的最宽带宽为202纳米，包括了C波段、L波段、以及S波段，其峰值信号增益为14dB，其器件尺寸为100nm×5nm×20μm，输出光功率为0.5W。

本装置第一次通过引入具有超高非线性的硅基阶梯结构的表面等离子体波导结构以及高非线性聚合物提出了一种可SOI集成的超宽带光参量放大器，实现大于200纳米的超宽带宽光参量放大器(远远大于现有硅基波导在单泵浦光下所能得到的70nm的工作带宽)，其信号增益为14dB，输入泵浦光功率为0.5W，相对于现有技术(泵浦光功率为1W)明显降低了能量损耗和提高了泵浦效率，并且可以工作在近红外、中红外波段，满足了光通信领域日益增长的带宽需求，本装置提出的波导尺寸为100nm×5nm×20μm，有利于纳米级集成。