一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器

摘要

本发明公开了一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，该光放大器包括纵向结构及横向结构，其中纵向结构为纵向弱限制结构或空气桥结构，横向结构以纵向结构为基础分左右两部分光子晶体结构，左半部分为蜂窝结构光子晶体，右半部分为三角晶格结构。本发明提供的这种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，利用光子晶体缺陷形成导光区，通过合理设计，使之处于慢光工作模式，并通过横电慢光模式与横磁慢光模式的互补，实现偏振无关光放大器设计。由于慢光效应的引入，加大了光和物质作用，从而能够大幅度缩短光放大器腔长。另外通过辅助波导的加入，提高了光放大效率。

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体慢光效应放大器设计及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器。

背景技术

半导体光放大器(SOA)是新一代光通信、光存储及光子器件的关键器件之一，其小型化是光子集成的基本要求，利用慢光效应对其尺寸缩小是很有前途的途径之一。

光子晶体由于其自身的特点，近年来一直是研究的热点，各种效应也不断被发现和利用。几乎所有的有源和无源光子器件都可以用光子晶体的理论和材料来设计制造。光子晶体的许多独特之处引人瞩目，如基于光子晶体带隙的小尺寸大角度弯折无损耗波导、基于带边超大色散效应的超棱镜和基于光子晶体负折射效应的突破衍射极限的成像透镜。其中光子晶体带边慢光效应非常引人关注，它可以在微小尺度内极大增强光和物质的相互作用，有效控制辐射速率，基于此的各种微纳腔激光器已经实现超低阈值激射，特殊腔结构的光子晶体激光器具有高达100Gbps调制速率。

基于慢光效应的调制器、光开关、光延迟器尺寸可以缩小1个或几个数量级。基于慢光效应的半导体光放大器在信号放大、波长变换、光逻辑门、光计算、光网络节点的码型变换、色散监测和光码分多址复用收发模块等方面都有重要应用，慢光结构的采用可以大幅度缩短腔长，从而大幅度减小尺寸，降低功耗，提高速率。

关于光子晶体慢光效应SOA，此前有文献报道了横电(TE)模式的结构设计，这是由于TE模式利用光子晶体很容易在带隙内形成慢光模式，而对于横磁(TM)模式很难，它需要很大的占空比，对加工工艺要求高。目前还没有关于偏振无关光子晶体慢光效应SOA的设计报道。

对于放大器而言，偏振无关是很重要的，因为输入器件的光波有时是一种混合偏振态，TE、TM两者放大不均衡，对信号影响很大。如何在同一芯片上即实现TE放大，又实现TM放大，且能构利用慢光效应来缩短腔长是难点所在。

发明内容

(一)要解决的技术问题

光子晶体由于其有很多奇异特性，在小尺寸光子集成中被人们所重视。基于光子晶体慢光效应的短腔SOA在光子光电子超小尺寸集成中具有重要应用。而光子晶体类器件重要的特点是高偏振相关性。TE模式的慢光效应SOA是较容易利用普通晶格结构来实现，而TM是很难实现的。既利用光子晶体慢光效应，又能实现TE和TM光的偏振无关放大，是SOA设计的难题，本发明的主要目的在于提供一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，以实现偏振无关利用光子晶体慢光效应的SOA。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，该光放大器包括纵向结构及横向结构，其中纵向结构为纵向弱限制结构或空气桥结构，横向结构以纵向结构为基础分左右两部分光子晶体结构，左半部分为蜂窝结构光子晶体，右半部分为三角晶格结构。

上述方案中，所述纵向弱限制结构为在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，其形成的波导结构在光通信波段基模有效折射率在3.0至3.2。

上述方案中，所述在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，由上到下依次为空气/半导体材料盖层/铟镓砷磷多量子阱层/缓冲层/衬底材料。

上述方案中，所述半导体材料盖层、缓冲层和衬底材料均采用磷化铟，所述铟镓砷磷多量子阱层的厚度为200至300纳米，半导体材料盖层的厚度也为200至300纳米。

上述方案中，所述空气桥结构，由上到下依次为空气/铟镓砷磷多量子阱层/空气层/衬底材料，其形成的波导结构在光通信波段基模有效折射率在2.9至3.0。

上述方案中，所述衬底材料采用磷化铟，所述铟镓砷磷多量子阱层的厚度为250至350纳米。

上述方案中，所述左右两部分光子晶体结构是在垂直于纵向结构上加工小孔来形成，小孔将贯穿芯区达到衬底。

上述方案中，所述左半部分为蜂窝结构光子晶体，最近小孔间间隔即周期为P，孔半径为R，中间去掉两行形成横磁偏振线缺陷慢光模式，中间加入一调整波导，宽度为W1，在加工过程中该波导即为保留区域，用于对慢光效应及横电模式通过率进行调整。

上述方案中，所述右半部分为三角晶格结构，周期为P1，原胞为圆孔或方孔，对于方孔而言，长为L宽为W，改变其大小，能够调整光子晶体带隙位置及对横电、横磁模式的限制效果，通过去掉一行孔，引入横电慢光模式态。

上述方案中，在所述左右两部分光子晶体结构的导光区上下对称位置，具有两个长的矩形孔，宽度为W2，以对光波模式进行调制和限制，增强透过性。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，利用光子晶体缺陷形成导光区，通过合理设计，使之处于慢光工作模式，并通过TE慢光模式与TM慢光模式的互补，实现偏振无关光放大器设计。

2、本发明提供的这种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，由于慢光效应的引入，加大了光和物质作用，从而能够大幅度缩短SOA腔长。另外通过辅助波导的加入，提高了光放大效率。

3、本发明提供的这种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，采用半导体III-V族材料系低折射率对比度弱限制结构或空气桥结构作为纵向结构以获得增益及提供波导限制；采用一种蜂窝晶格结构及三角晶格结构共存的方式作为横向结构的基础，并通过引入缺陷形成导光区域，在蜂窝晶格中采取去掉两行孔以获取TM偏振慢光模式态，而三角晶格中采取去掉一行孔以获取TE偏振慢光模式态，这两种慢光模式是缩短SOA腔长的关键；在蜂窝区采用引入中间波导来对工作波长及模式的透过率进行调整；在整个器件区域引入对称长矩形孔区对各中偏振模式进行限制，能大幅度提高增益，可以通过调整左右两工作区域长度比例，实现TE和TM增益的一致性，达到偏振无关放大。

附图说明

图1是偏振无关光子晶体慢光SOA纵向结构的示意图，其中图1(a)是弱折射率限制结构，图1(b)是空气桥结构；

图2是偏振无关光子晶体慢光SOA横向结构的示意图；

图3(a)是蜂窝结构光子晶体中引入两行线缺陷时的TM色散关系图；

图3(b)是三角晶格光子晶体中引入一行线缺陷时的TE色散关系图；

图3(c)是蜂窝结构光子晶体中引入两行线缺陷时的TM慢光模式波长与群折射率关系；

图3(d)是三角晶格光子晶体中引入一行线缺陷时的TE慢光模式波长与群折射率关系；

图4(a)是TE光传输场图；

图4(b)TM光传输场图；

图5是间隔为7微米的三点在不同注入下的TE及TM光脉冲传输监测结果，其中，(a)TM脉冲，注入为3e+16A/m³；(b)TM脉冲，注入为3.5e+16A/m³；(c)TM脉冲，注入为4e+16A/m³；(d)TM脉冲，注入为4.5e+16A/m³；(e)TE脉冲，注入为2.5e+16A/m³；(f)TE脉冲，注入为3.0e+16A/m³；(g)TE脉冲，注入为3.5e+16A/m³；(h)TE脉冲，注入为4e+16A/m³。

图6是偏振无关SOA中的增益特性，有效增益长度为14微米。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的这种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，包括纵向结构及横向结构。纵向为一种低折射率对比度的弱限制结构或者为空气桥多层结构。横向结构分为两个慢光工作区域，分别在蜂窝晶格和三角晶格中引入线缺陷对应于横磁慢光模式和横电慢光模式，如图1和2所示。本发明通过调整左右结构尺寸及对接位置来实现模式匹配及偏振无关放大，即左半部分对横磁(TM)模式有慢光延迟增强效应，而横电(TE)模式可以低损耗甚至获得增益通过，右半部分对TE模式有慢光延迟增强效应，而TM模式可以低损耗甚至获得增益通过，这样就保证了偏振无关放大的效果，又大幅度缩小腔长。

纵向结构可分为两种，一种为纵向弱限制结构，可以为在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，常用的如图1(a)的分布，由上到下依次为空气/半导体材料盖层(如磷化铟)/铟镓砷磷多量子阱层/缓冲层(如磷化铟)/衬底材料(如磷化铟)，各层厚度在图上标出，其形成的波导结构在光通信波段基模有效折射率在3.0至3.2左右，注意TE模式与TM模式会有微小差别。另外本发明将通过调整芯区量子阱数目来控制高折射率区厚度，以保证单模，一般厚度为200至300纳米，盖层区厚度也为200至300纳米。

另一种空气桥结构，常用的如图1(b)的分布，由上到下依次为空气/铟镓砷磷多量子阱层/空气层/衬底材料(如磷化铟)，各层厚度在图上标出，其形成的波导结构在光通信波段基模有效折射率在2.9至3.0左右，注意TE模式与TM模式会有微小差别。另外本发明将通过调整芯区多量子阱数目来控制高折射率区厚度，为保证单模，一般厚度为250至350纳米。

横向结构的设计以上面所述纵向结构为基础，分左右两部分光子晶体结构，光子晶体结构即为在垂直于图1的纵向结构上加工小孔来形成，小孔将贯穿芯区达到衬底。具体如图2所示，左半部分为蜂窝结构光子晶体，最近小孔间间隔即周期为P，孔半径为R，中间去掉两行形成TM偏振线缺陷慢光模式，中间加入一调整波导，宽度为W1，在加工过程中该波导即为保留区域，用于对慢光效应及TE模式通过率进行调整；右半部分为三角晶格结构，周期为P1，原胞可以为圆孔也可以为方孔，对于方孔而言，长为L宽为W，改变其大小，能够调整光子晶体带隙位置及对TE，TM模式的限制效果，通过去掉一行孔，引入TE慢光模式态；另外在导光区上下对称位置，引入两个长的矩形孔，宽度为W2，以对光波模式进行调制和限制，增强透过性。

在本发明中，通过调整左右结构尺寸及对接位置来实现模式匹配及偏振无关放大，即左半部分对TM模式有慢光延迟增强效应，TE模式可以低损耗甚至获得增益通过，右半部分对TE模式有慢光延迟增强效应，而TM模式可以低损耗甚至获得增益通过，这样就保证了偏振无关放大的效果，又大幅度缩小腔长。

本发明提供的这种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，具有偏振无关放大的特性，所用的半导体材料为III-V族铟镓砷磷体系。该结构特点是以光电子器件常用的多层薄膜结构为基础，在制作过程中能通过电子束光刻及干法或干湿混合形成。这里本发明称之为纵向结构其实就是如图一所示的纵向低折射率限制结构和空气桥结构(这两种结构可以适应不同的泵浦方式)。光子晶体SOA器件就设计在如图1所示的贯穿衬底以上各层之中，为保证纵向单模条件，各层厚度有一定范围限制，已经在途中用t标出。中心光子晶体区厚度在几百纳米。

横向结构的设计以上面所述纵向结构为基础，分左右两部分光子晶体结构，光子晶体结构即为在垂直于图一的纵向结构上加工小孔来形成，小孔将贯穿芯区达到衬底。具体如图2所示，左半部分为蜂窝结构光子晶体，最近小孔间间隔，即周期为P(210纳米左右)，孔半径为R(0.35P-0.41P)，中间去掉两行形成TM偏振线缺陷慢光模式，中间加入一调整波导，宽度为W1(400-500纳米)，在加工过程中该波导即为保留区域，用于对慢光效应及TE模式通过率进行调整；右半部分为三角晶格结构，周期为P1(350纳米左右)，原胞可以为圆孔也可以为方孔，对于方孔而言，长为L(210纳米左右)宽为W(140纳米左右)，改变其大小，能够调整光子晶体带隙位置及对TE，TM模式的限制效果，通过去掉一行孔，引入TE慢光模式态；另外在导光区上下对称位置，引入两个长的矩形孔，宽度为W2(400纳米左右)，以对光波模式进行调制和限制，增强透过性。

利用超原胞及平面波展开法，本发明得到左右两种波导的色散关系如图3所示。对于TM情况，如图3(a)，将利用图中箭头标识的TM模式子带，归一化频率在0.123左右。该束缚模式为缺陷态，在光锥之外大波矢处有慢光效应，如3(c)所示，群速度可以达到50以上，对应波长可通过保持占空比，改变晶格周期，或者调整中间导光区W1宽度进行调节。对于右半部分TE情形，通过三角晶格引入线缺陷来实现，传播方向色散关系如图3(b)所示，所用具有慢光效应子带用箭头标识。该TE束缚模式为缺陷态归一化频率在0.235左右，在光锥之外大波矢处有慢光效应，如3(d)所示，群速度也可以达到50以上。

图4(a)给出了用时域有限差分法仿真的TE偏振光传输情况，可见右侧有明显的慢光传输特征，而左侧光波呈现普通波导传输特征，外层对称波导对其传输有增强作用；图4(b)给出了TM偏振光的传输情况，可见左侧有明显的慢光传输特征，而右侧光波呈现普通波导的传输特征，外层对称波导对其传输有增强作用。

图5为偏振无关光子晶体慢光效应SOA中短脉冲的传输情况，三个监测点相互间隔7微米，时间轴单位为微米(乘以1/(1e+6*c)可转换为标准时间单位，其中c为真空光速)，这里给出了不同注入不同偏振情况下的放大情况，具体为5(a)TM脉冲，注入为3e+16A/m³；5(b)TM脉冲，注入为3.5e+16A/m³；5(c)TM脉冲，注入为4e+16A/m³；5(d)TM脉冲，注入为4.5e+16A/m³；5(e)TE脉冲，注入为2.5e+16A/m³；5(f) TE脉冲，注入为3.0e+16A/m³；5(g)TE脉冲，注入为3.5e+16A/m³；5(h)TE脉冲，注入为4e+16A/m³。

对TM及TE的放大增益总结如图6所示，在注入为3.2e+16A/m³时TE模式和TM模式获得相同的增益为3.7dB，实际上本发明可以通过调整左右两部分区域的长度比来调整增益趋势，达到TM和TE两者增益曲线吻合。另外值得注意的是，就量子阱而言，对TE和TM的增益是不同的，这样本发明也要通过调整两部分长度比例来实现增益一致。总之，通过这种结构，本发明能够实现偏振无关光信号放大。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。