一種用于實(shí)現(xiàn)硅基多波長(zhǎng)光源的色散剪裁的微腔的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于實(shí)現(xiàn)硅基多波長(zhǎng)光源的色散剪裁的微腔。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球信息交流的指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)通信系統(tǒng)高速率大容量要求越來(lái)越高。光互聯(lián)技術(shù)是現(xiàn)今最有潛力克服通信網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的途徑，通過(guò)多個(gè)波分復(fù)用(WDM)信道與多種調(diào)制格式的結(jié)合使用，幾十Tbit/s的數(shù)據(jù)傳輸將可能得以實(shí)現(xiàn)。目前，集成化的Tbit/s光探測(cè)單元已經(jīng)被提出，光信號(hào)傳輸速率的提升主要還是受限于光源。尤其當(dāng)使用到一些同時(shí)調(diào)制振幅和相位的調(diào)制格式時(shí)，對(duì)光載波的相位噪聲和振幅噪聲都變得十分嚴(yán)格。
[0003]目前，WDM系統(tǒng)中使用的光載波主要是DFB激光器陣列，集成了DFB激光器的傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在InP襯底上實(shí)現(xiàn)，能同步實(shí)現(xiàn)40個(gè)信道的傳輸。然而這些研宄都不能直接在硅光子平臺(tái)上集成，則DFB激光器和光發(fā)射器之間的端面需要大量的連接口，這無(wú)疑將大大提高封裝成本。通過(guò)II1-V族與硅基片的鍵合工藝可以避免這一問(wèn)題，但信道容量仍然受到半導(dǎo)體材料增益帶寬和熱效應(yīng)的限制。另外，基于多個(gè)DFB并聯(lián)的傳輸系統(tǒng)，其單個(gè)光頻具有不穩(wěn)定性，需要預(yù)留一定頻譜范圍來(lái)避免信道重合，這將降低頻譜利用率，進(jìn)一步阻礙通信容量的提升，利用光頻梳作為光源則可以克服以上問(wèn)題。形成光頻梳的方法目前主要有三種:一、通過(guò)對(duì)窄帶連續(xù)信號(hào)光進(jìn)行外部調(diào)制；二、對(duì)量子點(diǎn)激光器鎖模；三、利用高Q值微腔內(nèi)的克爾效應(yīng)。相對(duì)于前兩者，克爾光頻梳的帶寬不受到調(diào)制強(qiáng)度以及有源增益帶寬的限制，且具有閾值更低、能耗更小、更易集成等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]通過(guò)對(duì)微腔色散曲線的設(shè)計(jì)，可使得形成的克爾光頻梳帶寬達(dá)幾百納米。然而實(shí)際通信系統(tǒng)中，通常并未使用到這樣寬帶的光梳范圍，因而信道范圍之外的光頻梳模的存在會(huì)造成泵浦能量的浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于實(shí)現(xiàn)硅基多波長(zhǎng)光源的色散剪裁的微腔，其目的在于提高目標(biāo)波段內(nèi)的泵浦效率。
[0006]本發(fā)明提供的一種用于實(shí)現(xiàn)硅基多波長(zhǎng)光源的色散剪裁的微腔中，微腔為環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括條形波導(dǎo)以及與所述條形波導(dǎo)連接的二維平板光子晶體波導(dǎo)；波長(zhǎng)在目標(biāo)波段內(nèi)的泵浦光經(jīng)過(guò)所述微腔后形成克爾光頻梳；提高了目標(biāo)波段內(nèi)光頻梳的泵浦效率。
[0007]本發(fā)明通過(guò)將光子晶體波導(dǎo)與條形波導(dǎo)嵌入連接，可使得其在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)群速度色散較小，且隨波長(zhǎng)呈負(fù)斜率緩慢變化，而在此波長(zhǎng)范圍以外，則色散迅速增大。然而，完全由光子晶體波導(dǎo)構(gòu)成的微腔，其色散在所需波段內(nèi)無(wú)法做到完全平坦，無(wú)法達(dá)到級(jí)聯(lián)四波混頻的發(fā)生的相位匹配要求；且由于現(xiàn)階段工藝誤差等問(wèn)題，其Q值無(wú)法做到很高，這會(huì)降低腔內(nèi)能量密度，進(jìn)而降低級(jí)聯(lián)四波混頻的泵浦效率。
[0008]更進(jìn)一步地，所述二維平板光子晶體波導(dǎo)包括:第一波導(dǎo)以及位于所述第一波導(dǎo)兩邊對(duì)稱排列的多個(gè)空氣孔；所述空氣孔為等邊三角晶格分布。各個(gè)空氣孔分布在等邊三角形的各個(gè)頂點(diǎn)，且等邊三角形的邊長(zhǎng)即為二維平板光子晶體波導(dǎo)的周期常數(shù)。
[0009]更進(jìn)一步地，位于所述第一波導(dǎo)兩邊第一排的空氣孔相對(duì)光傳輸方向的切向位移為二分之一周期常數(shù)，所述周期常數(shù)為所述等邊三角形的邊長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)整第一波導(dǎo)兩邊第一排空氣孔隙的相對(duì)光傳輸方向的切向位移來(lái)調(diào)整光子晶體波導(dǎo)近零色散波段的帶寬，當(dāng)此值達(dá)到半個(gè)周期長(zhǎng)度，光子晶體波導(dǎo)的色散近零色散波長(zhǎng)帶寬最多可達(dá)40nm以上。
[0010]更進(jìn)一步地，在所述條形波導(dǎo)與所述二維平板光子晶體波導(dǎo)中所述第一波導(dǎo)的接口處，第一個(gè)空氣孔的圓心與所述條形波導(dǎo)的邊緣對(duì)齊。
[0011]更進(jìn)一步地，所述第一波導(dǎo)的長(zhǎng)度為50 μ???100 μm。
[0012]更進(jìn)一步地，還包括錐形結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述條形波導(dǎo)與所述二維平板光子晶體波導(dǎo)的連接處，用于減小接口損耗。當(dāng)條形波導(dǎo)以及光子晶體的尺寸固定時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)端口處的孔隙的占空比、相對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)光子晶體位置的位移，或者在兩端口處的條形波導(dǎo)處增加錐形結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到減小接口損耗的目的。
[0013]在保證色散條件，即波導(dǎo)兩邊第一排孔隙的切向位移為1/2周期時(shí)，可通過(guò)調(diào)整兩端口處波導(dǎo)兩邊第一個(gè)空氣孔隙的大小或位移，來(lái)減小端口損耗，當(dāng)孔隙大小不變，使其圓心部分與條形波導(dǎo)邊緣對(duì)齊時(shí)，其理論插損可降至0.1dB以下。
[0014]本發(fā)明中，在目標(biāo)波段，兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散相互補(bǔ)償，可以使得其目標(biāo)波段的色散整體平坦且近零色散，符合級(jí)聯(lián)四波混頻的發(fā)生條件，而目標(biāo)波段兩邊的波段依然色散較大，無(wú)法發(fā)生更高階的四波混頻，從而將光頻梳限制在目標(biāo)波段內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到提高微腔在目標(biāo)波段泵浦效率的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為現(xiàn)有常規(guī)方案的產(chǎn)生光頻梳的微環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為現(xiàn)有常規(guī)方案的產(chǎn)生光頻梳的微環(huán)的色散曲線及其產(chǎn)生的光頻梳示意圖，其中圖2(a)為微環(huán)的色散曲線示意圖，圖2(b)為圖2(a)色散情況下對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的光頻梳示意圖。
[0017]圖3所示為本發(fā)明提出的混合結(jié)構(gòu)微腔結(jié)構(gòu)示意圖，主要為在原有腔上插入一小段長(zhǎng)度50 μ m?100 μ m的光子晶體波導(dǎo)。
[0018]圖4所示為微腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖4(a)描述了原始跑道型微腔的整體俯視圖，圖4(b)描述了加入光子晶體波導(dǎo)后，混合微腔的整體俯視圖。
[0019]圖5所示為本發(fā)明提出的混合結(jié)構(gòu)微腔的總色散曲線及其產(chǎn)生的光頻梳示意圖，其中圖5(a)為微環(huán)的色散曲線示意圖，圖5(b)為圖5(a)色散情況下對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的光頻梳示意圖。
[0020]圖6所示為以氮化硅跑道型微腔為例，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)齊色散曲線進(jìn)行調(diào)整的示意圖。其中圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)為調(diào)整方法示意圖，圖6(d)為對(duì)應(yīng)圖4(b)結(jié)構(gòu)的一種色散調(diào)整的方案:取波導(dǎo)兩邊第一排孔隙的切向位移為1/2周期長(zhǎng)度。
[0021]圖7所示為以氮化硅跑道型微腔為例，通過(guò)接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)齊接口損耗進(jìn)行調(diào)整的示意圖。其中圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)為調(diào)整方法示意圖，圖7 (e)為對(duì)應(yīng)圖4(b)結(jié)構(gòu)的一種接口損耗調(diào)整的方案:取接口處第一排的孔隙進(jìn)行法向位移，使其圓心對(duì)準(zhǔn)條形波導(dǎo)的外側(cè)。
[0022]圖8所示為槽型波導(dǎo)替換后的混合型微腔示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種新的混合結(jié)構(gòu)的硅基微環(huán)，此結(jié)構(gòu)具有特殊的色散剪裁特性。此種色散特性的實(shí)現(xiàn)可提高由波導(dǎo)內(nèi)克爾效應(yīng)產(chǎn)生的光頻梳在目標(biāo)光通信波段(1530nm?1565nm)內(nèi)的泵浦效率。本發(fā)明提出了一種微環(huán)形腔，其結(jié)構(gòu)主要由光子晶體波導(dǎo)(PCW)和普通條形波導(dǎo)混合組成，并通過(guò)一根外部波導(dǎo)提供泵浦和輸出。
[0025]本發(fā)明中，由于克爾效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)