[發明專利]一種高非線性的微環波導光器件

無效

• 申請號: 201310543026.6
• 申請日: 2013-11-05
• 公開（公告）號: CN103576413A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 劉德明;夏歷;王元武;張敏明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02F1/365
• 分類號: G02F1/365
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉杰

技術領域

本發明涉及非線性效應，全光信號處理的光器件領域，更具體涉及一種利用高非線性效應實現全光信號處理的微環波導光器件。

背景技術

從20世紀70年代開始光通信技術在全世界范圍內被廣泛地研究和發展，并成為當今信息技術發展的一個重要方面。而“光器件”是光通信系統的核心，對通信系統的成本、容量和功耗有著很大的影響,因此光器件的研究和市場化一直是光通信技術的發展關鍵點。

關于光器件來說，進一步發展就是光集成（集成光學），它是光學器件和系統發展的結果，由美國Bell實驗室的Milier在1969年提出，主要目的是在一個平面襯底上將各種功能的光器件集成起來（類似微電子集成）,以實現光學系統的規模化，微型化，集成化。隨著微納加工技術的不斷發展和提高，集成光學也得到了很大的進步，硅基以及SOI(silicon-on-insulator,硅基絕緣)基光波導，以其高折射率差和強的光學限制，可以使得光學器件越來越向高集成度、小型化、納米量級尺度發展。集成光學的一個重要問題就是減小器件的尺寸以提高集成度，同樣在1969年美國Bell實驗室的Marcatill提出了微環的概念與結構，隨著器件制造工藝水平不斷地提高，微環迅速發展成為集成光學中的研究熱點，基于微環的各種功能性器件也得到實現，因此微環在光波導器件中發揮了越來越重要的作用，并被認為是未來大規模集成光學回路的基本元件。

目前人們利用微環的譜線特性來做濾波裝置或者傳感應用，或者相位特性來做延遲線（緩存器），但是大部分還是希望能夠利用利用微環進行全光信號的處理。但是，傳統微環結構的非線性系數較低，很難達到全光信號處理的要求。為了使微環結構獲得較高的非線性系數，傳統的方法一是進一步提高其Q值。但是如果Q值過高，必然就導致微環的傳輸譜線銳度增大，泵浦光功率利用小，效率也隨之降低。傳統的方法二是采用較高非線性系數的新型材料。但是目前硅基光電子器件可以采用成熟的CMOS工藝使得生產低成本、高性能的商用器件成為可能，而新型材料必然會導致工藝的復雜、成本的增加。

而現有slot直波導結構具有較高的非線性系數，Slot波導是由兩側直線型高折射率材料及中間低折射率材料（或空氣縫隙）組成，兩側高折射率材料的寬度、高度及低折射率材料的尺寸均為幾百納米。這種波導能使光場在低折射率的slot區得到很好的限制，其原理就是利用麥克斯韋方程中介質界面處電位移矢量的法向分量連續，如果界面處存在高的折射率差，這樣就必然導致電場強度在界面處的不連續，當低折射率材料的寬度遠小于光場在該材料的衰減長度時，兩波導的倏逝場在slot區域內發生疊加，使得低折射率區中的電場強度遠遠高于波導之內，在低折射率縫隙中對Ex電場有很強的限制作用，形成準TE模，從而可以實現納米尺度低折射率層內光信號的傳輸，該結構在理論模擬和實驗上都相應地得到了驗證。分別如圖1、圖2所示，現有Slot波導根據slot結構區9與襯底3的相對幾何位置，分為平行和垂直slot結構，。

目前還沒有結合平行slot波導結構和微環結構來提高微環波導光器件的非線性，達到應用所需要求的技術方案。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是為克服現有微環進行全光信號處理時非線性系數不足，提出了一種微環波導光器件，在不需進一步提高微環Q值時，且在較低泵浦功率下，就可以得到高的非線性系數，實現全光信號的處理。

為解決上述技術問題，本發明提出了一種微環波導光器件，包括：直波導和在襯底上平行生長出的微環，所述微環為環形諧振腔，所述微環的脊形波導部分為平行slot結構，而不是單一的脊波導結構，所述直波導與耦合。

優選的，所述直波導為一根，位于所述微環的一側，與所述微環側向耦合。

還優選的，所述直波導為一根，位于所述微環的上側，與所述微環垂直耦合。

還優選的，所述直波導為兩根，分別位于所述微環的兩側，與所述微環耦合。

對于所述微環的形狀，可選擇為圓環形、多邊形、橢圓形。

對于硅基slot波導，slot結構的間隙材料為非硅低折射率材料，能夠降低雙光子吸收。

在slot區，所述非硅低折射率材料為高非線性材料，如硅納米晶摻雜SiO2，提高其非線性。

優選的，所述slot微環橫截面的寬度為500nm±5%，高度為350nm±5%，其中slot區中間的低折射率部分高度為30～40nm±5%，slot區上下兩邊的高折射率部分高度分別為160nm±5%。