[發明專利]一種基于氮化硅波導的通信帶到中紅外超連續譜產生方法

有效

• 申請號: 201611246278.2
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106647098B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 惠戰強
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學
• 主分類號: G02F1/365
• 分類號: G02F1/365
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 王新生

本發明公開了一種基于氮化硅波導的通信帶到中紅外超連續譜產生方法，包括有如下步驟：1、通過超短脈沖光源發出重復頻率為8?12MHz，中心波長為1.4?2.2微米；2、超短飛秒光脈沖經過透鏡耦合注入色散平坦的脊形/溝槽混合反向氮化硅波導，氮化硅波導的結構包括設置于硅片上的二氧化硅氧化層，二氧化硅于表面刻蝕形成含有單二氧化硅脊的溝槽；本發明氮化硅波導在結構上采用脊形/溝槽混合結構，使得光場有效面積較小，實現波導的非線性系數相對較大，當高峰值功率飛秒光脈沖進入波導后，發生自相位調制、交叉相位調制、四波混頻、孤子頻移、色散波產生等一系列非線性過程，最終形成從近紅外到中紅外波段的超連續光譜。

技術領域

本發明涉及光片上集成光子通信與傳感技術領域，尤其涉及一種光通信波段到中紅外波段的超連續光譜產生方法。

背景技術

超連續光譜是指在寬頻率范圍內光強度隨頻率變化呈連續分布的光譜，是高強度的脈沖通過非線性材料時,光譜急劇展寬(展寬可達數十至數千納米)的一種復雜的非線性現象。由于超連續光譜在脈沖壓縮、光通信、光學相干層析、光譜分析與光傳感、超短脈沖產生和光學頻率梳等眾多科學領域具有廣泛而重要的應用，因而近年來一直是國際研究熱點。

最早的超連續光譜是由Alfano在塊狀玻璃中發現并首次報道的，他發現當波長為530nm、脈沖能量為5mJ的皮秒脈沖在塊狀BK7玻璃中傳播后，可以獲得波長從400到700nm的覆蓋整個可見光范圍的白光光譜。隨后人們不斷在各種材料中產生了超連續光譜，所覆蓋的波長范圍亦有很大差異。當前，獲得具有較寬的波長覆蓋范圍、較高的平均輸出功率和光譜功率密度的超連續譜已成為超連續光譜重要的研究方向。根據產生超連續譜的非線性介質種類的不同，目前報道的超連續譜光源大致可以分為以下六類：

1、基于塊狀晶體的超連續譜光源，其缺點是超連續譜覆蓋波長范圍有限；

2、基于普通無源光纖的連續譜光源。其中，無源光纖包括普通的折射率導引光纖和常規的高非線性光纖等非增益光纖，這類超連續譜光源由抽運激光器和無源光纖(非線性介質)兩部分構成，抽運激光經過無源光纖的傳輸后，由于非線性效應導致光譜被展寬，從而產生了超連續譜，基于這種方式的超連續譜光源，由于器材都比較常規，所以構建容易，系統成本低，并且普通光纖的熔接技術比較成熟，便于實現全光纖化的超連續譜光源，但是由于普通無源光纖的非線性系數相對較低，產生超連續譜需要使用較長的光纖；另外，由于普通光纖的色散特性調節困難，不易產生比抽運波長短的寬帶超連續譜；

3、基于摻稀土元素光纖的超連續譜光源。這類超連續譜光源通常就是一個非線性的光纖激光放大器，通過綜合利用增益光纖中的激光增益特性和非線性效應，在能量從抽運光向激光轉移的同時，實現激光光譜的極大展寬，基于這種方式的超連續譜光源，不僅結構簡單，而且易于實現高功率輸出，但是基本不能產生比抽運波長短的寬帶超連續譜，另外基于大模場面積光纖的高功率非線性光纖激光放大器通常不能現實基橫模運行；

4、基于光子晶體光纖的超連續譜光源。這類超連續譜光源由抽運激光器和光子晶體光纖兩部分組成，經過合理設計的光子晶體光纖，能夠在擁有合適的色散特性的同時，還具有較高的非線性系數，并且基于此種光纖產生的高功率超連續譜還可以在較寬的波段范圍內實現單模運行；

5、基于硫化物波導的超連續譜光源，其優點是非線性系數高，波長透明窗口可至遠紅外；

6、基于硅波導的超連續譜光源。

綜合分析上述情況，前四種類型均不便于實現片上光子集成，后兩種類型雖然可以集成，但硫化物波導性能相對不穩定，硅波導在光通信波段存在較大的雙光子吸收和自由載流子吸收效應，大大限制了非線性效應的效率。而新發展的氮化硅波導具有較大的非線性系數，同時具有從可見光到中紅外的寬波長范圍透明窗口，且其內部的雙光子吸收與自由載流子吸收效應可忽略，并與現有的CMOS工藝兼容。因此，基于氮化硅波導的片上超連續譜光源非常具有發展前途。

發明內容