用于宽带高效率及低偏振敏感波长转换的硅波导设计

摘要

随着基于SOI(silicon-on-insulator)结构的硅波导制作工艺的发展，在同一硅片上集成各种电子和光子器件成为可能。硅材料不但适合用于研制线性集成光子器件，利用其中的非线性光学效应，还可以实现下一代光通信系统中所必需的全光信号处理功能。本文主要研究基于SOI硅波导中四波混频效应的全光波长转换技术，针对全光波长转换的几项主要性能，通过硅波导的结构和尺寸优化设计，实现了高效率、超宽带以及低偏振敏感的全光波长转换。
　　 在填充硅纳晶狭缝波导中，我们通过优化波导结构实现了高效率、超宽带的波长转换。通过研究TE和TM偏振模式与波导设计的依赖关系，我们设计了低色散差异的硅波导，可用于偏振不敏感的波长转换。
　　 本文首先简单介绍了非线性硅光子学以及硅基信号处理的研究现状，并阐述了硅波导中基于四波混频效应波长转换的基本原理。接着，我们给出了硅材料中三阶非线性效应和波导中四波混频的理论模型。
　　 狭缝波导结构具有高效率的光场限制能力，将大部分光能限制在了低折射率的材料之中。我们通过在硅狭缝中填充具有较高非线性系数的硅纳晶材料并利用狭缝中具有较高光能量密度的特性，实现了高效率、超宽带的波长转换。通过优化硅钠晶狭缝波导的色散曲线，在4mm长的硅钠晶狭缝波导中可以获得400 nm的转换带宽，同时获得-2.38dB的转换效率。
　　 本文还分析了波导中不同偏振模式的色散曲线与波导几何尺寸之间的关系，获得了具有低色散差异的硅波导优化设计，用于实现偏振不敏感的波长转换。利用具有一定偏振角度的泵浦光，该波导可实现超过400nm的1-dB偏振不敏感波长转换带宽。同时，该波导还能够在信号光波长、泵浦光波长、泵浦光角度变化的情况下保持较高的偏振不敏感性，提高了波长转换器的实用性。