基于非線性增益的有源光子積分器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光信號(hào)處理和硅基光子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非線性增益的有源光子積分器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高速光通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中所用器件的性能提出了越來越高的要求。與傳統(tǒng)電子器件相比，全光信號(hào)處理器件憑借其高速率、大帶寬和低損耗的優(yōu)勢(shì)，受到了越來越多的關(guān)注。
[0003]光子積分器是一種對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)積分運(yùn)算的信號(hào)處理單元器件，在光暗孤子探測、脈沖整形、光學(xué)存儲(chǔ)和光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用?，F(xiàn)在，世界各國的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了很多實(shí)現(xiàn)光子積分器的方案，其中大部分是基于光纖布拉格光柵、微環(huán)諧振腔等無源器件。這些基于無源器件的光子積分器雖然有很大的帶寬，但是其積分時(shí)間窗口受到器件損耗的制約不可能很大，并且是不可調(diào)的，這大大限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)超長的積分時(shí)間窗口，我們需要尋找一種可靠的激勵(lì)機(jī)制，補(bǔ)償器件的功率損耗，擴(kuò)展積分時(shí)間窗口。
[0004]非線性效應(yīng)是指強(qiáng)光通過介質(zhì)時(shí)，頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。受激拉曼散射是非線性效應(yīng)的一種，當(dāng)強(qiáng)光通過介質(zhì)時(shí)，光子與介質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)相互作用而導(dǎo)致的出射光頻率發(fā)生變化，具有方向性好、散射強(qiáng)度高的特點(diǎn)。硅中具有很強(qiáng)的受激拉曼散射，但是由于雙光子吸收和自由載流子吸收，硅波導(dǎo)中的拉曼增益效果不易顯現(xiàn)。通過在硅波導(dǎo)兩側(cè)加上適當(dāng)?shù)钠秒妷?，可以掃除由于雙光子吸收產(chǎn)生的自由載流子，減小自由載流子吸收引起的損耗，增強(qiáng)拉曼增益效果。
[0005]相移布拉格光柵是光信號(hào)處理里的經(jīng)典器件，它工作在透射模式下的傳遞函數(shù)具有積分器的特征，是實(shí)現(xiàn)光子積分器的一種可行方案。但是由于娃基相移布拉格光柵本身對(duì)光的損耗，難以實(shí)現(xiàn)很寬的積分時(shí)間窗口。通過將硅基拉曼增益引入到硅基相移光柵里，可以補(bǔ)償硅基光柵本身的損耗，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展積分時(shí)間窗口。同時(shí)，通過改變栗浦光功率可以實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間窗口的大范圍調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目是基于娃波導(dǎo)中的非線性增益實(shí)現(xiàn)一種超長積分時(shí)間窗口的光子積分器及方法。利用非線性增益，補(bǔ)償光在硅基光柵中的損耗，擴(kuò)展積分時(shí)間窗口；并且通過改變栗浦光功率，可以實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間窗口的大范圍調(diào)節(jié)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于非線性增益的有源光子積分器，可以實(shí)現(xiàn)超長積分時(shí)間窗口，并且積分時(shí)間窗口可以大范圍調(diào)諧。
[0008]本發(fā)明相移布拉格光柵是在SOI脊型波導(dǎo)上制作的，光柵兩側(cè)分別是重?fù)诫s的η型區(qū)和P型區(qū)，并在重?fù)诫s區(qū)表面蒸鍍電極。
[0009]栗浦光和信號(hào)光同時(shí)從一端耦合進(jìn)波導(dǎo)，兩者頻率相差15.6ΤΗζ(硅材料中的拉曼頻移)，栗浦光的能量通過受激拉曼散射轉(zhuǎn)移到信號(hào)光上。
[0010]雖然硅有較強(qiáng)的拉曼增益系數(shù)，但由于雙光子吸收和自由載流子吸收效應(yīng)，拉曼增益的效果難以顯現(xiàn)。通過在波導(dǎo)兩側(cè)加反偏電壓，掃除波導(dǎo)中由栗浦光激發(fā)的自由載流子，可以大大減小自由載流子散射引起的損耗，使拉曼增益的效果顯現(xiàn)出來。
[0011 ]相移布拉格光柵本身就具有積分器的功能，但是由于波導(dǎo)損耗的存在，積分時(shí)間窗口收到限制，并且不可調(diào)諧。在本發(fā)明采用栗浦光激發(fā)硅波導(dǎo)中的受激拉曼散射，補(bǔ)償硅基光柵本身的損耗，積分時(shí)間窗口得以大大擴(kuò)展。同時(shí)，通過改變栗浦光功率可以改變波導(dǎo)中拉曼增益的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間窗口的大范圍調(diào)節(jié)。
[0012]本發(fā)明的基于非線性增益的有源光子積分器，能夠?qū)崿F(xiàn)超長的積分時(shí)間窗口，并且積分時(shí)間窗口可以大范圍調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0013]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，現(xiàn)結(jié)合具體實(shí)例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，其中:
[0014]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0015]圖2栗浦光、信號(hào)光與器件頻率響應(yīng)關(guān)系示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0017]圖4是本發(fā)明的仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施方案
[0018]圖1所示是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖。器件的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)脊型波導(dǎo)上的硅基相移布拉格光柵I，上下兩側(cè)分別是P型重?fù)诫s區(qū)2和η型重?fù)诫s區(qū)3。光柵工作在透射模式下，栗浦光和信號(hào)光均從光柵左端輸入，積分后的信號(hào)光從右端輸出。
[0019]圖2是栗浦光、信號(hào)光與器件頻率響應(yīng)關(guān)系示意圖。工作時(shí)信號(hào)光頻率在相移光柵透射譜中心頻率處，栗浦光頻率比信號(hào)光頻率小15.6ΤΗζ，處于相移光柵透射譜的通帶中。
[0020]圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖，主體結(jié)構(gòu)是在SOI上制作的脊型波導(dǎo)相移光柵，光柵平均寬度1.5μπι，光柵高度0.7μπι，光柵頂端到氧化層的距離為1.55μπι，ρ型區(qū)和η型區(qū)之間的距離為6μπι。工作時(shí)，P型區(qū)接地，η型區(qū)加25V正電壓。
[0021]本發(fā)明用不同的輸入信號(hào)對(duì)本發(fā)明的積分效果進(jìn)行了模擬測試。圖4所示的輸入信號(hào)是3dB脈寬為47.1?8的高斯脈沖，曲線1、2和3分別代表栗浦光頻率為186111￥，18711^和188mW時(shí)的輸出信號(hào)，他們的積分時(shí)間窗口分別為93ns，160ns和760ns?？梢钥吹剑ㄟ^改變栗浦光功率，積分時(shí)間窗口可以被大范圍調(diào)節(jié)；當(dāng)栗浦功率十分接近激射閾值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)超長的積分時(shí)間窗口。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，P型區(qū)工作時(shí)接地，η型區(qū)工作時(shí)加25V正電壓。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，栗浦光波長為1550nm，信號(hào)光波長為1686nm，兩者頻率相距15.6THZ。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，相移布拉格光柵的周期為247.9nm，光柵長度為1.8mm0
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，相移布拉格光柵的鍋合系數(shù)為6000/m。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，相移布拉格光柵中的平均有效折射率為3.4。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，為了實(shí)現(xiàn)超長積分時(shí)間窗口，所述光子積分器的栗浦光功率應(yīng)接近其激射閾值，但不要超過其激射閾值。
[0028]以上所述的具體實(shí)施事例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的說明。應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施事例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于非線性增益的有源光子積分器，包括:SOI脊型波導(dǎo)上的相移布拉格光柵(I)，光柵兩側(cè)的P型重?fù)诫s區(qū)(2)和η型重?fù)诫s區(qū)(3)，并在重?fù)诫s區(qū)(2)、(3)表面蒸鍍電極，其中，栗浦光和信號(hào)光同時(shí)從一端輸入，積分后的信號(hào)從另一端輸出，相移布拉格光柵(I)工作在透射模式，P型重?fù)诫s區(qū)(2)接地，η型重?fù)诫s區(qū)(3)加25V正電壓。2.如權(quán)利要求1所述的基于非線性增益的有源光子積分器，其特征在于，相移布拉格光柵(I)平均寬度1.5μπι，高度0.7μπι，頂端到氧化層的距離為1.55μπι，ρ型重?fù)诫s區(qū)(2)和η型重?fù)诫s區(qū)(3)之間的距離為6μπι。3.如權(quán)利要求2所述的基于非線性增益的有源光子積分器，其特征在于，相移布拉格光柵(I)的周期為247.9nm，光柵長度為1.8mm。4.如權(quán)利要求2所述的基于非線性增益的有源光子積分器，其特征在于，相移布拉格光柵(I)的耦合系數(shù)為6000/m。5.如權(quán)利要求2所述的基于非線性增益的有源光子積分器，其特征在于，相移布拉格光柵(I)的平均有效折射率為3.4。6.一種米用權(quán)利要求1-5任一所述的有源光子積分器擴(kuò)展積分時(shí)間的方法，工作時(shí)信號(hào)光頻率在相移光柵透射譜中心頻率處，栗浦光頻率比信號(hào)光小15.6THz，并利用硅波導(dǎo)中的受激拉曼散射，補(bǔ)償輸入信號(hào)在積分過程中的功率損耗，實(shí)現(xiàn)超長的積分時(shí)間窗口。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的擴(kuò)展積分時(shí)間的方法，其特征在于，通過控制栗浦光功率，大范圍調(diào)節(jié)積分時(shí)間窗口，栗浦光功率接近其激射閾值但不要超過激射閾值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非線性增益的有源光子積分器，包括硅基脊型波導(dǎo)上的相移布拉格光柵，光柵兩側(cè)的p型重?fù)诫s區(qū)和n型重?fù)诫s區(qū)。所述相移布拉格光柵工作在透射模式。本發(fā)明能夠?qū)θ我廨斎胄盘?hào)進(jìn)行積分運(yùn)算，并利用硅波導(dǎo)中的受激拉曼散射，補(bǔ)償輸入信號(hào)在積分過程中的功率損耗，實(shí)現(xiàn)超長的積分時(shí)間窗口。通過控制泵浦光功率，積分時(shí)間窗口可以大范圍調(diào)節(jié)，極大提高了器件的靈活性。與此同時(shí)，本發(fā)明的硅基光柵結(jié)構(gòu)可以很好地與CMOS工藝兼容，易于片上集成和大規(guī)模生產(chǎn)，有很大的應(yīng)用潛力。
【IPC分類】G02F1/35
【公開號(hào)】CN105652556
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】李明, 孫術(shù)乾, 鄧曄, 唐健, 祝寧華
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
【公開日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日