一种基于硅-氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于硅

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置


[0001]本专利技术属于光学
，具体涉及一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置。

技术介绍

[0002]超短脉冲在激光雷达技术、大气安全、频率梳生成和生物医学工程等领域具有丰富应用，其中脉冲压缩技术是产生超短光脉冲的有效方法。另一方面，光子芯片具有高集成度、超低损耗和与CMOS制造工艺兼容等优点，这使得在光子芯片中通过脉冲压缩的方式产生超短光脉冲成为可能。在众多的脉冲压缩方法中，自相似脉冲压缩技术具有输出脉冲近似无啁啾和无基座，保持积分变换限制特征和在高峰值功率下也能避免脉冲分裂的优点，因此自相似脉冲压缩技术受到广泛关注。近年来，自相似脉冲压缩已经在光纤，光纤布拉格光栅，光子晶体波导以及纳米线波导等不同传输介质中成功实现。光纤具有尺寸大，不能集成到光学芯片的缺点，相比之下，硅基波导比光纤具有更高的非线性系数，因此在数厘米长的波导中能够实现高效的脉冲压缩。但是在以往的方案中，只是简单地采用硅基波导实现脉冲压缩，这样的缺点在于传输损耗较高，色散调整范围小。通过引入氮化硅夹层，使脉冲能够在氮化硅夹层中传输，降低传输损耗，提高传输效率；另一方面，氮化硅夹层的引入使得波导折射率对比度发生明显变化，提高波导对光的限制性的同时，对氮化硅夹层高度的改变也能够灵活调整波导色散范围。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置，能够在较短的传输波导中对输入脉冲实现高倍数压缩，且输出脉冲几乎无基座无啁啾。
[0004]一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置，包括集成皮秒脉冲光源(10)、相位调制器(20)、硅
‑
氮化硅锥形波导(30)；所述集成皮秒脉冲光源(10)用于产生皮秒脉冲并输出至所述相位调制器(20)；所述相位调制器(20)用于调制输入皮秒脉冲的初始相位从而增加其初始啁啾并输出至硅
‑
氮化硅锥形波导(30)；所述硅
‑
氮化硅锥形波导(30)用于接收、传导来自所述相位调制器的带有初始啁啾的皮秒脉冲，将其压缩成一个脉冲并输出；
[0005]所述硅
‑
氮化硅锥形波导(30)从下至上依次包括二氧化硅衬底、第一硅波导层、氮化硅波导层以及第二硅波导层；第一硅波导层、氮化硅波导层以及第二硅波导层构成夹心波导结构，该夹心波导结构沿长度方向上，从光线入射端到出射端，其宽度呈线性增加。
[0006]较佳的，所述集成皮秒脉冲光源(10)用于产生1ps的皮秒量级的激光脉冲并出射至相位调制器(20)。
[0007]较佳的，所述硅
‑
氮化硅锥形波导(30)为色散指数递减波导。
[0008]较佳的，第一和第二硅波导层高度为：H
Si
＝180nm；氮化硅波导层高度为：H
Si3N4
＝10nm,二氧化硅衬底的高度为：H
SiO2
＝10nm；夹层波导结构的长度为L＝4cm,夹层波导结构的光线入射端宽度和光线出射端宽度分别为W1＝560nm和W2＝1300nm。
[0009]较佳的，所述硅
‑
氮化硅锥形波导(30)的β2(z)二阶色散满足如下公式：
[0010]β2(z)＝β
20
exp(
‑
σz)
[0011]其中，β2(z)为沿着波导长度变化的二阶色散，β
20
为波导的初始二阶色散，σ为色散衰减速率，z为脉冲在波导中的传输距离；
[0012]色散衰减速率σ满足以下公式：
[0013]σ＝α
20
β
20
；
[0014]其中，α
20
为脉冲的初始啁啾；所述色散指数递减波导的非线性系数γ保持不变。
[0015]较佳的，相位调制器(20)输出至硅
‑
氮化硅锥形波导(30)的激光脉冲是中心波长为2000nm的双曲正割脉冲形式，具体公式如下：
[0016][0017]其中，U(z＝0,T)为脉冲在硅
‑
氮化硅锥形波导(30)输入端的幅值，z为脉冲传输的波导长度，P0为初始峰值功率，T0为初始脉宽，α
20
为脉冲的初始啁啾，T为时间变量。
[0018]较佳的，初始脉宽T0＝0.567ps，初始峰值功率P0＝0.234W，初始啁啾为α
20
＝
‑
4.605THz2。
[0019]较佳的，夹层波导结构周围的二氧化硅衬底刻蚀掉设定的高度，使得夹层波导结构下方的二氧化硅高度高于其他位置。
[0020]本专利技术具有如下有益效果：
[0021]本专利技术公开了一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置，其包括依次连接的集成皮秒脉冲光源、相位调制器、硅
‑
氮化硅锥形波导；集成皮秒脉冲光源提供输入光脉冲并输出至相位调制器；相位调制器用于调制该输入光脉冲的初始相位从而增加其初始啁啾并输出至硅
‑
氮化硅锥形波导；硅
‑
氮化硅锥形波导用于接收、传导来自调制器的光脉冲，将其压缩成一个飞秒脉冲并输出；本专利技术的基于硅
‑
氮化硅锥形波导片上的超短脉冲产生装置具有以下特点：
[0022]1.在数厘米长的硅
‑
氮化硅锥形波导中能实现较高倍数压缩，使皮秒脉冲压缩成飞秒脉冲；
[0023]2.输出脉冲几乎无啁啾无基座，能量利用率高；
[0024]3.氮化硅作为夹层的硅
‑
氮化硅波导对光具有很强的束缚能力，且不会额外引入复杂的线性以及非线性效应；
[0025]4.硅
‑
氮化硅锥形波导具有传输损耗低，透明窗口宽和色散调控能力强的优势，有利于提高脉冲压缩效率；
[0026]5.氮化硅和硅都能够与CMOS工艺相兼容，容易应用于光电器件中；本专利技术为片上集成飞秒脉冲的产生提供了一种全新的，高效的方案。
附图说明
[0027]图1为硅
‑
氮化硅锥形波导光脉冲产生装置的结构示意图；
[0028]图2为硅
‑
氮化硅锥形波导的俯视图以及横截面示意图；
[0029]图3(a)为硅
‑
氮化硅锥形波导二阶色散和波导宽度的变化曲线示意图；
[0030]图3(b)为硅
‑
氮化硅锥形波导非线性参数和双光子吸收参数的变化曲线示意图；
[0031]图4(a)为硅
‑
氮化硅锥形波导光脉冲产生装置的输入输出脉冲对比示意图(线性分布)；
[0032]图4(b)为硅
‑
氮化硅锥形波导光脉冲产生装置的输入输出脉冲对比示意图(对数分布)；
[0033]图5(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置，其特征在于，包括集成皮秒脉冲光源(10)、相位调制器(20)、硅
‑
氮化硅锥形波导(30)；所述集成皮秒脉冲光源(10)用于产生皮秒脉冲并输出至所述相位调制器(20)；所述相位调制器(20)用于调制输入皮秒脉冲的初始相位从而增加其初始啁啾并输出至硅
‑
氮化硅锥形波导(30)；所述硅
‑
氮化硅锥形波导(30)用于接收、传导来自所述相位调制器的带有初始啁啾的皮秒脉冲，将其压缩成一个脉冲并输出；所述硅
‑
氮化硅锥形波导(30)从下至上依次包括二氧化硅衬底、第一硅波导层、氮化硅波导层以及第二硅波导层；第一硅波导层、氮化硅波导层以及第二硅波导层构成夹心波导结构，该夹心波导结构沿长度方向上，从光线入射端到出射端，其宽度呈线性增加。2.如权利要求1所述的一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置，其特征在于，所述集成皮秒脉冲光源(10)用于产生1ps的皮秒量级的激光脉冲并出射至相位调制器(20)。3.如权利要求1所述的一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置，其特征在于，所述硅
‑
氮化硅锥形波导(30)为色散指数递减波导。4.如权利要求1、2或3所述的一种基于硅
‑
氮化硅锥形波导的光脉冲产生装置，其特征在于，第一和第二硅波导层高度为：H
Si
＝180nm；氮化硅波导层高度为：H
Si3N4
＝10nm,二氧化硅衬底的高度为：H
SiO2
＝10nm；夹层波导结构的长度为L＝4cm,夹层波导结构的光线入射端宽度和光线出射端宽度分别为W1＝560nm和W2＝130...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩，黄加耀，叶峰，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：