[发明专利]一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法

说明书

本发明公开了一种基于氮化硅波导的通信带到中红外超连续谱产生方法，包括有如下步骤：1、通过超短脉冲光源发出重复频率为8‑12MHz，中心波长为1.4‑2.2微米；2、超短飞秒光脉冲经过透镜耦合注入色散平坦的脊形/沟槽混合反向氮化硅波导，氮化硅波导的结构包括设置于硅片上的二氧化硅氧化层，二氧化硅于表面刻蚀形成含有单二氧化硅脊的沟槽；本发明氮化硅波导在结构上采用脊形/沟槽混合结构，使得光场有效面积较小，实现波导的非线性系数相对较大，当高峰值功率飞秒光脉冲进入波导后，发生自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子频移、色散波产生等一系列非线性过程，最终形成从近红外到中红外波段的超连续光谱。

技术领域

本发明涉及光片上集成光子通信与传感技术领域，尤其涉及一种光通信波段到中红外波段的超连续光谱产生方法。

背景技术

超连续光谱是指在宽频率范围内光强度随频率变化呈连续分布的光谱，是高强度的脉冲通过非线性材料时,光谱急剧展宽(展宽可达数十至数千纳米)的一种复杂的非线性现象。由于超连续光谱在脉冲压缩、光通信、光学相干层析、光谱分析与光传感、超短脉冲产生和光学频率梳等众多科学领域具有广泛而重要的应用，因而近年来一直是国际研究热点。

最早的超连续光谱是由Alfano在块状玻璃中发现并首次报道的，他发现当波长为530nm、脉冲能量为5mJ的皮秒脉冲在块状BK7玻璃中传播后，可以获得波长从400到700nm的覆盖整个可见光范围的白光光谱。随后人们不断在各种材料中产生了超连续光谱，所覆盖的波长范围亦有很大差异。当前，获得具有较宽的波长覆盖范围、较高的平均输出功率和光谱功率密度的超连续谱已成为超连续光谱重要的研究方向。根据产生超连续谱的非线性介质种类的不同，目前报道的超连续谱光源大致可以分为以下六类：

1、基于块状晶体的超连续谱光源，其缺点是超连续谱覆盖波长范围有限；

2、基于普通无源光纤的连续谱光源。其中，无源光纤包括普通的折射率导引光纤和常规的高非线性光纤等非增益光纤，这类超连续谱光源由抽运激光器和无源光纤(非线性介质)两部分构成，抽运激光经过无源光纤的传输后，由于非线性效应导致光谱被展宽，从而产生了超连续谱，基于这种方式的超连续谱光源，由于器材都比较常规，所以构建容易，系统成本低，并且普通光纤的熔接技术比较成熟，便于实现全光纤化的超连续谱光源，但是由于普通无源光纤的非线性系数相对较低，产生超连续谱需要使用较长的光纤；另外，由于普通光纤的色散特性调节困难，不易产生比抽运波长短的宽带超连续谱；

3、基于掺稀土元素光纤的超连续谱光源。这类超连续谱光源通常就是一个非线性的光纤激光放大器，通过综合利用增益光纤中的激光增益特性和非线性效应，在能量从抽运光向激光转移的同时，实现激光光谱的极大展宽，基于这种方式的超连续谱光源，不仅结构简单，而且易于实现高功率输出，但是基本不能产生比抽运波长短的宽带超连续谱，另外基于大模场面积光纤的高功率非线性光纤激光放大器通常不能现实基横模运行；

4、基于光子晶体光纤的超连续谱光源。这类超连续谱光源由抽运激光器和光子晶体光纤两部分组成，经过合理设计的光子晶体光纤，能够在拥有合适的色散特性的同时，还具有较高的非线性系数，并且基于此种光纤产生的高功率超连续谱还可以在较宽的波段范围内实现单模运行；

5、基于硫化物波导的超连续谱光源，其优点是非线性系数高，波长透明窗口可至远红外；

6、基于硅波导的超连续谱光源。

综合分析上述情况，前四种类型均不便于实现片上光子集成，后两种类型虽然可以集成，但硫化物波导性能相对不稳定，硅波导在光通信波段存在较大的双光子吸收和自由载流子吸收效应，大大限制了非线性效应的效率。而新发展的氮化硅波导具有较大的非线性系数，同时具有从可见光到中红外的宽波长范围透明窗口，且其内部的双光子吸收与自由载流子吸收效应可忽略，并与现有的CMOS工艺兼容。因此，基于氮化硅波导的片上超连续谱光源非常具有发展前途。

发明内容