阅读说明：本技术 一种周期性极化型铌酸锂薄膜光波导差频放大器 (Periodically polarized lithium niobate thin film optical waveguide difference frequency amplifier ) 是由 胡哲峰 程书停 陈开鑫 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种周期性极化型铌酸锂薄膜光波导差频放大器,应用于集成光学、光通信和微波光子领域,针对现有的光波导放大器存在结构尺寸大、不利于集成、功耗高、制作困难的问题,本发明利用新型的铌酸锂薄膜材料上的非线性差频效应进行光放大,具有结构尺寸小、便于集成到不同基底的器件上、非线性效率高、功耗低、容易制作的优点,可以用作单片集成的光放大器或与其它器件一起形成集成化的系统。(The invention discloses a periodically polarized lithium niobate thin film optical waveguide difference frequency amplifier, which is applied to the fields of integrated optics, optical communication and microwave photon, and aims at solving the problems of large structure size, unfavorable integration, high power consumption and difficult manufacture of the existing optical waveguide amplifier.)

一种周期性极化型铌酸锂薄膜光波导差频放大器

技术领域

本发明属于集成光学、光通信和微波光子领域，特别涉及一种光波导放大器。

背景技术

随着光通信技术的不断发展提高，通信网带宽的增加以及互联网和物联网服务的多样化，带来的是网络拓扑结构和通信设备变得更加复杂，功耗随之增大。因而集成化、低功耗的通信设备在未来的通信网络中将会有更加重要的应用价值。另外，在微波光子系统中常常也需要使用光放大器在光域内对信号直接进行放大，此时就更加需要集成化、功耗小的器件，以满足车载、机载和星载应用对尺寸、重量和能耗的严格要求。在目前广泛使用的稀土掺杂或非线性的光纤放大器，由于使用较长的光纤作为放大介质，因而具有尺寸大、难集成、功耗高的问题，较难应用于未来功能更复杂的光通信系统和微波光子系统中。

使用光波导材料来制作光电子器件，能够有效地减小器件尺寸、降低能耗，因而是未来光电子器件应用的重要方向。铌酸锂晶体具有良好的电光、声光和二阶非线性系数，材料的物理和化学性能稳定，晶体生产成本低且易生成大尺寸的单晶，因而成为制作光电子器件的一种非常理想的材料。将铌酸锂晶体制成光波导则能够更好地对光场进行限制，使得非线性的作用更有效率，也能更好地与光纤进行耦合。在铌酸锂光波导中，利用光学二阶非线性效应可以实现对输入信号光场的放大，但非线性过程中信号和泵浦容易出现相位失配，影响非线性作用的效率，因而一般需要进行相位匹配。研究发现，将铌酸锂晶体的二阶极化率进行周期性的反转可以有效地匹配两个光场的相位，产生稳定的非线性效应，这种技术称为准相位匹配技术。

目前，基于传统体材料铌酸锂波导实现的光放大已经有许多报道。但这类器件所使用的体材料铌酸锂制作的光波导，其尺寸较大、难于集成，且对光场能量的限制不够强，因而转换效率低，通常需要输入较大功率的光作为泵浦，故功耗较高。近年新出现的铌酸锂单晶薄膜材料，保留了铌酸锂体材料的优秀的电光和光学特性，而且由于它是制作在硅或苯并环丁烯隔离衬底上，相应的光波导可通过互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor,CMOS)兼容的刻蚀工艺方便地制作成条形波导或脊形波导。现阶段对于铌酸锂薄膜上的二阶非线性光学效应的研究还大多集中在非线性效应的产生上，对利用其来构建集成化的功能器件或系统还暂未见报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种周期性极化型铌酸锂薄膜光波导差频放大器，利用新型铌酸锂薄膜材料的非线性差频效应来进行光放大。

本发明采用的技术方案为：一种周期性极化型铌酸锂薄膜光波导差频放大器，从上往下依次为芯层、下包层以及基底，所述芯层为周期性极化型铌酸锂薄膜；同时注入到周期性极化型铌酸锂薄膜的泵浦光、信号光，基于光学二阶非线性差频效应，在周期性极化型铌酸锂薄膜中产生空闲光，泵浦光的能量转移到信号光和空闲光上，然后输出能量放大后的信号光。

进一步地，所述周期性极化型铌酸锂薄膜的周期满足以下条件：

其中，k_p表示泵浦光的波数，k_s表示信号光的波数，k_i表示空闲光的波数，Λ为周期性极化型铌酸锂薄膜的极化反转周期。

进一步地，所述放大器输出端还包括滤波器，用于滤除泵浦光与空闲光。

进一步地，所述周期性极化型铌酸锂薄膜呈条形波导或脊形波导的形式。

进一步地，所述下包层为二氧化硅或苯并环丁烯薄膜。

进一步地，所述基底为铌酸锂或硅。

本发明的有益效果：本发明使用周期性极化型铌酸锂薄膜波导来实现光信号的放大，波导结构更加小型化，便于集成。该波导还可以制作在不同材料的基底上，有利于采用不同材料的器件的异质集成化，从而实现系统整体的集成化，在光通信、全光信号处理和微波光子等领域得到重要的应用；具备以下优点：

1、结构尺寸小、便于集成、容易制作；

2、非线性效率高；

3、本发明放大器总的功耗更低；

4、可以制作在不同材料的基底上，方便不同功能器件的异质集成。

附图说明

图1为本发明所采用的二阶光学非线性差频效应的原理图。

图2为本发明实施例提供的条形波导的结构示意图；

其中，图2(a)为波导横截面示意图，图2(b)为波导结构图。

图3为本发明实施例提供的脊形波导的结构示意图；

其中，图3(a)为波导横截面示意图，图3(b)为波导结构图。

图4为本发明实施例提供的工作过程仿真的输入信号光脉冲波形。

图5为本发明实施例提供的工作过程仿真的输出信号光脉冲波形。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，将波长分别为λ_p和λ_s的泵浦光和信号光，同时注入到制作好的周期性极化型铌酸锂薄膜波导中。由于介质中光学二阶非线性差频效应的作用，两个光场在波导中传输时将产生波长为λ_i的新光场，即产生空闲光。此时，泵浦光的能量也将逐渐转移到信号光和空闲光上，因而输出的信号光能量将得到放大。

本发明采用周期性极化型铌酸锂薄膜波导来实现光信号的放大，铌酸锂薄膜波导模场面积相对于现有的铌酸锂块状波导更小，总的泵浦功率就不需要像现有的铌酸锂块状波导里面那么高，即本发明放大器的总功耗更低。

从量子光学的角度来看，差频过程可以唯象地描述为：在泵浦光、信号光和非线性介质的作用过程中，一个泵浦光子的湮灭，将伴随着一个信号光子和一个空闲光子的产生。此时，由能量守恒定律的要求，泵浦光、信号光和空闲光的频率ω_p、ω_s和ω_i需要满足如下关系式

ω_p＝ω_s+ω_i (1)

由于三个光场在介质中的传输速率不同，因而在未经处理的铌酸锂波导中非线性过程会产生相位失配，从而影响非线性作用的效率，因而一般需要采取措施进行相位匹配。本发明中采用准相位匹配技术，通过对铌酸锂薄膜波导的非线性极化率进行周期性反转，来保证非线性过程中的相位匹配，即满足

其中，k_p、k_s和k_i分别为泵浦光、信号光和空闲光的波数，Λ为极化反转周期。在准相位匹配条件得到满足之后，泵浦光的能量将逐渐转移到信号光和空闲光上，因而输出的信号光能量将得到放大。如果要求在输出端仅有信号光输出，则可使用滤波器将其滤出；若输出端残留的泵浦光和空闲光对后面的应用无影响，则可不用进行特别的滤波处理。

本发明中所采用的周期性极化型铌酸锂薄膜光波导的结构如图2所示。该波导由芯层、隔离衬底层即下包层和基底组成，芯层的材料为周期性极化型铌酸锂薄膜，下包层的材料为二氧化硅或苯并环丁烯薄膜。该结构可以方便地制作在不同材料的基底上，如铌酸锂、硅等，这样可方便地与其它的光子器件进行集成或混合集成，形成系统。

需要说明的是，图2中给出的波导芯层为条形波导的结构，但在本发明所公开的放大器结构中，也可根据需要制作成如图3所示的脊形波导或其它形状的波导。

实施例

图4和图5给出了本发明所公开的周期性极化型铌酸锂薄膜光波导放大器工作过程的仿真结果。图4为输入信号光的脉冲波形，图5为在泵浦光的作用下输出信号光的脉冲波形，可以看到输出信号光的能量得到了有效的放大，但输出脉冲形状基本保持不变。

本发明利用周期性极化型铌酸锂薄膜所制作的波导结构，具有波导截面尺寸小、光场密度高、非线性效应强的特点，使结构尺寸更加小型化，有利于集成，并可以制作在不同材料的基底上，方便不同功能器件的异质集成。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。