基于非线性增益的有源光子积分器及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光信号处理和硅基光子学领域，具体涉及一种基于非线性增益的有源光子积分器及方法。
【背景技术】
[0002]随着高速光通信网络的快速发展，人们对通信网络中所用器件的性能提出了越来越高的要求。与传统电子器件相比，全光信号处理器件凭借其高速率、大带宽和低损耗的优势，受到了越来越多的关注。
[0003]光子积分器是一种对输入光信号进行实时积分运算的信号处理单元器件，在光暗孤子探测、脉冲整形、光学存储和光学模数转换等领域有重要的应用。现在，世界各国的研究团队已经提出了很多实现光子积分器的方案，其中大部分是基于光纤布拉格光栅、微环谐振腔等无源器件。这些基于无源器件的光子积分器虽然有很大的带宽，但是其积分时间窗口受到器件损耗的制约不可能很大，并且是不可调的，这大大限制了其实际应用。为了实现超长的积分时间窗口，我们需要寻找一种可靠的激励机制，补偿器件的功率损耗，扩展积分时间窗口。
[0004]非线性效应是指强光通过介质时，频率发生改变的现象。受激拉曼散射是非线性效应的一种，当强光通过介质时，光子与介质分子运动相互作用而导致的出射光频率发生变化，具有方向性好、散射强度高的特点。硅中具有很强的受激拉曼散射，但是由于双光子吸收和自由载流子吸收，硅波导中的拉曼增益效果不易显现。通过在硅波导两侧加上适当的偏置电压，可以扫除由于双光子吸收产生的自由载流子，减小自由载流子吸收引起的损耗，增强拉曼增益效果。
[0005]相移布拉格光栅是光信号处理里的经典器件，它工作在透射模式下的传递函数具有积分器的特征，是实现光子积分器的一种可行方案。但是由于娃基相移布拉格光栅本身对光的损耗，难以实现很宽的积分时间窗口。通过将硅基拉曼增益引入到硅基相移光栅里，可以补偿硅基光栅本身的损耗，实现扩展积分时间窗口。同时，通过改变栗浦光功率可以实现积分时间窗口的大范围调节。
【发明内容】
[0006]本发明的目是基于娃波导中的非线性增益实现一种超长积分时间窗口的光子积分器及方法。利用非线性增益，补偿光在硅基光栅中的损耗，扩展积分时间窗口；并且通过改变栗浦光功率，可以实现积分时间窗口的大范围调节。
[0007]为达到上述目的，本发明提出一种基于非线性增益的有源光子积分器，可以实现超长积分时间窗口，并且积分时间窗口可以大范围调谐。
[0008]本发明相移布拉格光栅是在SOI脊型波导上制作的，光栅两侧分别是重掺杂的η型区和P型区，并在重掺杂区表面蒸镀电极。
[0009]栗浦光和信号光同时从一端耦合进波导，两者频率相差15.6ΤΗζ(硅材料中的拉曼频移)，栗浦光的能量通过受激拉曼散射转移到信号光上。
[0010]虽然硅有较强的拉曼增益系数，但由于双光子吸收和自由载流子吸收效应，拉曼增益的效果难以显现。通过在波导两侧加反偏电压，扫除波导中由栗浦光激发的自由载流子，可以大大减小自由载流子散射引起的损耗，使拉曼增益的效果显现出来。
[0011 ]相移布拉格光栅本身就具有积分器的功能，但是由于波导损耗的存在，积分时间窗口收到限制，并且不可调谐。在本发明采用栗浦光激发硅波导中的受激拉曼散射，补偿硅基光栅本身的损耗，积分时间窗口得以大大扩展。同时，通过改变栗浦光功率可以改变波导中拉曼增益的强度，从而实现积分时间窗口的大范围调节。
[0012]本发明的基于非线性增益的有源光子积分器，能够实现超长的积分时间窗口，并且积分时间窗口可以大范围调节。
【附图说明】
[0013]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，现结合具体实例，并参照附图，对本发明做进一步说明，其中:
[0014]图1是本发明结构俯视图；
[0015]图2栗浦光、信号光与器件频率响应关系示意图；
[0016]图3是本发明结构剖面图；
[0017]图4是本发明的仿真结果图。
具体实施方案
[0018]图1所示是本发明的结构俯视图。器件的主体结构是一个脊型波导上的硅基相移布拉格光栅I，上下两侧分别是P型重掺杂区2和η型重掺杂区3。光栅工作在透射模式下，栗浦光和信号光均从光栅左端输入，积分后的信号光从右端输出。
[0019]图2是栗浦光、信号光与器件频率响应关系示意图。工作时信号光频率在相移光栅透射谱中心频率处，栗浦光频率比信号光频率小15.6ΤΗζ，处于相移光栅透射谱的通带中。
[0020]图3是本发明的结构剖面图，主体结构是在SOI上制作的脊型波导相移光栅，光栅平均宽度1.5μπι，光栅高度0.7μπι，光栅顶端到氧化层的距离为1.55μπι，ρ型区和η型区之间的距离为6μπι。工作时，P型区接地，η型区加25V正电压。
[0021]本发明用不同的输入信号对本发明的积分效果进行了模拟测试。图4所示的输入信号是3dB脉宽为47.1?8的高斯脉冲，曲线1、2和3分别代表栗浦光频率为186111￥，18711^和188mW时的输出信号，他们的积分时间窗口分别为93ns，160ns和760ns。可以看到，通过改变栗浦光功率，积分时间窗口可以被大范围调节；当栗浦功率十分接近激射阈值时，可以实现超长的积分时间窗口。
[0022]根据本发明的一种【具体实施方式】，P型区工作时接地，η型区工作时加25V正电压。
[0023]根据本发明的一种【具体实施方式】，栗浦光波长为1550nm，信号光波长为1686nm，两者频率相距15.6THZ。
[0024]根据本发明的一种【具体实施方式】，相移布拉格光栅的周期为247.9nm，光栅长度为1.8mm0
[0025]根据本发明的一种【具体实施方式】，相移布拉格光栅的鍋合系数为6000/m。
[0026]根据本发明的一种【具体实施方式】，相移布拉格光栅中的平均有效折射率为3.4。
[0027]根据本发明的一种【具体实施方式】，为了实现超长积分时间窗口，所述光子积分器的栗浦光功率应接近其激射阈值，但不要超过其激射阈值。
[0028]以上所述的具体实施事例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说明。应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施事例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于非线性增益的有源光子积分器，包括:SOI脊型波导上的相移布拉格光栅(I)，光栅两侧的P型重掺杂区(2)和η型重掺杂区(3)，并在重掺杂区(2)、(3)表面蒸镀电极，其中，栗浦光和信号光同时从一端输入，积分后的信号从另一端输出，相移布拉格光栅(I)工作在透射模式，P型重掺杂区(2)接地，η型重掺杂区(3)加25V正电压。2.如权利要求1所述的基于非线性增益的有源光子积分器，其特征在于，相移布拉格光栅(I)平均宽度1.5μπι，高度0.7μπι，顶端到氧化层的距离为1.55μπι，ρ型重掺杂区(2)和η型重掺杂区(3)之间的距离为6μπι。3.如权利要求2所述的基于非线性增益的有源光子积分器，其特征在于，相移布拉格光栅(I)的周期为247.9nm，光栅长度为1.8mm。4.如权利要求2所述的基于非线性增益的有源光子积分器，其特征在于，相移布拉格光栅(I)的耦合系数为6000/m。5.如权利要求2所述的基于非线性增益的有源光子积分器，其特征在于，相移布拉格光栅(I)的平均有效折射率为3.4。6.一种米用权利要求1-5任一所述的有源光子积分器扩展积分时间的方法，工作时信号光频率在相移光栅透射谱中心频率处，栗浦光频率比信号光小15.6THz，并利用硅波导中的受激拉曼散射，补偿输入信号在积分过程中的功率损耗，实现超长的积分时间窗口。7.根据权利要求6所述的扩展积分时间的方法，其特征在于，通过控制栗浦光功率，大范围调节积分时间窗口，栗浦光功率接近其激射阈值但不要超过激射阈值。
【专利摘要】本发明公开了一种基于非线性增益的有源光子积分器，包括硅基脊型波导上的相移布拉格光栅，光栅两侧的p型重掺杂区和n型重掺杂区。所述相移布拉格光栅工作在透射模式。本发明能够对任意输入信号进行积分运算，并利用硅波导中的受激拉曼散射，补偿输入信号在积分过程中的功率损耗，实现超长的积分时间窗口。通过控制泵浦光功率，积分时间窗口可以大范围调节，极大提高了器件的灵活性。与此同时，本发明的硅基光栅结构可以很好地与CMOS工艺兼容，易于片上集成和大规模生产，有很大的应用潜力。
【IPC分类】G02F1/35
【公开号】CN105652556
【申请号】
【发明人】李明, 孙术乾, 邓晔, 唐健, 祝宁华
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年4月11日