硅光学习-9-硅光波导的简单应用-非线性功能

一、非线性功能

除了用作被动和动态功能的器件外，基于各种非线性效应，硅光波导也是一个很有前途的有源功能平台。

一般而言，体硅表现出弱非线性。然而，在硅光波导中，其超小尺寸的波导中光学功率密度可以增加，并且非线性效应显著增强。在1550nm波长下，波导的典型尺寸为400-500nm×200nm，有效模场面积Aeff约为0.05μm2。

得益于超小的有效面积，硅光波导中的克尔非线性系数γ约为105-106（W km）−1。这一数值比单模色散位移光纤（DSF）高出约十万倍，而后者是广泛用于非线性光学实验的介质。换句话说，一根一厘米长的硅光波导相当于一条一百米长的DSF，在各种非线性功能中提供的实际效率。

尽管相互作用长度和有效的功率注入一直是获得实用效率的障碍，但最近通过使用特殊的SSC[1]，波导的传播损耗已降低到1-2 dB/cm，与外部光纤的耦合损耗也减少到了0.5 dB。因此，使用市售的20dBm连续波光源，可以达到约300 MW/cm2的功率密度。该功率密度足以获得高效的非线性函数。

通过在硅光波导中增强非线性效应，已经测试了各种非线性功能，如基于双光子吸收（TPA）效应的全光调制、基于四波混频（FWM）效应的波长转换和参量放大以及受激拉曼散射（SRS）以及还利用自发FWM测试了纠缠光子对的产生。

在这些功能中，基于FWM的波长转换是一个典型的非线性功能，其效率与传统器件中的效率相当。波长转换的实验装置如图1所示。将具有10 Gbps非归零（NRZ）调制的信号光和连续波泵浦光同轴注入到2.8 cm长的带有SSCs的波导中。在波导的入口处，泵功率为160 mW CW，这使得波导中的功率密度约为430 MW/cm2。

图1、硅波导波长转换示意图，(a)实验装置，(b)典型硅波导横截面

波导输出光谱如图2所示，除了注入泵浦和信号光的峰值外，还可以在光谱中看到相位共轭光或转换光的峰值。内部转换效率约为−10 dB。这与以前在周期性极化LiNbO3器件中观察到的结果相当，而且足够大，可以进行实际的数据处理。

图2、利用四波混频效应进行波长转换的实验结果

如图3所示，在转换后的光中观察到10 Gbps伪随机二进制序列（PRBS）数据流的清晰眼图，测量得出导致−3 dB效率下降的带宽超过20 nm。由于波之间存在相位不匹配，带宽受到限制，在硅光波导中，通过调整波导的形状可以很容易地控制波导色散，因此，带宽可以进一步提高。

图3、相位共轭光信号的眼图

泵浦功率的转换效率如图4所示，由于自由载流子吸收效应导致的效率饱和现象明显可见，自由载流子是通过TPA效应产生的，其效率与光功率密度的二次方成正比。因此，消除FCA（自由载流子吸收，Free Carrier Absorption, FCA）最简单的方法是降低功率密度。理论估计表明，即使泵浦功率为80 mW，波导的传播损耗为0.5 dB/cm（虚线），其效率仍可达到−4 dB，此时FCA得到有效抑制。如上一文章所述，使用p-i-n结构的载流子扫除也是防止FCA的一种有前景的方法。

图4、波长转换中的内部转换效率与泵功率，点表示实验结果，实线和虚线表示除传播损耗外，与实验条件相同的理论估计值

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[1]Shoji, T. , et al. "Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si waveguides to singlemode fibres." Electronics Letters 38.25(2002):1669-1670.

[2]Yamada, K. , et al. "All-optical efficient wavelength conversion using silicon photonic wire waveguide." IEEE Photon.technol.lett 18.9(2006):1046-1048.

[3]Lockwood, David J .Silicon Photonics II: Components and Integration[J].topics in applied physics, 2011.