[发明专利]一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体慢光效应放大器设计及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器。

背景技术

半导体光放大器(SOA)是新一代光通信、光存储及光子器件的关键器件之一，其小型化是光子集成的基本要求，利用慢光效应对其尺寸缩小是很有前途的途径之一。

光子晶体由于其自身的特点，近年来一直是研究的热点，各种效应也不断被发现和利用。几乎所有的有源和无源光子器件都可以用光子晶体的理论和材料来设计制造。光子晶体的许多独特之处引人瞩目，如基于光子晶体带隙的小尺寸大角度弯折无损耗波导、基于带边超大色散效应的超棱镜和基于光子晶体负折射效应的突破衍射极限的成像透镜。其中光子晶体带边慢光效应非常引人关注，它可以在微小尺度内极大增强光和物质的相互作用，有效控制辐射速率，基于此的各种微纳腔激光器已经实现超低阈值激射，特殊腔结构的光子晶体激光器具有高达100Gbps调制速率。

基于慢光效应的调制器、光开关、光延迟器尺寸可以缩小1个或几个数量级。基于慢光效应的半导体光放大器在信号放大、波长变换、光逻辑门、光计算、光网络节点的码型变换、色散监测和光码分多址复用收发模块等方面都有重要应用，慢光结构的采用可以大幅度缩短腔长，从而大幅度减小尺寸，降低功耗，提高速率。

关于光子晶体慢光效应SOA，此前有文献报道了横电(TE)模式的结构设计，这是由于TE模式利用光子晶体很容易在带隙内形成慢光模式，而对于横磁(TM)模式很难，它需要很大的占空比，对加工工艺要求高。目前还没有关于偏振无关光子晶体慢光效应SOA的设计报道。

对于放大器而言，偏振无关是很重要的，因为输入器件的光波有时是一种混合偏振态，TE、TM两者放大不均衡，对信号影响很大。如何在同一芯片上即实现TE放大，又实现TM放大，且能构利用慢光效应来缩短腔长是难点所在。

发明内容

(一)要解决的技术问题

光子晶体由于其有很多奇异特性，在小尺寸光子集成中被人们所重视。基于光子晶体慢光效应的短腔SOA在光子光电子超小尺寸集成中具有重要应用。而光子晶体类器件重要的特点是高偏振相关性。TE模式的慢光效应SOA是较容易利用普通晶格结构来实现，而TM是很难实现的。既利用光子晶体慢光效应，又能实现TE和TM光的偏振无关放大，是SOA设计的难题，本发明的主要目的在于提供一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，以实现偏振无关利用光子晶体慢光效应的SOA。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于光子晶体慢光效应具有偏振无关特性的光放大器，该光放大器包括纵向结构及横向结构，其中纵向结构为纵向弱限制结构或空气桥结构，横向结构以纵向结构为基础分左右两部分光子晶体结构，左半部分为蜂窝结构光子晶体，右半部分为三角晶格结构。

上述方案中，所述纵向弱限制结构为在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，其形成的波导结构在光通信波段基模有效折射率在3.0至3.2。

上述方案中，所述在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，由上到下依次为空气/半导体材料盖层/铟镓砷磷多量子阱层/缓冲层/衬底材料。

上述方案中，所述半导体材料盖层、缓冲层和衬底材料均采用磷化铟，所述铟镓砷磷多量子阱层的厚度为200至300纳米，半导体材料盖层的厚度也为200至300纳米。

上述方案中，所述空气桥结构，由上到下依次为空气/铟镓砷磷多量子阱层/空气层/衬底材料，其形成的波导结构在光通信波段基模有效折射率在2.9至3.0。

上述方案中，所述衬底材料采用磷化铟，所述铟镓砷磷多量子阱层的厚度为250至350纳米。

上述方案中，所述左右两部分光子晶体结构是在垂直于纵向结构上加工小孔来形成，小孔将贯穿芯区达到衬底。

上述方案中，所述左半部分为蜂窝结构光子晶体，最近小孔间间隔即周期为P，孔半径为R，中间去掉两行形成横磁偏振线缺陷慢光模式，中间加入一调整波导，宽度为W1，在加工过程中该波导即为保留区域，用于对慢光效应及横电模式通过率进行调整。

上述方案中，所述右半部分为三角晶格结构，周期为P1，原胞为圆孔或方孔，对于方孔而言，长为L宽为W，改变其大小，能够调整光子晶体带隙位置及对横电、横磁模式的限制效果，通过去掉一行孔，引入横电慢光模式态。

上述方案中，在所述左右两部分光子晶体结构的导光区上下对称位置，具有两个长的矩形孔，宽度为W2，以对光波模式进行调制和限制，增强透过性。