[发明专利]一种基于硅基超材料的可调谐光学微分器

说明书

本发明公开了一种基于硅基超材料的可调谐光学微分器，属于集成光子器件领域，具体包括：输入波导、超材料波导、直波导和输出波导；超材料波导包括四个超材料波导单元，且以直波导横向中心轴和纵向中心轴为对称轴均匀分布；输入波导与输出波导对称地位于超材料波导两侧；输入波导将入射光束传输至超材料波导；超材料波导内部将入射光束分为n路光束，经过调节各超材料波导单元中像素块的状态后，n路光束干涉形成具有大带宽、幅度为线性且具有相位跳变的透射谱；直波导用于连接四个超材料波导单元；输出波导用于输出透射谱；本发明实现了THz级别的微分带宽，扩展了对光信号处理的带宽，同时实现中心波长可调。

技术领域

本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种基于硅基超材料的可调谐光学微分器。

背景技术

自21世纪以来，由于计算机技术、微电子技术和通信技术的快速发展，人们逐渐步入信息时代，当代社会对信息的需求达到前所未有的高度。随着人们对通信的容量、带宽和速率需求呈爆发式增长，以电子技术为基础的通信网络几乎达到了速度极限，在电域对信号进行处理已越发困难。全光运算利用光子技术来实现信号的产生和处理，利用光子信号的高带宽、高速率的固有特点有望克服电子线路中的速度瓶颈。为了实现这个目标，光学领域中与电子电路中相对应的基本模块需要被设计和制作出来。光学微分器作为超快光信号处理的基本器件之一，能够对超高速光信号产生微分运算，在光脉冲重组整形、超高速编码、全光微分方程求解等有着重要的应用。

硅基光器件具有亚微米量级的结构尺寸，其制作工艺与标准集成电路工艺兼容，使得硅基有望成为全光运算的一个很有前景的材料体系。基于硅基光学微分器的方案主要集中在利用微环谐振腔、马赫-曾德尔干涉仪实现对光信号的微分，但受限于干涉结构本身的特性，其微分带宽约为几十GHz，限制了微分器对THz级别大带宽光信号的处理。此外，有文献报道的基于定向藕合器的光时域微分器，在临界全耦合的状态下虽然可以实现达到THz级别的微分带宽，但是，一旦器件制备完成，微分器的中心波长就已经确定，降低了对光信号处理的灵活性。

硅基超材料结构，利用亚波长光栅(Sub Wavelength Grating，SWG)对硅基波导材料的折射率调控能力，可以用设计具有各种功能的器件。SWG的结构周期处于亚微米级别，周期通常小于三百纳米，其折射率变化可以使光波不受散射损耗的影响，对光波而言，SWG相当于一种等效硅基超材料，其折射率介于组成SWG的两种材料(通常为硅和空气)之间。通过合理设计硅基超材料区域SWG的结构，可以减小器件尺寸，提高器件的集成度，实现具有特定功能的超小型器件。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于硅基超材料的可调谐光学微分器，旨在解决现有的硅基光学微分器带宽较窄且透射谱中心波长不可调谐的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于硅基超材料的可调谐光学微分器，包括：输入波导、超材料波导、直波导和输出波导；

超材料波导包括四个超材料波导单元，且以直波导横向中心轴和纵向中心轴为对称轴均匀分布；输入波导与输出波导对称地位于超材料波导两侧；输入波导将入射光束传输至超材料波导；

超材料波导内部将入射光束分为n路光束，经过调节各超材料波导单元中像素块的状态后，n路光束干涉形成具有THz级的带宽、幅度为线性且具有相位跳变的透射谱；直波导用于连接四个超材料波导单元；输出波导用于输出透射谱；改变超材料波导和直波导的硅基折射率，实现透射谱中心波长的调节；其中，n≥2。

优选地，输入波导、超材料波导、直波导和输出波导的高度相等，且均为二氧化硅上包层、硅波导层和二氧化硅下包层构成的掩埋型波导结构。

优选地，输入波导和输出波导的波导宽度为：0.45μm≤W≤0.6μm，取值范围为单模波导的取值区间；

优选地，超材料波导单元包括N*M个正方形像素块，且M＞N；