一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器及其优化方法

本发明涉及光放大器，特别是涉及一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器及其优化方法。

背景技术：

1、自集成光子学概念提出以来，研究人员通过片上集成光波导实现光信号的传输、调控和处理。在光信号传输过程中，由于各种损耗导致光信号的衰减，进而限制了片上光互联系统的性能。因此光波导放大器作为实现光信号补偿的光学器件，受到了广泛的关注。

2、近年来，不同集成结构的光波导放大器不断发展。其中，槽波导结构作为一种重要的结构形式，能够将光场限制在窄缝中，从而提高光强和能量密度。它已成为光子集成电路领域的热门研究方向之一。该槽型光波导放大器可以通过光子集成电路与其他无源片上器件集成，以补偿无源器件的损耗，提高器件的性能，在片上通信系统中起着重要的作用

3、低损耗波导材料和高增益性能一直是集成光波导放大器所追求的目标。然而，现有的光波导放大器波导材料损耗较大，使其增益性能受到限制，亟待设计一种光波导放大器结构以满足高增益的发展需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器及其优化方法，利用稀土掺杂混合槽结构提高光波导放大器内部光场与增益材料的作用几率，以实现高增益的性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明提供了一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，包括自下而上层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、无源槽波导、稀土掺杂增益层和上包层。

4、所述无源槽波导包括第一无源条形结构和第二无源条形结构，所述第一无源条形结构和所述第二无源条形结构在所述二氧化硅层上对称分布，所述第一无源条形结构和所述第二无源条形结构之间形成微槽；所述无源槽波导被包覆在所述稀土掺杂增益层之中；所述无源槽波导和所述稀土掺杂增益层构成混合槽结构。

5、可选地，所述无源槽波导的槽波导结构材料包括硅、氮化硅和铌酸锂其中的一种或多种。

6、可选地，所述上包层的材料包括空气、二氧化硅、氢倍半硅氧烷聚合物和聚甲基丙烯酸甲酯其中的一种或多种。

7、可选地，所述上包层的折射率取值范围为1～1.6。

8、可选地，所述微槽宽度的取值范围为1nm～300nm。

9、可选地，所述第一无源条形结构和所述第二无源条形结构的尺寸相同；所述尺寸包括无源条形结构宽度和无源条形结构高度。

10、可选地，所述无源条形结构宽度的取值范围为100nm～500nm。

11、可选地，所述无源条形结构高度的取值范围为100nm～500nm。

12、第二方面，本发明提供了一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器的优化方法，包括：

13、获取待优化的光波导放大器的设计参数；所述设计参数包括材料折射率参数、波导截面尺寸、上包层结构参数和传输波长；所述波导截面尺寸包括微槽宽度、无源条形结构宽度和无源条形结构高度；所述材料折射率参数包括稀土掺杂增益层的折射率和群折射率，以及无源槽波导的折射率和群折射率。

14、根据所述光波导放大器的设计参数，构建光波导放大器模型并确定所述光波导放大器模型的重叠因子。

15、采用有限元法，对所述光波导放大器模型中的所述波导截面尺寸进行优化，得到优化后的波导截面尺寸。

16、将优化后的所述波导截面尺寸代入所述光波导放大器模型，并对所述上包层结构参数进行优化计算，得到所述光波导放大器模型优化后的重叠因子。

17、根据稀土离子能级跃迁模型，建立稀土掺杂光波导放大器模型，并将优化后的重叠因子代入所述稀土掺杂光波导放大器模型，迭代计算得到增益；所述稀土离子能级跃迁模型包括稀土离子的能级结构、激发态寿命、辐射衰减系数参数。

18、根据所述增益的最大值，得到所述光波导放大器的最优设计参数。

19、可选地，所述重叠因子的计算公式具体为：

20、

21、其中，ex(x,y)为给定截面的基模ex分量，na为稀土掺杂增益层的折射率，为稀土掺杂增益层的群折射率，为基模的有效群折射率，n和ng分别为无源波导材料的折射率和群折射率。

22、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

23、本发明提供了一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器及其优化方法，其中，光波导放大器包括自下而上层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、无源槽波导、稀土掺杂增益层和上包层；无源槽波导由第一无源条形结构和第二无源条形结构组成，两者在二氧化硅层上对称分布，其间形成微槽。无源槽波导被包含在稀土掺杂增益层内，构成混合槽结构。本发明通过优化无源槽波导结构，可提升光波导放大器内部光场，同时，通过调整上包层材料折射率，可增加稀土掺杂增益层的作用几率。

技术特征：

1.一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，包括自下而上层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、无源槽波导、稀土掺杂增益层和上包层；

2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，所述无源槽波导的槽波导结构材料包括硅、氮化硅和铌酸锂其中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，所述上包层的材料包括空气、二氧化硅、氢倍半硅氧烷聚合物和聚甲基丙烯酸甲酯其中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，所述上包层的折射率取值范围为1～1.6。

5.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，所述微槽宽度的取值范围为1nm～300nm。

6.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，所述第一无源条形结构和所述第二无源条形结构的尺寸相同；所述尺寸包括无源条形结构宽度和无源条形结构高度。

7.根据权利要求6所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，所述无源条形结构宽度的取值范围为100nm～500nm。

8.根据权利要求6所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器，其特征在于，所述无源条形结构高度的取值范围为100nm～500nm。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器的优化方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种光波导放大器的优化方法，其特征在于，所述重叠因子的计算公式具体为：

技术总结本发明公开一种稀土掺杂混合槽结构的光波导放大器及其优化方法，涉及光放大器技术领域，光波导放大器包括自下而上层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、无源槽波导、稀土掺杂增益层和上包层；无源槽波导包括第一无源条形结构和第二无源条形结构，第一无源条形结构和第二无源条形结构在二氧化硅层上对称分布，第一无源条形结构和第二无源条形结构之间形成微槽；无源槽波导被包覆在稀土掺杂增益层之中；无源槽波导和稀土掺杂增益层构成混合槽结构。基于本发明中的光波导放大器，可通过优化无源槽波导结构的方式来提高光波导放大器内部光场，通过优化上包层材料折射率的方式来增加稀土掺杂材料的作用几率。技术研发人员：李乙钢,董子鸣,赵雨晴,丁镭受保护的技术使用者：南开大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12