片上非线性放大增益波导结构

1.本发明涉及光电子器件领域，具体地，涉及一种片上非线性放大增益波导结构。


背景技术：

2.光的非线性效应是一种在强光作用下，由于介质非线性极化而产生新的光频率分量的现象，包括拉曼效应、双光子吸收、克尔效应等。随着通信系统中通信速率、数据容量的快速提升，以及集成硅光子工艺的快速发展，片上非线性效应作为一种无需对硅光子芯片进行任何后处理，即可直接在芯片上实现频率转换和多波长光源产生的方法，在集成光通信、光传感等领域有着十分广泛的应用，被越来越多的研究人员所关注。
3.在推动片上非线性效应的实际应用过程中，需要我们尽量提升非线性效应的产生效率和能量转化效率，同时尽量缩小相应结构在片上的占用空间，以使其在芯片的特定大小下，产生足够后端应用需求的非线性效应。然而，无论是直波导型非线性波导还是微环型非线性波导，由于其波导材料本身的制约，在一定的空间内都难以有效得提升非线性效应产生的效率。
4.针对提升波导中非线性效应的这一问题，有研究人员提出了采用自由纳米线与硅波导结构结合的方法。现有公开号为cn114142341a的中国专利，其公开了一种基于自由纳米线-硅波导结构的片上超连续谱光源，所述硅光栅设置在sio2衬底上，所述sio2衬底设置在au膜反射层上，所述au膜反射层的底部设置有si衬底，所述硅光栅通过锥形宽度渐变结构连接有第一硅波导，所述第一硅波导通过第一自由纳米线-硅波导复合结构与自由纳米线的一端连接，所述自由纳米线的另一端通过第二自由纳米线-硅波导复合结构与第二硅波导连接。其提出了利用轴向渐变复合波导结构，实现自由纳米线与硅波导高效率、宽波段的光学耦合，从而实现低功耗、短距离、高集成的片上超连续谱输出。但是，由于需要自由纳米线与硅波导的连接，以及au膜反射层等额外工艺流程，其结构较为复杂。
5.因此，亟需提出新的器件结构，提高片上波导的空间利用率，增大光场与波导的作用长度，提升非线性效应的产生效率，以推动片上非线性效应的实际应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种片上非线性放大增益波导结构。
7.根据本发明提供的一种片上非线性放大增益波导结构,包括依次连接的：输入波导、第一模式转换器、第二模式转换器、非线性波导、第三模式转换器以及第四模式转换器，所述第三模式转换器的另一个端口连接有输出波导，所述第四模式转换器的两个端口连接形成回路，所述第一模式转换器另一个端口与所述第二模式转换器的另一个端口连接形成回路；第一信号光自所述输入波导输入至所述第四模式转换器，通过所述第四模式转换器转模输出为第二信号光，所述第二信号光自所述第四模式转换器输入至所述第一模式转换器，通过所述第二模式转换器转模输出为第三信号光，所述第三信号光自所述第二模式转
换器输入至所述第三模式转换器，通过所述第三模式转换器转模输出至所述输出波导。
8.优选地，所述输入波导的输出端与所述第一模式转换器的第一模式转换器c端口连接，所述第一模式转换器的第一模式转换器b端口与所述第二模式转换器的第二模式转换器c端口连接，所述第二模式转换器的第二模式转换器b端口与所述非线性波导的端口连接，所述非线性波导的另一个端口与所述第三模式转换器的第三模式转换器b端口连接，所述第三模式转换器的第三模式转换器c端口与所述第四模式转换器的第四模式转换器b端口连接，所述第四模式转换器上的第四模式转换器c端口、第四模式转换器a端口相互连接；所述第一信号光自所述输入波导依次经过所述第一模式转换器c端口、所述第一模式转换器b端口、所述第二模式转换器c端口、所述第二模式转换器b端口、所述非线性波导、所述第三模式转换器b端口、所述第三模式转换器c端口、所述第四模式转换器b端口、所述第四模式转换器c端口以及所述第四模式转换器a端口传输至所述第四模式转换器，通过所述第四模式转换器转模输出为所述第二信号光。
9.优选地，所述第二信号光自所述第四模式转换器依次经过所述第四模式转换器b端口、所述第三模式转换器c端口、所述第三模式转换器b端口、所述非线性波导、所述第二模式转换器b端口、所述第二模式转换器c端口、所述第一模式转换器b端口传输至所述第一模式转换器，通过所述第一模式转换器转模输出为第二轮的第一信号光。
10.优选地，所述第一模式转换器的第一模式转换器a端口与所述第二模式转换器的第二模式转换器a端口连接，所述第二轮的第一信号光自所述第一模式转换器a端口经过所述第二模式转换器a端口传输至所述第二模式转换器，通过所述第二模式转换器转模输出为所述第三信号光。
11.优选地，所述第三模式转换器的第三模式转换器a端口与所述输出波导的输入端连接，所述第三信号光自所述第二模式转换器依次经过所述第二模式转换器b端口、所述非线性波导、所述第三模式转换器b端口传输至所述第三模式转换器，通过所述第三模式转换器转模输出为第三轮的第一信号光，所述第三轮的第一信号光通过所述第三模式转换器a端口传输至所述输出波导。
12.优选地，所述第一模式转换器、所述第二模式转换器、所述第三模式转换器以及所述第四模式转换器采用的模式转换器均包括：第一输入单模波导、输入s型波导、单模拉锥耦合波导、输出s波导、输出单模波导、第二输入单模波导、多模拉锥波导、多模拉锥耦合波导以及多模输出波导；所述第一输入单模波导对应所述模式转换器的a端口，所述多模输出波导对应所述模式转换器的b端口，所述第二输入单模波导对应所述模式转换器的c端口，所述输出单模波导对应所述模式转换器的d端口。
13.优选地，所述波导结构的加工材料平台包括硅基平台。
14.优选地，所述第一模式转换器、所述第二模式转换器、所述第三模式转换器以及所述第四模式转换器采用相同的模式转换器的结构分层，由下至上依次包括：硅衬底层、二氧化硅衬底层、硅波导层以及二氧化硅上包层。
15.优选地，所述硅波导层包括：脊形波导中心区域、脊型波导脊区域、p型重掺杂区域以及n型重掺杂区域，所述二氧化硅上包层上设置有第一电极和第二电极，所述脊形波导中心区域两侧的p型重掺杂区域、n型重掺杂区域分别通过电走线与所述第一电极、所述第二电极连接形成回路。
16.优选地，所述脊形波导中心区域的宽度为2000nm，高度为150nm，所述脊型波导脊区域的高度为70nm。
17.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
18.1、本发明通过采用非线性波导，达到一定功率阈值的光会与波导材料本身发生相互作用，实现非线性效应与放大增益的产生；通过采用由多个模式转换器件构成的模式循环型非线性增益放大波导结构，提高了片上波导的空间利用率，增大了光场与波导的作用长度，从而在单位面积上提升非线性效应的产生效率，实现了放大增益的效果。
19.2、本发明通过耦合进入波导结构的输入信号光经过高效模式转换器的转模与传播方向的折返，分别以第一信号光、第二信号光、第三信号光的模式通过波导结构中的非线性波导，使得信号光在特定长度的波导内实现三轮传播，增大了波导与信号光之间的作用长度，提升了片上波导的空间利用率，在片上单位面积内有效提升了非线性效应的效率；由于两个不同阶模式的信号光在传输过程中互相独立，彼此之间不发生干涉或者串扰，从而可以实现增大波导与信号光之间的作用长度，提升片上波导的空间利用率，有效提升非线性效应的效率。
20.3、本发明通过采用较大的波导宽度可以有效降低信号光在波导中的传输损耗，同时在第一电极以及第二电极上施加反偏电压，可以有效降低信号光在传输过程中带来的非线性损耗，从而提升非线性效应的产生效率，实现放大增益的效果。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
22.图1为本发明主要体现片上非线性放大增益波导结构的结构示意图；
23.图2为本发明主要体现模式转换器的结构示意图；
24.图3为本发明主要体现片上非线性放大增益波导的截面示意图；
25.图4为本发明主要体现信号光由te0模式转换为te1模式的模场图；
26.图5为本发明主要体现信号光由te0模式转换为te1模式的转换过程随波长变化的转换效率；
27.图6为本发明主要体现te0、te1模式中te0模式的信号光由第二输入单模波导输入时的模场图；
28.图7为本发明主要体现信号光由te0模式转换为te2模式的模式转换模场图；
29.图8为本发明主要体现信号光由te0模式转换为te2模式的转换过程随波长变化的转换效率；
30.图9为本发明主要体现te0、te2模式中te0模式的信号光由第二输入单模波导输入时的模场图。
31.图中所示：
32.输入波导101
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第一模式转换器102
33.第二模式转换器103
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非线性波导104
34.第三模式转换器105
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第四模式转换器106
35.输出波导107
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第一输入单模波导201
36.输入s型波导202
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单模拉锥耦合波导203
37.输出s波导204
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输出单模波导205
38.第二输入单模波导206
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多模拉锥波导207
39.多模拉锥耦合波导208
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多模输出波导209
40.二氧化硅上包层301
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脊形波导中心区域302
41.脊型波导脊区域303
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二氧化硅衬底层304
42.硅衬底层305
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p型重掺杂区域306
43.n型重掺杂区域307
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第一电极308
44.第二电极309
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第一模式转换器c端口1021
45.第一模式转换器a端口1022
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第一模式转换器b端口1023
46.第二模式转换器c端口1031
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第二模式转换器a端口1032
47.第二模式转换器b端口1033
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第三模式转换器b端口1051
48.第三模式转换器c端口1052
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第三模式转换器a端口1053
49.第四模式转换器b端口1061
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第四模式转换器c端口1062
50.第四模式转换器a端口1063
具体实施方式
51.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
52.如图1所示，根据本发明提供的一种片上非线性放大增益波导结构，包括：输入波导101、第一模式转换器102、第二模式转换器103、非线性波导104、第三模式转换器105以及第四模式转换器106，第三模式转换器105的另一个端口连接有输出波导107，第四模式转换器106的两个端口连接形成回路，第一模式转换器102另一个端口与第二模式转换器103的另一个端口连接形成回路；第一信号光自输入波导101输入至第四模式转换器106，通过第四模式转换器106转模输出为第二信号光，第二信号光自第四模式转换器106输入至第一模式转换器102，通过第二模式转换器103转模输出为第三信号光，第三信号光自第二模式转换器103输入至第三模式转换器105，通过第三模式转换器105转模输出至输出波导107。
53.本技术的片上非线性放大增益波导结构是一种基于硅基的增益波导结构，或是基于类似结构的其他材料平台的集成片上增益波导结构，不局限于硅基平台。本技术通过采用由模式转换器件构成的模式循环型非线性增益放大波导结构，提高了片上波导的空间利用率，增大了光场与波导的作用长度，从而在单位面积上提升非线性效应的产生效率，实现了放大增益的效果。
54.输入波导101用于接收由光纤输入芯片的初始信号光，即第一信号光，并输入至第一模式转换器102；第一模式转换器102用于对完成一次折返以及两轮传输的第二信号光转模，并输出第一信号光至第二模式转换器103并完成第二次折返；第二模式转换器103用于对完成两次折返以及两轮传输的第一信号光转模，输出第三信号光并开始第三轮传输；非线性波导104，其波导材料本身与信号光发生相互作用，产生非线性效应，实现放大增益的
效果；第三模式转换器105用于对完成两次折返以及三轮传输的第三信号光转模，输出第一信号光至输出波导107；第四模式转换器106用于对完成一轮传输的第一信号光转模，输出第二信号光并完成第一次折返，开始第二轮传输；输出波导107用于将完成三轮传输的信号光输出，此时信号光恢复为第一信号光。
55.本技术中一共存在三次传输过程，第一信号光、第二信号光、第三信号光分别处于第一模式、第二模式、第三模式下。需要说明的是，第一模式、第二模式以及第三模式可为任意的光波导模式。以下仅以第一模式为te0模式、第二模式为te1模式、第三模式为te2模式的情况为例进行说明。
56.信号光以te0模式，即第一信号光状态进入波导结构，第一次通过非线性波导104并与之发生相互作用。第一信号光经过第四模式转换器106，由te0模式转换为te1模式，输出第二光信号，随后第二次经过非线性波导104并与之发生相互作用。第二信号光经过第一模式转换器102、第二模式转换器103，由te1模式转换为te2模式，输出第三光信号，随后第三次经过非线性波导104并与之发生相互作用。第三信号光经过第三模式转换器105，由te2模式转换为te0模式，并最终由波导结构输出，完成放大与增益的效果。在信号光经过整个波导结构的过程中，其先后以te0模式、te1模式、te2模式三次经过非线性波导104，与其发生三次相互作用，增大了光场与波导的作用长度，提升了非线性效应的产生效率。
57.本技术的基本工作原理是：基于达到一定功率阈值的光会与波导材料本身发生相互作用，实现非线性效应与放大增益的产生。耦合进入波导结构的输入信号光经过高效模式转换器的转模与传播方向的折返，分别以第一信号光、第二信号光、第三信号光的模式通过波导结构中的非线性波导104，使得信号光在特定长度的波导内实现三轮传播，增大了波导与信号光之间的作用长度，提升了片上波导的空间利用率，在片上单位面积内有效提升了非线性效应的效率。
58.第一模式转换器102、第二模式转换器103、第三模式转换器105以及第四模式转换器106均具有相似的结构，第一模式转换器102与第四模式转换器106包括相同的结构参数，用于完成第一信号光与第二信号光之间的模式转换与光场折返；第二模式转换器103与第三模式转换器105包括相同的结构参数，用于完成第一信号光与第三信号光之间的模式转换与光场折返。由于两个不同阶模式的信号光在传输过程中互相独立，彼此之间不发生干涉或者串扰，从而可以实现前文中的增大波导与信号光之间的作用长度，提升片上波导的空间利用率，有效提升非线性效应的效率。
59.如图2所示，三次传输过程中用于转模输出的第一模式转换器102、第二模式转换器103、第三模式转换器105以及第四模式转换器106，具有相似结构。第一模式转换器102、第二模式转换器103、第三模式转换器105以及第四模式转换器106采用的模式转换器均包括：第一输入单模波导201、输入s型波导202、单模拉锥耦合波导203、输出s波导204、输出单模波导205、第二输入单模波导206、多模拉锥波导207、多模拉锥耦合波导208以及多模输出波导209。第一输入单模波导201对应模式转换器的a端口，多模输出波导209对应模式转换器的b端口，第二输入单模波导206对应模式转换器的c端口，输出单模波导205对应模式转换器的d端口。不同模式转换器的结构区别主要在于两耦合波导的锥形宽度与长度。
60.如图3所示，第一模式转换器102、第二模式转换器103、第三模式转换器105以及第四模式转换器106采用相同的模式转换器的结构分层，由下至上依次包括：硅衬底层305、二
氧化硅衬底层304、硅波导层以及二氧化硅上包层301。硅波导层包括：脊形波导中心区域302、脊型波导脊区域303、p型重掺杂区域306以及n型重掺杂区域307，二氧化硅上包层301上设置有第一电极308和第二电极309。脊形波导中心区域302的宽度为2000nm，高度为150nm，脊型波导脊区域303的高度为70nm。脊形波导中心区域302两侧的p型重掺杂区域306、n型重掺杂区域307分别通过电走线与芯片顶部的第一电极308、第二电极309相连，构成回路，在向重掺杂区域施加反向偏压后，可减小波导的非线性损耗。
61.在这一结构中，较大的波导宽度可以有效降低信号光在波导中的传输损耗，同时若在第一电极308以及第二电极309上施加反偏电压，可以有效降低信号光在传输过程中带来的非线性损耗，从而提升非线性效应的产生效率，实现放大增益的效果。
62.以te0、te1模式为例，对第一模式转换器102对信号光转换的过程进行阐述。当te0模式的光从第一输入单模波导201处进入第一模式转换器时，由于耦合区域的两相邻波导(单模拉锥耦合波导203、多模拉锥耦合波导208)满足发生模式转换的相位匹配条件，所以当信号光经过该区域后，其将于多模拉锥耦合波导208处输出且转换为te1模式，进而由多模输出波导209输出第一模式转换器，完成模式转换的功能。另一方面，当te0模式的信号光从第二输入单模波导206处输入时，则不会发生模式转换，其将维持te0模式不变，并由多模输出波导209处输出。由以上两过程反推，根据光路的可逆性可知，当te1模式的信号光从多模输出波导209处输入时，其会在耦合区域发生模式转换，转换为te0模式并由第一输入单模波导201处输出；而当te0模式的信号光从多模输出波导209处输入时，其将不会在耦合区域发生模式转换，并仍将以te0模式从第二输入单模波导206输出。
63.如图4-6所示的第一模式转换器102的工作原理与性能，图4为信号光由te0模式转换为te1模式的模场图，图5为这一转换过程随波长变化的转换效率，可以看出第一模式转换器102可以有效地完成te0模式与te1模式的转换。图6为te0模式的信号光由第二输入单模波导206输入时的模场图，如上所述，在此情况下信号光并不会在第一模式转换器102内发生模式转换。在te0、te1模式下工作的第四模式转换器106，te0、te2模式下工作的第二模式转换器103、第三模式转换器105的转换过程与功能与上述第一模式转换器102相同，其中第二模式转换器103、第三模式转换器105的模式转换模场图以及转换效率曲线如图7-9所示。
64.下面，将以第一信号光为te0模式，第二信号光为te1模式，第三信号光为te2模式为例对本技术的具体工作原理及过程进行阐释：信号光由输入波导101以第一信号光状态(即te0模式)输入，随后由第一模式转换器c端口1021进入第一模式转换器102，此时信号光不会在第一模式转换器102内发生模式转换，而是保持te0模式由第一模式转换器b端口1023输出。随后信号光由第二模式转换器c端口1031进入第二模式转换器103，并仍然保持te0模式由第二模式转换器b端口1033输出。在信号光第一次通过非线性波导104并与之发生相互作用后，信号光维持te0模式由第三模式转换器b端口1051进入第三模式转换器105，并由第三模式转换器c端口1052输出。随后信号光由第四模式转换器b端口1061首次输入第四模式转换器106，并保持te0模式由第四模式转换器c端口1062输出，完成光路折返，并再次由第四模式转换器a端口1063输入第四模式转换器106，此时将发生模式转换，信号光转换为te1模式，变为第二信号光，并由第四模式转换器b端口1061输出，开启第二轮传播。
65.在第二轮传播中，第二信号光将维持te1模式通过第三模式转换器105、非线性波导104以及第二模式转换器103，与波导发生第二次相互作用，随后到达第一模式转换器
102。信号光将由第一模式转换器b端口1023输入第一模式转换器102，进行模式转换变为te0模式由第一模式转换器a端口1022输出，完成第二次光路折返，随后由第二模式转换器a端口1032输入第二模式转换器103，模式转换为te2模式，变为第三信号光，并由第二模式转换器b端口1033输出，开启第三轮传播。
66.在第三轮传播中，第三信号光将维持te2模式通过非线性波导104，与波导发生第三次相互作用，随后到达第三模式转换器105。信号光将由第三模式转换器b端口1051输入第三模式转换器105，进行模式转换变为te0模式，变为第一信号光，并由第三模式转换器a端口1053输出，进而到达输出波导107，完成三轮传播最终输出本波导结构。
67.在经过整个非线性放大增益波导结构的过程中，信号光先后以te0模式、te1模式、te2模式三次通过非线性波导104，即与波导发生三次相互作用。在片上波导的长度以及占用面积确定的情况下，本技术具有的结构可有效提升片上空间利用率以及非线性效应的产生效率，以实现放大增益的效果。
68.本技术通过采用模式循环型的波导结构，增大了光场与波导的作用长度，提升了非线性效应的产生效率。进一步的，采用该结构的非线性波导，可以在施加反偏电压的状态下有效减小非线性损耗，提升放大增益效率。
69.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
70.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，包括依次连接的：输入波导(101)、第一模式转换器(102)、第二模式转换器(103)、非线性波导(104)、第三模式转换器(105)以及第四模式转换器(106)，所述第三模式转换器(105)的另一个端口连接有输出波导(107)，所述第四模式转换器(106)的两个端口连接形成回路，所述第一模式转换器(102)另一个端口与所述第二模式转换器(103)的另一个端口连接形成回路；第一信号光自所述输入波导(101)输入至所述第四模式转换器(106)，通过所述第四模式转换器(106)转模输出为第二信号光，所述第二信号光自所述第四模式转换器(106)输入至所述第一模式转换器(102)，通过所述第二模式转换器(103)转模输出为第三信号光，所述第三信号光自所述第二模式转换器(103)输入至所述第三模式转换器(105)，通过所述第三模式转换器(105)转模输出至所述输出波导(107)。2.如权利要求1所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述输入波导(101)的输出端与所述第一模式转换器(102)的第一模式转换器c端口(1021)连接，所述第一模式转换器(102)的第一模式转换器b端口(1023)与所述第二模式转换器(103)的第二模式转换器c端口(1031)连接，所述第二模式转换器(103)的第二模式转换器b端口(1033)与所述非线性波导(104)的端口连接，所述非线性波导(104)的另一个端口与所述第三模式转换器(105)的第三模式转换器b端口(1051)连接，所述第三模式转换器(105)的第三模式转换器c端口(1052)与所述第四模式转换器(106)的第四模式转换器b端口(1061)连接，所述第四模式转换器(106)上的第四模式转换器c端口(1062)、第四模式转换器a端口(1063)相互连接；所述第一信号光自所述输入波导(101)依次经过所述第一模式转换器c端口(1021)、所述第一模式转换器b端口(1023)、所述第二模式转换器c端口(1031)、所述第二模式转换器b端口(1033)、所述非线性波导(104)、所述第三模式转换器b端口(1051)、所述第三模式转换器c端口(1052)、所述第四模式转换器b端口(1061)、所述第四模式转换器c端口(1062)以及所述第四模式转换器a端口(1063)传输至所述第四模式转换器(106)，通过所述第四模式转换器(106)转模输出为所述第二信号光。3.如权利要求2所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述第二信号光自所述第四模式转换器(106)依次经过所述第四模式转换器b端口(1061)、所述第三模式转换器c端口(1052)、所述第三模式转换器b端口(1051)、所述非线性波导(104)、所述第二模式转换器b端口(1033)、所述第二模式转换器c端口(1031)、所述第一模式转换器b端口(1023)传输至所述第一模式转换器(102)，通过所述第一模式转换器(102)转模输出为第二轮的第一信号光。4.如权利要求3所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述第一模式转换器(102)的第一模式转换器a端口(1022)与所述第二模式转换器(103)的第二模式转换器a端口(1032)连接，所述第二轮的第一信号光自所述第一模式转换器a端口(1022)经过所述第二模式转换器a端口(1032)传输至所述第二模式转换器(103)，通过所述第二模式转换器(103)转模输出为所述第三信号光。5.如权利要求4所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述第三模式转换器(105)的第三模式转换器a端口(1053)与所述输出波导(107)的输入端连接，所述第三信号光自所述第二模式转换器(103)依次经过所述第二模式转换器b端口(1033)、所述非线性
波导(104)、所述第三模式转换器b端口(1051)传输至所述第三模式转换器(105)，通过所述第三模式转换器(105)转模输出为第三轮的第一信号光，所述第三轮的第一信号光通过所述第三模式转换器a端口(1053)传输至所述输出波导(107)。6.如权利要求5所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述第一模式转换器(102)、所述第二模式转换器(103)、所述第三模式转换器(105)以及所述第四模式转换器(106)采用的模式转换器均包括：第一输入单模波导(201)、输入s型波导(202)、单模拉锥耦合波导(203)、输出s波导(204)、输出单模波导(205)、第二输入单模波导(206)、多模拉锥波导(207)、多模拉锥耦合波导(208)以及多模输出波导(209)；所述第一输入单模波导(201)对应所述模式转换器的a端口，所述多模输出波导(209)对应所述模式转换器的b端口，所述第二输入单模波导(206)对应所述模式转换器的c端口，所述输出单模波导(205)对应所述模式转换器的d端口。7.如权利要求1所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述波导结构的加工材料平台包括硅基平台。8.如权利要求1所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述第一模式转换器(102)、所述第二模式转换器(103)、所述第三模式转换器(105)以及所述第四模式转换器(106)采用相同的模式转换器的结构分层，由下至上依次包括：硅衬底层(305)、二氧化硅衬底层(304)、硅波导层以及二氧化硅上包层(301)。9.如权利要求8所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述硅波导层包括：脊形波导中心区域(302)、脊型波导脊区域(303)、p型重掺杂区域(306)以及n型重掺杂区域(307)，所述二氧化硅上包层(301)上设置有第一电极(308)和第二电极(309)，所述脊形波导中心区域(302)两侧的p型重掺杂区域(306)、n型重掺杂区域(307)分别通过电走线与所述第一电极(308)、所述第二电极(309)连接形成回路。10.如权利要求9所述的片上非线性放大增益波导结构，其特征在于，所述脊形波导中心区域(302)的宽度为2000nm，高度为150nm，所述脊型波导脊区域(303)的高度为70nm。

技术总结
本发明提供了一种片上非线性放大增益波导结构，包括依次连接的：输入波导、第一模式转换器、第二模式转换器、非线性波导、第三模式转换器以及第四模式转换器，第一信号光自输入波导输入至第四模式转换器，通过第四模式转换器转模输出为第二信号光，第二信号光自第四模式转换器输入至第一模式转换器，通过第二模式转换器转模输出为第三信号光，第三信号光自第二模式转换器输入至第三模式转换器，通过第三模式转换器转模输出至输出波导。本发明通过采用由多个模式转换器件构成的模式循环型非线性增益放大波导结构，提高了片上波导的空间利用率，增大了光场与波导的作用长度，从而在单位面积上提升非线性效应的产生效率，实现了放大增益的效果。增益的效果。增益的效果。


技术研发人员：杜江兵 王兆年 何祖源
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/21