波导尺寸对硅波导拉曼增益的影响

摘 要： 本文研究在脉冲条件下，硅波导的尺寸对于硅波导拉曼增益的影响。硅的非线性拉曼效应可被用于制作放大器，波长转换器，激光器等光器件。通过研究波导尺寸对硅波导拉曼增益的影响有利于进一步提高硅基光器件的性能，为硅光子集成电路发展打下基础。

关键词：波导尺寸 拉曼效应 硅

Abstract： In this paper ，the size of the silicon waveguide effect on the Raman gain of the silicon waveguide was studied under the condition of the pulse. The nonlinear Raman effect of the silicon can be used to make amplifier， wavelength converters， laser optical device and so on. So a research on the issue has the advantage to improve the performance of silicon-based optical devices as well as to lay the foundation for the integrated circuits on silicon photonic.

Key words： size of waveguide， Raman effect，Silicon

中图分类号：TN256 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）04-0328-02

一、引言

随着硅的光学特性的研究的深入，硅的非线性特性及其成熟的制作工艺使得硅在光学应用上得到快速发展[1]。硅的特有属性使得人们可以在同一个芯片上制作电子器件和光学器件，从而制成有特殊光电性能的光电集成电路[2]。硅的光器件的发展有助于推动光子集成电路的发展。目前利用硅的非线性拉曼效应制作了放大器，波长转换器，激光器等光器件[3]。在拉曼放大器的性能中，增益是其关键。本文主要从理论和实验中对硅波导尺寸对硅基拉曼放大器增益的影响进行研究分析。

二、脉冲下的拉曼增益理论分析

由此可得在脉冲源和信号源确定的情况下，拉曼增益系数是一个常数。

1.参数推导过程

三、实验设置及实验结果

本次仿真使用的硅材料模型参数如上表所述，泵浦光的波长为1450nm，信号光的波长为1570nm。波导的结构采用线性波导，波导宽度和高度的取值范围在100到1000nm之间，波导长度为3mm。实验设置了四个观测点放置在0mm，1mm，2m，3mm处。通过观测观测点的数据来分析实验是否按照原先设定的的方法运行，各个观测点的能量如图1所示：

由图1可以得出泵浦光在传播过程中确实有对信号光进行泵浦的作用。在一个泵浦能量的传输情况如图1所示，为了寻求最适合的泵浦能量值接下来的实验中采用了不同的泵浦能量对信号进行泵浦。通过实验得到的数据以及对数据进行整理后得到如图2所示：

通过图2我们可以了解到当泵浦能量超过一定值的时候泵浦作用并没有增加，相反的泵浦效率反而下降。所以通过选取一个处在较大放大区域的值的时候有利于提高泵浦效率。在选取一定的泵浦值之后通过改变波导的宽度和高度对实验进行仿真。得到仿真数据后通过计算波导的有效模场面积和增益值，整理可得波导有效模场面积与增益的关系如图3所示：

由图3可以看出，当其他参量不变的时候，波导有效模场面积越大增益越小。通过优化波导尺寸有助于得到一个比较理想的增益值，这也就是本文研究的意义之所在。

四、结论

本文通过建立硅波导在脉冲条件下的仿真模型，并且推导出模型下的硅材料的各项仿真参数。在通过验证模型的可行性后改变波导的尺寸并进行仿真，得到了脉冲条件下波导尺寸和拉曼增益的关系。

参考文献

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