光纤波导也好,硅波导,或者其他波导也好,在功率密度很大时会产生非线性效应
非线性效应与功率密度相关,也就是功率P与光场有效面积Aeff的比,相关。
由于硅波导的Aeff有效面积约为0.1平方微米,而氮化硅波导尺寸大一些,光纤的波导尺寸更大一些,所以在同样功率下,这些波导的非线性效应就没有那么明显。
硅波导的非线性效应,可以利用这个特点来实现一些功能,比如多波长激光器,光频梳,双光子吸收的纯硅探测器等等。
但如果不需要这个功能,就需要想办法缓解非线性带来的损耗问题。现在的CW激光器光源,大多数是50mW(17dBm),70mW(18dBm),100mW(20dBm)....,甚至更大的功率。
在P增大,硅波导有效面积十分小的前提下,由此产生的损耗则越来越不可忽略。
两种缓解:
一是采用脊型型波导,尽量避免条型波导
之前谷歌有个对比曲线,可以参考
二,采用氮化硅做大功率边缘耦合,氮化硅的折射率小,Aeff增大,非线性效应降低。
之前写过GlobFoundries的一个数据对比,(与上个曲线不同的是)这个损耗包括了耦合损耗以及内部的测试波导损耗,能明显看出硅的非线性效应导致的吸收损耗随功率增大而增大的指数曲线。
三,采用2x1、2x2等MMI结构,降低功率密度
比如旭创2022年的MMI结构的氮化硅波导,实际的非线性效应会更低
四,采用悬空氧化硅做波导,光场更大,非线性效应更低
最大模场有效面积(或者波导直径),可缓解大功率CW光源耦合进入硅光时的非线性效应引起的吸收损耗。