基于硅基集成波导的前向受激布里渊效应研究

摘要

随着大数据、云计算和物联网等信息技术的发展，人们对高速网络数据的传输、处理以及存储有着越来越高的需求。光互连作为一种新兴的数据互连方式，它具有大带宽，高传输速率和低功耗的优点，可以很好地解决传统电互连传输带宽小、时延大、功耗高以及串扰大等缺点，具有很大的发展潜力。硅基集成光子器件是实现光互连技术的关键器件，其制作工艺能够与现有的成熟互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺相兼容，而且具有集成度高、成本低廉、功耗低等诸多优点，可广泛用于片上光通信、高速光互连、光学生物传感以及微波光子学等多个领域。 硅基集成光子器件在光通信波段可以实现近乎透明的信号传输，而且其高折射率使得器件的尺寸得到极大的缩小。这不仅能够产生强烈的光场限制，而且也极大的增强了波导内的光能量密度，从而激发起丰富非线性光学效应，可以被用来构建多种不同用途的集成光子器件。受激布里渊散射（SBS）是最常见的非线性光学效应之一，在光学传感、微波光子学、全光信号处理等领域具有广泛的应用，因此一个可集成的片上SBS器件在未来的信息系统中将发挥重要的作用。在国家自然科学基金项目的资助下，本论文优化设计了几种硅基波导器件，并对其中的前向受激布里渊散射（FSBS）效应进行了一系列的理论分析、仿真模拟以及实验研究，取得的主要研究成果有以下几个方面： （1）分析了FSBS效应的基本原理，声光相互作用过程中的耦合波方程以及前向和后向布里渊效应相位匹配条件的区别。利用电致伸缩张量和麦克斯韦张量分析了电致伸缩力和辐射压力的物理机制，并且在同时考虑这两种力的情况下研究了FSBS增益系数的全矢量理论模型，其可以同时适用于微米尺寸和纳米尺寸光波导的FSBS增益系数计算，具有广泛的适用性。 （2）提出一种蜂巢晶系的声光子晶体波导实现慢光增强的FSBS效应。这种波导是由光学和声学材料性质不同的介质在空间上周期排列形成，可以同时支持光子和声子带隙。通过在晶体波导中引入线缺陷，不仅可以产生慢光增强效应，而且相应的光场和声场被限制在线缺陷中，这可以有效的加强声光耦合作用，从而进一步激发模内和模间的FSBS。最后在考虑声光子晶体波导中的慢光增强效应和非线性光损耗的情况下，利用声光耦合方程组数值计算了布里渊过程中的能量变化过程，最佳长度以及Stokes光放大情况。仿真结果显示在100mW的泵浦功率下，可以在较短长度（200μm）的波导内实现较大的Stokes光放大（18dB）。 （3）提出一种声光混合波导实现FSBS效应。通过在氮化硅（Si3N4）声子晶体波导中引入矩型硅（Si）波导的线缺陷，实现了声场和光场的同时控制。通过对比三种不同晶系的声子晶体波导以及其相关结构参数对声场特性的影响，从而给出了最佳的晶格种类以及结构参数，以获得增强的声光相互作用。在实验中，利用CMOS兼容的工艺制作了声光混合波导，测量的布里渊频移高达2.425GHz，相应声场模式的Q因子为1100。声光混合波导的声场和光场性质可以分别通过改变Si3N4声子晶体波导和Si波导的结构进行独立的调控，这种特性有望用于实现多种集成声光器件。 （4）提出一种跑道型微环实现谐振加强的FSBS效应。跑道微环完全由标准的220nm SOI基片制作，Si与二氧化硅（SiO2）之间的高折射率差使得Si跑道微环对光场有强烈的限制作用。同时微环底部的SiO2基底被部分腐蚀，从而形成了一种部分悬空结构，使得声场能够被限制在跑道微环中，实现加强的声光相互作用。实验中，8mW的注入泵浦功率产生了2.5dB的布里渊放大。同时还实验分析了不同波导宽度对布里渊频移的影响，结果表明通过改变波导宽度可以方便的调谐布里渊频移。这种部分悬空的微环波导器件具有布里渊阈值低，集成度高，尺寸小，制作工艺简单的优点。 （5）提出一种矩型螺旋微环谐振腔并实现前向的级联布里渊激光（CBL）。通过部分悬空螺旋微环，声场和光场得到了很好的限制，从而增强了声光相互作用。同时精确的设计螺旋微环的自由频谱范围（FSR），使其等于布里渊频移一半，以获得布里渊激光震荡。而且螺旋结构使得0.6368cm长的谐振腔尺寸只有250×330μm2。在实验中，制作的螺旋微环被集成在光纤环路中，不仅可以作为谐振加强单元用于产生布里渊散射的初始泵浦激光，而且还可以提供布里渊增益以激发布里渊激光。最后测得了4个反斯托克斯（anti-Stokes）激光线和3个斯托克斯（Stokes）激光线，布里渊频移约为12.0463GHz。该方案为在硅基光子芯片上实现CBL提供了一种新的途径。

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