基于硅基光子晶体的光学双稳态研究

摘要

光子技术以光子作为信息载体传输高速数据信号，具有可传输数据容量大的特点，在高速信息传输以及信息容量提升方面扮演着重要作用。采用硅基光子器件代替传统的电子线路，是实现硅基器件集成是目前研究的趋势，因为全光操作减少了信号传输过程中节点处光电转换或电光转换处的功耗。利用光学非线性效应是实现全光操作的有效途径，而光学双稳态存在逻辑态的变化是实现全光逻辑操作、全光信号处理的重要特质。硅基集成器件也在往集成度更高的方向快速发展，光子晶体（简称PHC）的特殊能带结构特性使其能在微纳尺度上调控光子，为高集成度的微纳光子器件提供了便利。光子晶体微腔(简称PHCC)能够将光子限制在狭小的区域，使光与物质的相互作用变强，增强光学非线性效应，从而可以降低光学双稳态的阈值功率。本论文对PHCC以及以其为基础的光学双稳态器件做了一系列研究。
　　本文的研究成果可以归结为以下几个方面：
　　（1）通过优化PHCC周围空气孔的移动量，增强PHCC的光场限制作用，并优化出高品质因子（Q）的L3腔以及H0腔。同时，进行了硅基PHC器件工艺制备上的摸索并制备出Q值为42360的非对称耦合L3腔以及Q值为105000的侧向耦合的H0腔；
　　（2）在直接耦合的L3腔上实现了低阈值36.3μW、高开关对比度15dB的光学双稳态，观察到了在输入功率不断上升的情况下传输谱线从洛伦兹线型逐渐变化成三角线型的过程，同时也看到了输出光功率随输入光功率变化的磁滞回线。还观察到了强光入射下的饱和吸收现象，结合物理机制分析了微腔中的非线性效应，通过耦合模理论计算的结果与实验结果一致。
　　（3）在Q值为105000的侧向耦合的H0腔上实现了超低阈值7.8μW的双稳态，同时也观察了波长红移以及输出功率随输入功率变化的磁滞回线。
　　（4）设计并制作了非对称耦合的L3腔-波导结构，通过单步曝光、刻蚀工艺首次在单腔上实现了光学非互易传输，免去了级联微腔需要对准谐振波长的问题。在极低的输入功率76μW下获得了21dB非互易传输比（NTR），并在通信波段实现了280pm的工作带宽。还在实验上首次证明了这种基于非线性效应的非互易传输并不是真正的隔离器，受制于其动态互易性。
　　本文创新点主要有以下几点：
　　（1）在L3腔上实现了大开关对比度的光学双稳态，观察到腔中的饱和吸收；
　　（2）在高Q的H0腔上实现了阈值极低的光学双稳态；
　　（3）自主设计了一种非对称耦合的L3腔-波导结构，首次利用单腔结构实现了光学非互易传输；
　　（4）首次在实验上证明了基于非线性效应的非互易传输并不是真正的隔离器，受制于其动态互易性。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 光学双稳态研究意义及其发展

1.3 本论文的主要内容及创新点

2 光子晶体微腔的基础理论

2.1 光子晶体简介

2.2 光子晶体微腔的主要参数

2.3 光子晶体微腔与波导耦合的耦合模理论

2.4 光子晶体在光学双稳器件中的应用

2.5 本章小结

3 高Q光子晶体微腔的设计、制备及测试

3.1 高Q光子晶体L3腔的设计

3.2 高Q光子晶体H0腔的设计

3.3 高Q光子晶体微腔的制备

3.4 硅基光子晶体器件的测试

3.5 ICP刻蚀条件的摸索

3.6 本章小结

4 低阈值的光学双稳态器件

4.1 L3腔中低阈值功率、高开关对比度的光学双稳态

4.2 H0腔中超低阈值的非线性响应

4.3 基于非对称耦合L3腔-波导的光学非互易传输

5 总结

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录