硅線波導(dǎo)中非線性光控光特性研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的分立光電光處理技術(shù)相比,光子集成芯片降低了網(wǎng)絡(luò)成本和復(fù)雜性,被認(rèn)為是滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求的最有前途的技術(shù)。SOI(Silicon-on-insulator)作為一種新型的硅基光電子材料,它與現(xiàn)有硅基大規(guī)模集成電路工藝完全兼容,從而成為硅光子學(xué)的重點(diǎn)研究內(nèi)容。其中,硅線波導(dǎo)作為光子集成芯片的重要元件之一,其亞微米尺寸結(jié)構(gòu)對光場有較強(qiáng)的限制能力,能夠?qū)崿F(xiàn)非線性光子信息處理功能。本論文依托國家973項(xiàng)目“超快非線性光控光機(jī)理及全光

2、2R/3R再生集成芯片研究”,開展硅線波導(dǎo)中四波混頻效應(yīng)的理論研究,主要工作內(nèi)容如下:
　　1.采用四階龍格-庫塔法計(jì)算了硅線波導(dǎo)中導(dǎo)波光的四波混頻耦合模方程,分析了單模傳輸條件下硅線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散特性和光吸收損耗(線性傳輸損耗、雙光子吸收、載流子吸收)對簡并四波混頻閑頻光功率的影響,它們分別與總相位失配因子的線性和非線性項(xiàng)相關(guān)。計(jì)算表明,增加硅線波導(dǎo)寬度或減小高度會(huì)使色散曲線下移;對于傳輸損耗較大的硅線波導(dǎo),增加泵浦功率或減小波

3、導(dǎo)長度有利于獲得優(yōu)化的輸出閑頻光功率;雙光子吸收和自由載流子吸收效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致泵浦光功率衰減,從而改變非線性相位失配因子大小和四波混頻效率。綜合考慮上述因素,選擇硅線波導(dǎo)的寬高尺寸分別為500 nm和250 nm,并采用FDTD方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,其模式分布和色散曲線與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致。
　　2.計(jì)算了矩形截面硅線波導(dǎo)中數(shù)據(jù)泵浦四波混頻的功率轉(zhuǎn)移函數(shù)(PTF)的特性,分析了它的飽和點(diǎn)、傳號(Mark)閾值點(diǎn)、空號(Space)閾值點(diǎn)等

4、特性。計(jì)算表明,對于本文的參數(shù)取值情形(硅線波導(dǎo)長度1.2~2.0 cm、輔助光波長1500~1580 nm、線性傳輸損耗0.5~4 dB/cm),基于硅線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的2R再生器可提供約4.5 dB的消光比提升效果,其中有效載流子壽命應(yīng)大于2.5 ns。
　　3.研究了硅線波導(dǎo)中非簡并四波混頻參量放大過程的相敏特性。根據(jù)輸入-輸出相位轉(zhuǎn)移曲線,定義了能夠定量評價(jià)相位壓縮性能的參數(shù),包括輸入-輸出相位抖動(dòng)容限和相位壓縮效率,可用于分析