基于硅基表面等離子體波導(dǎo)的光學(xué)非線性增強.pdf

1、硅基光子學(xué)是目前最有潛力去解決集成電子學(xué)鏈路遇到的固有帶寬和功率密度瓶頸的平臺，是集成光子學(xué)領(lǐng)域最熱門的研究方向之一。但硅基光子學(xué)的持續(xù)發(fā)展也碰到一些困難和挑戰(zhàn)。首先，光學(xué)器件的尺寸始終受到衍射極限的限制，在光電混合集成中與小尺寸的電子學(xué)器件間存在尺寸失配的問題。其次，硅擁有中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)，不支持二階非線性效應(yīng)，同時硅里面還存在載流子效應(yīng)，這些因素限制了硅在非線性光學(xué)信號處理中的多樣性和處理速度。
　　由于可以把光場限制在突破

2、衍射極限的亞波長區(qū)域內(nèi)，表面等離子體光子學(xué)（Plasmonics）器件成為了解決第一個挑戰(zhàn)的優(yōu)良候選，同時在 Plasmonics結(jié)構(gòu)中存在的強局域場增強可以增強光與物質(zhì)的相互作用，從而可以提高非線性效應(yīng)的效率和降低功耗。對于第二個挑戰(zhàn)，硅基有機物混合集成受到了越來越多的關(guān)注，把高非線性和沒有載流子效應(yīng)的的有機聚合物材料集成到硅基光子學(xué)平臺上作為有源材料，可以進一步提高非線性器件的效率。
　　在本論文中，我們同時把表面等離子體激元

3、和有機物非線性材料集成到硅基光子學(xué)平臺上，構(gòu)成硅基表面等離子體有機物結(jié)構(gòu)，并研究了這種混合結(jié)構(gòu)的非線性特性。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了三者的優(yōu)勢，可以在短距離內(nèi)和低泵浦功率下實現(xiàn)高效的光學(xué)非線性過程，在非線性集成光子學(xué)中有很大的應(yīng)用前景。本論文的研究主要集中在表面等離子體狹縫波導(dǎo)（PSW）和混合表面等離子體波導(dǎo)（HPW）這兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，具體研究內(nèi)容如下：
　?。?）提出并詳細推導(dǎo)了一種全矢量的適用于損耗波導(dǎo)的非線性耦合波方程，并用它來分析硅

4、基表面等離子體波導(dǎo)中的各種非線性效應(yīng)。
　　（2）在 PSW中，論文首先研究了增強的二次諧波（SHG）效應(yīng)，理論上預(yù)測的歸一化SHG效率高達105 W-1cm-2，比以前報道的結(jié)果高出了四個數(shù)量級。然后通過在 PSW的兩邊施加一個控制電壓，進一步研究了 SHG過程的電控特性，這種電控SHG效應(yīng)可以應(yīng)用于新型的高速電光調(diào)制器。此外還研究了PSW中的非線性光整流（OR）效應(yīng)，當(dāng)一個強度調(diào)制的光信號進入波導(dǎo)中時，通過OR效應(yīng)可以在波導(dǎo)兩

5、側(cè)的電極之間產(chǎn)生一個電信號，電信號的頻率正好是輸入光信號的調(diào)制頻率，且產(chǎn)生電信號的大小與光載波波長的相關(guān)性很小，有望應(yīng)用于高速寬帶的光探測和光解調(diào)。
　　（3）在HPW中，我們同樣研究了高效率的從中紅外到近紅外的SHG轉(zhuǎn)換，對于100 mW的泵浦功率和120μm的波導(dǎo)長度，二次諧波效率可以達到8.8％。然后利用微環(huán)諧振器的諧振增強，把效率進一步了提高兩個數(shù)量級，這種結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于中紅外和近紅外之間高效率的片上波長轉(zhuǎn)換。此外，我們還