基于硅基光子晶體的光學雙穩(wěn)態(tài)研究.pdf

1、光子技術以光子作為信息載體傳輸高速數(shù)據(jù)信號，具有可傳輸數(shù)據(jù)容量大的特點，在高速信息傳輸以及信息容量提升方面扮演著重要作用。采用硅基光子器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子線路，是實現(xiàn)硅基器件集成是目前研究的趨勢，因為全光操作減少了信號傳輸過程中節(jié)點處光電轉(zhuǎn)換或電光轉(zhuǎn)換處的功耗。利用光學非線性效應是實現(xiàn)全光操作的有效途徑，而光學雙穩(wěn)態(tài)存在邏輯態(tài)的變化是實現(xiàn)全光邏輯操作、全光信號處理的重要特質(zhì)。硅基集成器件也在往集成度更高的方向快速發(fā)展，光子晶體（簡稱PHC

2、）的特殊能帶結(jié)構特性使其能在微納尺度上調(diào)控光子，為高集成度的微納光子器件提供了便利。光子晶體微腔(簡稱PHCC)能夠?qū)⒐庾酉拗圃讵M小的區(qū)域，使光與物質(zhì)的相互作用變強，增強光學非線性效應，從而可以降低光學雙穩(wěn)態(tài)的閾值功率。本論文對PHCC以及以其為基礎的光學雙穩(wěn)態(tài)器件做了一系列研究。
　　本文的研究成果可以歸結(jié)為以下幾個方面：
　?。?）通過優(yōu)化PHCC周圍空氣孔的移動量，增強PHCC的光場限制作用，并優(yōu)化出高品質(zhì)因子（Q）的

3、L3腔以及H0腔。同時，進行了硅基PHC器件工藝制備上的摸索并制備出Q值為42360的非對稱耦合L3腔以及Q值為105000的側(cè)向耦合的H0腔；
　?。?）在直接耦合的L3腔上實現(xiàn)了低閾值36.3μW、高開關對比度15dB的光學雙穩(wěn)態(tài)，觀察到了在輸入功率不斷上升的情況下傳輸譜線從洛倫茲線型逐漸變化成三角線型的過程，同時也看到了輸出光功率隨輸入光功率變化的磁滯回線。還觀察到了強光入射下的飽和吸收現(xiàn)象，結(jié)合物理機制分析了微腔中的非線性

4、效應，通過耦合模理論計算的結(jié)果與實驗結(jié)果一致。
　　（3）在Q值為105000的側(cè)向耦合的H0腔上實現(xiàn)了超低閾值7.8μW的雙穩(wěn)態(tài)，同時也觀察了波長紅移以及輸出功率隨輸入功率變化的磁滯回線。
　?。?）設計并制作了非對稱耦合的L3腔-波導結(jié)構，通過單步曝光、刻蝕工藝首次在單腔上實現(xiàn)了光學非互易傳輸，免去了級聯(lián)微腔需要對準諧振波長的問題。在極低的輸入功率76μW下獲得了21dB非互易傳輸比（NTR），并在通信波段實現(xiàn)了280p

5、m的工作帶寬。還在實驗上首次證明了這種基于非線性效應的非互易傳輸并不是真正的隔離器，受制于其動態(tài)互易性。
　　本文創(chuàng)新點主要有以下幾點：
　?。?）在L3腔上實現(xiàn)了大開關對比度的光學雙穩(wěn)態(tài)，觀察到腔中的飽和吸收；
　?。?）在高Q的H0腔上實現(xiàn)了閾值極低的光學雙穩(wěn)態(tài)；
　?。?）自主設計了一種非對稱耦合的L3腔-波導結(jié)構，首次利用單腔結(jié)構實現(xiàn)了光學非互易傳輸；
　?。?）首次在實驗上證明了基于非線性效應的非