基于硅基表面等離子體波導(dǎo)的光學(xué)非線性增強(qiáng).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(tái)，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(wèn)題。其次，硅擁有中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，不支持二階非線性效應(yīng)，同時(shí)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(hào)處理中的多樣性和處理速度。
　　由于可以把光場(chǎng)限制在突破

2、衍射極限的亞波長(zhǎng)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(gè)挑戰(zhàn)的優(yōu)良候選，同時(shí)在 Plasmonics結(jié)構(gòu)中存在的強(qiáng)局域場(chǎng)增強(qiáng)可以增強(qiáng)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(duì)于第二個(gè)挑戰(zhàn)，硅基有機(jī)物混合集成受到了越來(lái)越多的關(guān)注，把高非線性和沒(méi)有載流子效應(yīng)的的有機(jī)聚合物材料集成到硅基光子學(xué)平臺(tái)上作為有源材料，可以進(jìn)一步提高非線性器件的效率。
　　在本論文中，我們同時(shí)把表面等離子體激元

3、和有機(jī)物非線性材料集成到硅基光子學(xué)平臺(tái)上，構(gòu)成硅基表面等離子體有機(jī)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(shì)，可以在短距離內(nèi)和低泵浦功率下實(shí)現(xiàn)高效的光學(xué)非線性過(guò)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?jī)?nèi)容如下：
　?。?）提出并詳細(xì)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(lái)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(qiáng)的二次諧波（SHG）效應(yīng)，理論上預(yù)測(cè)的歸一化SHG效率高達(dá)105 W-1cm-2，比以前報(bào)道的結(jié)果高出了四個(gè)數(shù)量級(jí)。然后通過(guò)在 PSW的兩邊施加一個(gè)控制電壓，進(jìn)一步研究了 SHG過(guò)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(gè)強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)入波導(dǎo)中時(shí)，通過(guò)OR效應(yīng)可以在波導(dǎo)兩

5、側(cè)的電極之間產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，電信號(hào)的頻率正好是輸入光信號(hào)的調(diào)制頻率，且產(chǎn)生電信號(hào)的大小與光載波波長(zhǎng)的相關(guān)性很小，有望應(yīng)用于高速寬帶的光探測(cè)和光解調(diào)。
　?。?）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(duì)于100 mW的泵浦功率和120μm的波導(dǎo)長(zhǎng)度，二次諧波效率可以達(dá)到8.8％。然后利用微環(huán)諧振器的諧振增強(qiáng)，把效率進(jìn)一步了提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，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(zhǎng)轉(zhuǎn)換。此外，我們還