基于硅基光子晶體的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)研究.pdf

1、光子技術(shù)以光子作為信息載體傳輸高速數(shù)據(jù)信號(hào)，具有可傳輸數(shù)據(jù)容量大的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)硅基器件集成是目前研究的趨勢(shì)，因?yàn)槿獠僮鳒p少了信號(hào)傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)處光電轉(zhuǎn)換或電光轉(zhuǎn)換處的功耗。利用光學(xué)非線性效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)全光操作的有效途徑，而光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)存在邏輯態(tài)的變化是實(shí)現(xiàn)全光邏輯操作、全光信號(hào)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(jiǎn)稱PHC

2、）的特殊能帶結(jié)構(gòu)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(jiǎn)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(qiáng)，增強(qiáng)光學(xué)非線性效應(yīng)，從而可以降低光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的閾值功率。本論文對(duì)PHCC以及以其為基礎(chǔ)的光學(xué)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(gè)方面：
　　（1）通過(guò)優(yōu)化PHCC周圍空氣孔的移動(dòng)量，增強(qiáng)PHCC的光場(chǎng)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(shí)，進(jìn)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(duì)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(shí)現(xiàn)了低閾值36.3μW、高開(kāi)關(guān)對(duì)比度15dB的光學(xué)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(guò)程，同時(shí)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(qiáng)光入射下的飽和吸收現(xiàn)象，結(jié)合物理機(jī)制分析了微腔中的非線性

4、效應(yīng)，通過(guò)耦合模理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
　?。?）在Q值為105000的側(cè)向耦合的H0腔上實(shí)現(xiàn)了超低閾值7.8μW的雙穩(wěn)態(tài)，同時(shí)也觀察了波長(zhǎng)紅移以及輸出功率隨輸入功率變化的磁滯回線。
　?。?）設(shè)計(jì)并制作了非對(duì)稱耦合的L3腔-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)單步曝光、刻蝕工藝首次在單腔上實(shí)現(xiàn)了光學(xué)非互易傳輸，免去了級(jí)聯(lián)微腔需要對(duì)準(zhǔn)諧振波長(zhǎng)的問(wèn)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(shí)現(xiàn)了280p

5、m的工作帶寬。還在實(shí)驗(yàn)上首次證明了這種基于非線性效應(yīng)的非互易傳輸并不是真正的隔離器，受制于其動(dòng)態(tài)互易性。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：
　?。?）在L3腔上實(shí)現(xiàn)了大開(kāi)關(guān)對(duì)比度的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，觀察到腔中的飽和吸收；
　?。?）在高Q的H0腔上實(shí)現(xiàn)了閾值極低的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)；
　?。?）自主設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱耦合的L3腔-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，首次利用單腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)非互易傳輸；
　　（4）首次在實(shí)驗(yàn)上證明了基于非線性效應(yīng)的非