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硅基光子晶体微腔的高性能光开关研究

【摘要】:随着全球数据流量的“爆炸式”增长,对目前光通信网络节点的处理能力也提出了更高的要求。传统的基于电信号处理的方式由于需要频繁的光/电和电/光转换而消耗大量的能量,并且存在转换效率较低和速率受限的问题。全光信号处理技术因直接在光域上进行信号处理而能够避免上述转换过程,成为解决以上问题的首选。光开关作为全光信号处理技术的基本单元,在光通信网络节点的信息处理上具有重要应用价值。此外,光开关还是实现光子计算机和量子计算机的基石,它的性能往往决定了整个系统性能的上限。因此,实现具有高速率、低功耗、高对比度、小尺寸等特性的高性能光开关至关重要。根据开关功能的不同,光开关可以分为时域全光开关和空域光开关两大类,前者是对光在时域上的“通/断”状态进行控制,控制信号是光,一般需要基于非线性效应才能实现;后者是对光在空间上的传输路径进行切换,其控制信号既可以是光,也可以是电、热、声、磁、机械等,但目前最常用的是基于电、热和机械。这两类光开关在性能要求上基本一致,不同的是前者对开关速率有更高的要求,通常要求开关时间在纳秒以下,而后者主要侧重于对光信号在不同路径之间的快速切换。目前,能够实现这两类光开关的平台有许多,例如,二氧化硅、磷化铟、硅,而硅基光子集成平台由于具有与CMOS工艺兼容、尺寸小、损耗低等优势成为实现集成光开关的首选。在众多硅基光子集成器件中,硅基光子晶体微腔由于具有品质因子高和模式体积小的优异特性,成为实现高性能光开关的最佳选择之一。本论文中,我们主要围绕如何利用硅基光子晶体微腔来实现具有高速率、低功耗、高对比度、小尺寸等特性的高性能光开关,具体研究成果概括如下:(1)总结了硅基光子晶体微腔中的非线性效应,并推导了腔与波导耦合系统的传递函数,建立了可用于描述硅基光子晶体微腔的开关动态特性的非线性时域耦合模理论模型,此外,还详细介绍了硅基一维、二维光子晶体微腔的制作工艺流程和测试方法,为实现硅基光子晶体微腔的高性能光开关奠定了理论和实验基础。(2)设计并制作了基于硅光子晶体微腔的多通道全光开关,利用微腔中的自由载流子效应实现了2.5G/s的信号提取和信号阻断的功能,提出了利用蓝移失谐滤波技术来改善器件的开关动态特性的方法,并从理论和实验上都验证了该方法的可行性,利用此方法将信号处理速率提升到了10Gb/s。(3)在工作(2)的基础上,为了进一步提升全光开关的性能,设计并制作了一种基于Fano谐振的全光开关,相比于基于洛伦兹谐振的全光开关,其具有更低的开关功耗、更高的开关对比度和更高的开关速率。(4)针对工作(2)和(3)中的开关速率仍受限于硅中自由载流子寿命的问题,提出了一种利用高非线性聚合物材料中的克尔效应来实现高速率全光开关的方案,仿真结果显示,该方案实现了高速率(40Gb/s)、低功耗(83fJ/bit)、高对比度(18dB)和小尺寸(15μm)的硅基集成全光开关。(5)提出了一种利用硅基级联光子晶体L3腔来增强四波混频效应的方案,理论仿真发现相邻模式之间的频率间隔不相同,这不利于提高四波混频转换效率,但通过调节中间腔的结构使其初始谐振频率产生预失谐,实现了频率间隔几乎相同的三腔耦合系统,最后利用优化后的器件在实验上实现了转换效率为-37dB的四波混频效应。(6)提出了一种基于石墨烯热电极的高性能光子晶体热光开关,通过采用基于悬空-脊波导的结构设计和Fano传输线型来减短开关时间,仿真结果显示,该方案可实现139ns/178ns的开关上升/下降时间、3nm/mW的调谐效率、17dB的开关对比度,并且整个器件也非常紧凑。

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