硅基微腔绝热转换机理与器件研究

发布时间：2020-05-28 19:24

【摘要】：现代社会微电子器件的集成度越来越高,但对数据传输速率和带宽的的需求也越来越高,传统的电子器件已经达到了传输极限。硅基光电子器件具有传输带宽大、速率快、抗电磁干扰、与CMOS兼容、制作成本低等优点,在光通信、光存储等许多重要领域都广泛应用,成为下一代信息技术的重要基石。其中结构简单、功能多样的微腔成为了硅基光电子器件的重要基础器件。利用硅基微腔进行绝热波长转换是近来的一个研究热点,它通过在小于光子寿命的时间内动态地改变微腔的某些性质,使限制在腔内的光子频率偏移到新频率即可以动态转换光频,可用于波分复用等。基于耦合微腔并超快动态调节微腔性质,可使群速度减小甚至为零,实现光被限制于微腔内,可用于延时、缓存和存储。这种方法打破了光子结构中时延和带宽之间的平衡,可较大地延长存储时间,不失为实现光存储的好方法。本论文对硅基微腔的绝热转换机理与器件进行了深入研究,研究了上下话路型单环谐振器和类行波F-P谐振腔中的绝热波长转换。提出了一种基于双波导耦合双环(2R2B)的光存储结构,通过对微环的绝热调控,可快速改变系统控制Q值,从而实现光的存储与释放。主要研究内容如下:(1)采用FDTD仿真并分析了微环谐振器和类行波F-P谐振腔内的绝热波长转换过程,验证了微腔绝热波长转换与折射率改变速率无关,而波长转换量(35)?与折射率改变量(35)n成正比,以及波长转换效率的影响因素。此波长转换主要依靠改变微环折射率来进行,且折射率的改变需要空间均匀性,非均匀改变会引起环内非绝热波长转换,产生多个波长。(2)基于传输矩阵法和时域耦合模理论建立了单环谐振器和2R2B结构的理论模型,然后采用Matlab进行计算并分析了单环和2R2B结构的输出与谐振波长、振幅透射比和双环半径之比的关系,确定双环的参数以及初始状态时能够引起双环共振的波长,计算了该结构时域光场的动态变化。然后,采用FDTD对2R2B结构进行了数值仿真,在弱耦合时得到类电磁感应透明谐振峰谱,并理论上证实了通过快速调控与波导耦合微环的折射率,可有效地控制耦合微环系统的Q值变化,从而实现光信号的动态存储与释放。(3)采用电子束曝光与感应耦合等离子体刻蚀等工艺,制备出了硅基单个微环谐振器和类行波F-P谐振腔,对两种器件进行了频域谱测试,其传输特性与理论仿真基本吻合,Q值超过7000。同时,制备出基于低Q环(半径~28μm)和高Q环(半径~21μm)耦合的2R2B结构器件,调节双环之间的耦合间距获得了较理想的类电磁感应透明谐振峰,并证实当调节一个微腔的谐振峰后,耦合系统的Q值发生了明显的改变(由10204变为19132),因而通过绝热调控将可以实现光信号的动态存储与释放。
【图文】：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文它可以用于光通信的很多方面例如波分复用。利用绝热转换还可以压缩系统带宽从而实现系统慢光/光存储。系统带宽可随时间发生变化，当光在系统内时减小系统带宽可使系统内的光谱压缩，甚至可将光的群速度减小为零，且整个过程是绝热的，所以系统的带宽恢复后群速度也恢复，系统内的光无损耗地恢复正常传输。如图 1-1(b所示为其原理示意图。绝热转换的实现方式多样如通过电光效应、全光效应等。且与一般动态调节系统的性质相比，绝热转换发生需要满足条件：(1) 调节系统性质的时间小于系统的光子寿命；(2)系统的调节需保持空间均匀性。(a)(b)

全光光开关[57]。这对控制微环内的光提供了一个优良的方法即通过外加泵浦来改变微环的折射率，为实现光存储也提供了可能。结构示意图如图 1-5 所示。图 1-5 全光光开关示意图以及其信号光时域输出谱[57]2006 年，Q. Xu 和 S. Sandhu 等人在硅基上做出了应用类 EIT 效应的并联微环耦合谐振器，微环直径仅为 10um，通过调整微环之间的间距首次验证了尺寸极小的微环器件也能产生类 EIT 效应[58]，为实际利用微环器件实现全光慢光/光存储提供了可能性。器件结构图如图 1-6 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN403

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本文编号：2685711