硅基波导四波混频效应及应用研究
发布时间：2020-09-21 09:46
硅基波导具有导光能力强、器件尺寸小、制备工艺成熟、成本低廉、与互补金属氧化物半导体技术高度兼容等优点;基于硅基波导设计的各种光子器件是集成光路重要组成部分,可在硅基芯片上实现光学信号处理、光学逻辑门、全光通信等功能。特殊地,硅基波导具有高非线性系数和可控色散特性,可作为四波混频效应非线性介质实现各种非线性光学功能。其中,基于受激四波混频效应的非线性波长转换/多点广播是密集波分复用系统的关键技术;基于自发四波混频效应的相关光子对光源是量子光学系统的核心器件;两者结合可满足高维度量子密钥分配系统的应用需求,是高安全性、高稳定性芯片集成量子通信系统的研究重点。本论文主要针对硅基波导四波混频效应及应用展开全面深入的理论研究和实验研究,系统地分析了色散/非线性系数对四波混频效应的影响、四波混频效应的精准建模、实现宽带四波混频效应的技术方案、相关光子对光源的噪声抑制、相关光子对重复频率/光谱亮度的提升等五个关键问题。论文首先介绍了集成光路的研究意义,论述了硅基波导基本结构和制备方法,分析了四波混频效应基本原理和关键参数,重点回顾了四波混频效应经典光学领域应用(非线性波长转换/多点广播)和量子光学领域应用(相关光子对光源)的研究进展,论证了硅基波导实现四波混频效应应用的优势。首次建立了硅基波导全矢量非线性传输模型,并通过非线性波长转换实验验证了理论模型的准确性;建立了多泵浦四波混频效应全矢量耦合波方程,并通过非线性多点广播实验验证了理论模型的准确性。研究结果表明,现阶段普遍采用的标量近似模型会造成硅基波导非线性系数的错误估计;通过全矢量模型修正有效模场面积定义可保证硅基波导四波混频效应理论研究的准确性。针对宽带非线性波长转换/多点广播应用需求,理论研究了条形硅基波导横截面几何尺寸/折射率分布对色散特性的影响;制备了三氧化二铝镀层-二氧化硅包层条形硅基波导样品、二氧化硅包层纵向双狭缝条形硅基波导样品;通过非线性波长转换实验验证了上述波导结构实现通信波段光谱平坦近零反常色散的可行性。研究结果表明,通过优化条形硅基波导横截面结构,不仅能增加经典光通信信号和量子密钥非线性波长转换的工作带宽,还能拓宽连续光泵浦相关光子对光源的调谐范围。分析了基于硅基波导自发四波混频效应的相关光子对光源噪声来源/抑制方法,提出了利用光子晶体光栅耦合器抑制硅基波导自发拉曼散射噪声的技术方案;实验搭建了连续光/脉冲光泵浦条形硅基波导时域随机/时域可辨相关光子对光源,实现目前相关研究领域同步-伪同步比最高纪录673/1220;实验测量了预报二阶相关系数并定标了相关光子对光源单光子度特性。研究结果表明,通过带通滤波器抑制噪声可实现高同步-伪同步比相关光子对输出;硅基波导非线性损耗和探测器饱和是制约相关光子对光源输出重复频率提升的主要原因;窄带滤波无法提高相关光子对光源输出光谱亮度。利用硅基微环腔窄带滤波和非线性增强特性,搭建了高光谱亮度连续相关光子对光源;实验验证了硅基微环腔非经典双稳态现象;提出了主动制冷温差补偿实现硅基微环腔谐振波长锁定的技术方案;提出了提高微环腔相关光子对光源重复频率和光谱亮度的品质因数优化准则;制备与国际通信协议频率间隔标准相匹配的硅基微环腔样品并实现了多通道相关光子对输出;比较了联合光谱强度和非预报二阶相关系数的频域相关态纯度定标结果。研究结果表明,主动制冷温差补偿法可以保证硅基微环腔相关光子对光源长时间稳定工作;提高内品质因数、设计最优外品质因数是提高微环腔相关光子对光源重复频率和光谱亮度的有效方法;连续光泵浦硅基微环腔自发四波混频效应可以实现相关光子对光学频率梳输出。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN252
【部分图文】：
绝缘层提供相对折射率差，顶硅层根据实际需求, 标准厚度包括 220 nm, 250 nm,340 nm等。如图1.1所示，典型硅基波导上表面和侧表面覆盖空气，折射率为 1，下表面接触二氧化硅绝缘层，折射率约为 1.45。硅芯和包层折射率差 n 一般大于2，确保亚微米量级硅基波导仍具有对光场的强限制能力。同时，硅基波导矩形横截面决定了较强的双折射特性，并可根据电场分量的分布特征，将导模分为横电第 2 页
(Bragg Scattering, BS) 两种情况[17]。调制不稳定性效应 (如图1.3所示)，通常指单一频率泵浦光场和信号光场同时输入非线性介质 (高非线性光纤或硅基波导) 所引起的四波混频效应。泵浦光场功率远大于信号光场功率，泵浦光场能量转移到信号光场，信号光场获得参量增益，这一特性常被用作光学参量放大[18]。另一方面，调制不稳定性效应还可以从真空噪声中诱导产生稳定的闲频光场输出。在泵浦光场为连续 (Continuous-wave, CW) 的情况下，经过调制编码的信号光场，其时间特性会复制到闲频光场，这一过程通常称为非线性波长转换[19]，实现通信信号波长通道的切换
石英光纤高五个数量级，因此，片上集成硅基波导作为四波混频非线性介质比石英光纤更具优势。此外，为保证四波混频效应有效进行，通常会对硅基波导进行设计优化，具体流程如图1.4所示。通过有限元差分法 (Finite-difference Mode,FDM)[23], 对给定结构参数和折射率分布的波导进行仿真计算，获得有效折射率和横向电磁场分量；通过有效折射率计算波导色散系数，对波导进行色散管理并提供优化参考依据；通过模场分布计算波导有效模场面积，对波导进行非线性系数管理并提供优化参考依据。上述流程主要针对四波混频效应两个关键因素：色散第 6 页
本文编号：2823353
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN252
【部分图文】：
绝缘层提供相对折射率差，顶硅层根据实际需求, 标准厚度包括 220 nm, 250 nm,340 nm等。如图1.1所示，典型硅基波导上表面和侧表面覆盖空气，折射率为 1，下表面接触二氧化硅绝缘层，折射率约为 1.45。硅芯和包层折射率差 n 一般大于2，确保亚微米量级硅基波导仍具有对光场的强限制能力。同时，硅基波导矩形横截面决定了较强的双折射特性，并可根据电场分量的分布特征，将导模分为横电第 2 页
(Bragg Scattering, BS) 两种情况[17]。调制不稳定性效应 (如图1.3所示)，通常指单一频率泵浦光场和信号光场同时输入非线性介质 (高非线性光纤或硅基波导) 所引起的四波混频效应。泵浦光场功率远大于信号光场功率，泵浦光场能量转移到信号光场，信号光场获得参量增益，这一特性常被用作光学参量放大[18]。另一方面，调制不稳定性效应还可以从真空噪声中诱导产生稳定的闲频光场输出。在泵浦光场为连续 (Continuous-wave, CW) 的情况下，经过调制编码的信号光场，其时间特性会复制到闲频光场，这一过程通常称为非线性波长转换[19]，实现通信信号波长通道的切换
石英光纤高五个数量级，因此，片上集成硅基波导作为四波混频非线性介质比石英光纤更具优势。此外，为保证四波混频效应有效进行，通常会对硅基波导进行设计优化，具体流程如图1.4所示。通过有限元差分法 (Finite-difference Mode,FDM)[23], 对给定结构参数和折射率分布的波导进行仿真计算，获得有效折射率和横向电磁场分量；通过有效折射率计算波导色散系数，对波导进行色散管理并提供优化参考依据；通过模场分布计算波导有效模场面积，对波导进行非线性系数管理并提供优化参考依据。上述流程主要针对四波混频效应两个关键因素：色散第 6 页
本文编号：2823353
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2823353.html
