硅线波导中非线性光控光特性研究

发布时间：2018-12-14 11:52

【摘要】：与传统的分立光电光处理技术相比,光子集成芯片降低了网络成本和复杂性,被认为是满足未来通信网络发展需求的最有前途的技术。SOI(Silicon-on-insulator)作为一种新型的硅基光电子材料,它与现有硅基大规模集成电路工艺完全兼容,从而成为硅光子学的重点研究内容。其中,硅线波导作为光子集成芯片的重要元件之一,其亚微米尺寸结构对光场有较强的限制能力,能够实现非线性光子信息处理功能。本论文依托国家973项目“超快非线性光控光机理及全光2R/3R再生集成芯片研究”,开展硅线波导中四波混频效应的理论研究,主要工作内容如下:1.采用四阶龙格-库塔法计算了硅线波导中导波光的四波混频耦合模方程,分析了单模传输条件下硅线波导结构的色散特性和光吸收损耗(线性传输损耗、双光子吸收、载流子吸收)对简并四波混频闲频光功率的影响,它们分别与总相位失配因子的线性和非线性项相关。计算表明,增加硅线波导宽度或减小高度会使色散曲线下移;对于传输损耗较大的硅线波导,增加泵浦功率或减小波导长度有利于获得优化的输出闲频光功率;双光子吸收和自由载流子吸收效应会导致泵浦光功率衰减,从而改变非线性相位失配因子大小和四波混频效率。综合考虑上述因素,选择硅线波导的宽高尺寸分别为500 nm和250 nm,并采用FDTD方法进行了仿真验证,其模式分布和色散曲线与数值计算结果一致。2.计算了矩形截面硅线波导中数据泵浦四波混频的功率转移函数(PTF)的特性,分析了它的饱和点、传号(Mark)阈值点、空号(Space)阈值点等特性。计算表明,对于本文的参数取值情形(硅线波导长度1.2~2.0 cm、辅助光波长1500~1580 nm、线性传输损耗0.5~4 dB/cm),基于硅线波导结构的2R再生器可提供约4.5 dB的消光比提升效果,其中有效载流子寿命应大于2.5 ns。3.研究了硅线波导中非简并四波混频参量放大过程的相敏特性。根据输入-输出相位转移曲线,定义了能够定量评价相位压缩性能的参数,包括输入-输出相位抖动容限和相位压缩效率,可用于分析传号,空号等多个相位状态的压缩性能。讨论了泵浦光功率、信号光-闲频光功率比、信号光波长、波导长度和损耗等参数对相位压缩性能的影响。计算表明,当泵浦光功率为700 mw、信号光-闲频光功率比为6 dB时,可得到优化的相位再生效果,可为下一步开展相关实验研究提供理论指导。
[Abstract]:Compared with the traditional discrete optoelectronic optical processing technology, the photonic integrated chip reduces the cost and complexity of the network. As a new type of silicon-based optoelectronic material,. SOI (Silicon-on-insulator is considered to be the most promising technology to meet the needs of future communication network development. It is fully compatible with the existing silicon-based VLSI technology. Therefore, it has become the focus of the study of silicon photonics. Silicon wire waveguide is one of the important components of photonic integrated chip. Its submicron structure has a strong limiting ability to the light field and can realize the nonlinear photon information processing function. In this paper, based on the national 973 project "Ultra-fast nonlinear Optical Control Mechanism and All-optical 2R/3R Regeneration Integrated Chip", the theoretical study of four-wave mixing effect in silicon waveguide is carried out. The main work is as follows: 1. The fourth order Runge-Kutta method is used to calculate the four wave mixing coupling mode equation of guided wave in silicon wire waveguide. The dispersion characteristics and optical absorption loss (linear transmission loss, two photon absorption) of silicon wire waveguide structure under single mode propagation are analyzed. The influence of carrier absorption on the optical power of degenerate four-wave mixing is related to the linear and nonlinear terms of the total phase mismatch factor, respectively. The calculation results show that increasing the width or decreasing the height of the silicon wire waveguide will cause the dispersion curve to move downwards, and for the silicon wire waveguide with high transmission loss, increasing the pump power or decreasing the waveguide length will help to obtain the optimized output idling frequency optical power. The effects of two-photon absorption and free carrier absorption will lead to the attenuation of pump power, thus changing the nonlinear phase mismatch factor and the four-wave mixing efficiency. Considering the above factors, the width and height of silicon wire waveguide are chosen to be 500 nm and 250 nm, respectively, and the simulation results are verified by FDTD method. The mode distribution and dispersion curve are in agreement with the numerical results. 2. The characteristics of the power transfer function (PTF) of the data pumped four-wave mixing in a rectangular silicon-wire waveguide are calculated, and its saturation point, sign-passing (Mark) threshold point and space-sign (Space) threshold point are analyzed. The calculation results show that for the case of the parameter obtained in this paper, the linear transmission loss of 1. 2 ~ 2 ~ 2. 0 cm, auxiliary optical wave length of 1 500 ~ 1 580 nm, is 0.5 ~ 4 dB/cm. The 2R regenerator based on silicon-wire waveguide structure can provide an extinction ratio of about 4.5 dB, in which the effective carrier lifetime should be more than 2.5 ns.3.. The phase sensitivity characteristics of non degenerate four wave mixing parametric amplification process in silicon wire waveguide are studied. According to the input-output phase transfer curve, the parameters which can quantitatively evaluate the phase compression performance are defined, including the input-output phase jitter tolerance and phase compression efficiency, which can be used to analyze the compression performance of multiple phase states, such as signal transmission and null number. The effects of pump power, signal optical to idler power ratio, signal optical wavelength, waveguide length and loss on the phase compression performance are discussed. The results show that when the pump power is 700 mw, the optimal phase regeneration effect can be obtained when the ratio of optical to idling power is 6 dB, which can provide theoretical guidance for the related experimental research in the next step.
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN814

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本文编号：2378566