【摘要】：與傳統(tǒng)的分立光電光處理技術(shù)相比,光子集成芯片降低了網(wǎng)絡成本和復雜性,被認為是滿足未來通信網(wǎng)絡發(fā)展需求的最有前途的技術(shù)。SOI(Silicon-on-insulator)作為一種新型的硅基光電子材料,它與現(xiàn)有硅基大規(guī)模集成電路工藝完全兼容,從而成為硅光子學的重點研究內(nèi)容。其中,硅線波導作為光子集成芯片的重要元件之一,其亞微米尺寸結(jié)構(gòu)對光場有較強的限制能力,能夠?qū)崿F(xiàn)非線性光子信息處理功能。本論文依托國家973項目“超快非線性光控光機理及全光2R/3R再生集成芯片研究”,開展硅線波導中四波混頻效應的理論研究,主要工作內(nèi)容如下:1.采用四階龍格-庫塔法計算了硅線波導中導波光的四波混頻耦合模方程,分析了單模傳輸條件下硅線波導結(jié)構(gòu)的色散特性和光吸收損耗(線性傳輸損耗、雙光子吸收、載流子吸收)對簡并四波混頻閑頻光功率的影響,它們分別與總相位失配因子的線性和非線性項相關(guān)。計算表明,增加硅線波導寬度或減小高度會使色散曲線下移;對于傳輸損耗較大的硅線波導,增加泵浦功率或減小波導長度有利于獲得優(yōu)化的輸出閑頻光功率;雙光子吸收和自由載流子吸收效應會導致泵浦光功率衰減,從而改變非線性相位失配因子大小和四波混頻效率。綜合考慮上述因素,選擇硅線波導的寬高尺寸分別為500 nm和250 nm,并采用FDTD方法進行了仿真驗證,其模式分布和色散曲線與數(shù)值計算結(jié)果一致。2.計算了矩形截面硅線波導中數(shù)據(jù)泵浦四波混頻的功率轉(zhuǎn)移函數(shù)(PTF)的特性,分析了它的飽和點、傳號(Mark)閾值點、空號(Space)閾值點等特性。計算表明,對于本文的參數(shù)取值情形(硅線波導長度1.2~2.0 cm、輔助光波長1500~1580 nm、線性傳輸損耗0.5~4 dB/cm),基于硅線波導結(jié)構(gòu)的2R再生器可提供約4.5 dB的消光比提升效果,其中有效載流子壽命應大于2.5 ns。3.研究了硅線波導中非簡并四波混頻參量放大過程的相敏特性。根據(jù)輸入-輸出相位轉(zhuǎn)移曲線,定義了能夠定量評價相位壓縮性能的參數(shù),包括輸入-輸出相位抖動容限和相位壓縮效率,可用于分析傳號,空號等多個相位狀態(tài)的壓縮性能。討論了泵浦光功率、信號光-閑頻光功率比、信號光波長、波導長度和損耗等參數(shù)對相位壓縮性能的影響。計算表明,當泵浦光功率為700 mw、信號光-閑頻光功率比為6 dB時,可得到優(yōu)化的相位再生效果,可為下一步開展相關(guān)實驗研究提供理論指導。
[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.
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN814

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本文編號：2378566