發(fā)布時(shí)間：2018-01-17 17:11

  本文關(guān)鍵詞：基于硅基表面等離子體波導(dǎo)的光學(xué)非線(xiàn)性增強(qiáng)　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：硅基光子學(xué)是目前最有潛力去解決集成電子學(xué)鏈路遇到的固有帶寬和功率密度瓶頸的平臺(tái),是集成光子學(xué)領(lǐng)域最熱門(mén)的研究方向之一。但硅基光子學(xué)的持續(xù)發(fā)展也碰到一些困難和挑戰(zhàn)。首先,光學(xué)器件的尺寸始終受到衍射極限的限制,在光電混合集成中與小尺寸的電子學(xué)器件間存在尺寸失配的問(wèn)題。其次,硅擁有中心對(duì)稱(chēng)的晶體結(jié)構(gòu),不支持二階非線(xiàn)性效應(yīng),同時(shí)硅里面還存在載流子效應(yīng),這些因素限制了硅在非線(xiàn)性光學(xué)信號(hào)處理中的多樣性和處理速度。由于可以把光場(chǎng)限制在突破衍射極限的亞波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi),表面等離子體光子學(xué)(Plasmonics)器件成為了解決第一個(gè)挑戰(zhàn)的優(yōu)良候選,同時(shí)在Plasmonics結(jié)構(gòu)中存在的強(qiáng)局域場(chǎng)增強(qiáng)可以增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用,從而可以提高非線(xiàn)性效應(yīng)的效率和降低功耗。對(duì)于第二個(gè)挑戰(zhàn),硅基有機(jī)物混合集成受到了越來(lái)越多的關(guān)注,把高非線(xiàn)性和沒(méi)有載流子效應(yīng)的的有機(jī)聚合物材料集成到硅基光子學(xué)平臺(tái)上作為有源材料,可以進(jìn)一步提高非線(xiàn)性器件的效率。在本論文中,我們同時(shí)把表面等離子體激元和有機(jī)物非線(xiàn)性材料集成到硅基光子學(xué)平臺(tái)上,構(gòu)成硅基表面等離子體有機(jī)物結(jié)構(gòu),并研究了這種混合結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性特性。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了三者的優(yōu)勢(shì),可以在短距離內(nèi)和低泵浦功率下實(shí)現(xiàn)高效的光學(xué)非線(xiàn)性過(guò)程,在非線(xiàn)性集成光子學(xué)中有很大的應(yīng)用前景。本論文的研究主要集中在表面等離子體狹縫波導(dǎo)(PSW)和混合表面等離子體波導(dǎo)(HPW)這兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上,具體研究?jī)?nèi)容如下：(1)提出并詳細(xì)推導(dǎo)了一種全矢量的適用于損耗波導(dǎo)的非線(xiàn)性耦合波方程,并用它來(lái)分析硅基表面等離子體波導(dǎo)中的各種非線(xiàn)性效應(yīng)。(2)在PSW中,論文首先研究了增強(qiáng)的二次諧波(SHG)效應(yīng),理論上預(yù)測(cè)的歸一化SHG效率高達(dá)105 W-1cm-2,比以前報(bào)道的結(jié)果高出了四個(gè)數(shù)量級(jí)。然后通過(guò)在PSW的兩邊施加一個(gè)控制電壓,進(jìn)一步研究了SHG過(guò)程的電控特性,這種電控SHG效應(yīng)可以應(yīng)用于新型的高速電光調(diào)制器。此外還研究了PSW中的非線(xiàn)性光整流(OR)效應(yīng),當(dāng)一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)入波導(dǎo)中時(shí),通過(guò)OR效應(yīng)可以在波導(dǎo)兩側(cè)的電極之間產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào),電信號(hào)的頻率正好是輸入光信號(hào)的調(diào)制頻率,且產(chǎn)生電信號(hào)的大小與光載波波長(zhǎng)的相關(guān)性很小,有望應(yīng)用于高速寬帶的光探測(cè)和光解調(diào)。(3)在HPW中,我們同樣研究了高效率的從中紅外到近紅外的SHG轉(zhuǎn)換,對(duì)于100 mW的泵浦功率和120 μm的波導(dǎo)長(zhǎng)度,二次諧波效率可以達(dá)到8.8%。然后利用微環(huán)諧振器的諧振增強(qiáng),把效率進(jìn)一步了提高兩個(gè)數(shù)量級(jí),這種結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于中紅外和近紅外之間高效率的片上波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。此外,我們還研究了對(duì)稱(chēng)HPW中的高效光參量放大過(guò)程,并基于這種相敏放大過(guò)程實(shí)現(xiàn)了相移鍵控信號(hào)的相位再生。(4)最后本論文還在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了PSW以驗(yàn)證OR效應(yīng),目前取得了一些初步成果,比如在超凈間里制作了低損耗高質(zhì)量的線(xiàn)性波導(dǎo),PSW的測(cè)試損耗與理論損耗值很接近,然后成功把二階非線(xiàn)性聚合物材料均勻懸涂到片子上,現(xiàn)在正在測(cè)試波導(dǎo)的非線(xiàn)性特性。
[Abstract]:Silicon - based photonic technology is one of the most promising applications to solve the inherent bandwidth and power density bottleneck encountered in the integration of electronic links , which is one of the most popular research directions in the field of integrated photonics . ( 3 ) In HPW , we also studied the high efficiency SHG conversion from infrared to near infrared . For 100 mW pumped power and 120 渭m waveguide length , the second harmonic efficiency can be up to 8 . 8 % .

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN252

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