【摘要】：現(xiàn)代社會微電子器件的集成度越來越高,但對數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬的的需求也越來越高,傳統(tǒng)的電子器件已經(jīng)達到了傳輸極限。硅基光電子器件具有傳輸帶寬大、速率快、抗電磁干擾、與CMOS兼容、制作成本低等優(yōu)點,在光通信、光存儲等許多重要領域都廣泛應用,成為下一代信息技術的重要基石。其中結構簡單、功能多樣的微腔成為了硅基光電子器件的重要基礎器件。利用硅基微腔進行絕熱波長轉換是近來的一個研究熱點,它通過在小于光子壽命的時間內(nèi)動態(tài)地改變微腔的某些性質,使限制在腔內(nèi)的光子頻率偏移到新頻率即可以動態(tài)轉換光頻,可用于波分復用等�；隈詈衔⑶徊⒊靹討B(tài)調節(jié)微腔性質,可使群速度減小甚至為零,實現(xiàn)光被限制于微腔內(nèi),可用于延時、緩存和存儲。這種方法打破了光子結構中時延和帶寬之間的平衡,可較大地延長存儲時間,不失為實現(xiàn)光存儲的好方法。本論文對硅基微腔的絕熱轉換機理與器件進行了深入研究,研究了上下話路型單環(huán)諧振器和類行波F-P諧振腔中的絕熱波長轉換。提出了一種基于雙波導耦合雙環(huán)(2R2B)的光存儲結構,通過對微環(huán)的絕熱調控,可快速改變系統(tǒng)控制Q值,從而實現(xiàn)光的存儲與釋放。主要研究內(nèi)容如下:(1)采用FDTD仿真并分析了微環(huán)諧振器和類行波F-P諧振腔內(nèi)的絕熱波長轉換過程,驗證了微腔絕熱波長轉換與折射率改變速率無關,而波長轉換量(35)?與折射率改變量(35)n成正比,以及波長轉換效率的影響因素。此波長轉換主要依靠改變微環(huán)折射率來進行,且折射率的改變需要空間均勻性,非均勻改變會引起環(huán)內(nèi)非絕熱波長轉換,產(chǎn)生多個波長。(2)基于傳輸矩陣法和時域耦合模理論建立了單環(huán)諧振器和2R2B結構的理論模型,然后采用Matlab進行計算并分析了單環(huán)和2R2B結構的輸出與諧振波長、振幅透射比和雙環(huán)半徑之比的關系,確定雙環(huán)的參數(shù)以及初始狀態(tài)時能夠引起雙環(huán)共振的波長,計算了該結構時域光場的動態(tài)變化。然后,采用FDTD對2R2B結構進行了數(shù)值仿真,在弱耦合時得到類電磁感應透明諧振峰譜,并理論上證實了通過快速調控與波導耦合微環(huán)的折射率,可有效地控制耦合微環(huán)系統(tǒng)的Q值變化,從而實現(xiàn)光信號的動態(tài)存儲與釋放。(3)采用電子束曝光與感應耦合等離子體刻蝕等工藝,制備出了硅基單個微環(huán)諧振器和類行波F-P諧振腔,對兩種器件進行了頻域譜測試,其傳輸特性與理論仿真基本吻合,Q值超過7000。同時,制備出基于低Q環(huán)(半徑~28μm)和高Q環(huán)(半徑~21μm)耦合的2R2B結構器件,調節(jié)雙環(huán)之間的耦合間距獲得了較理想的類電磁感應透明諧振峰,并證實當調節(jié)一個微腔的諧振峰后,耦合系統(tǒng)的Q值發(fā)生了明顯的改變(由10204變?yōu)?9132),因而通過絕熱調控將可以實現(xiàn)光信號的動態(tài)存儲與釋放。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文它可以用于光通信的很多方面例如波分復用。利用絕熱轉換還可以壓縮系統(tǒng)帶寬從而實現(xiàn)系統(tǒng)慢光/光存儲。系統(tǒng)帶寬可隨時間發(fā)生變化，當光在系統(tǒng)內(nèi)時減小系統(tǒng)帶寬可使系統(tǒng)內(nèi)的光譜壓縮，甚至可將光的群速度減小為零，且整個過程是絕熱的，所以系統(tǒng)的帶寬恢復后群速度也恢復，系統(tǒng)內(nèi)的光無損耗地恢復正常傳輸。如圖 1-1(b所示為其原理示意圖。絕熱轉換的實現(xiàn)方式多樣如通過電光效應、全光效應等。且與一般動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)的性質相比，絕熱轉換發(fā)生需要滿足條件：(1) 調節(jié)系統(tǒng)性質的時間小于系統(tǒng)的光子壽命；(2)系統(tǒng)的調節(jié)需保持空間均勻性。(a)(b)

全光光開關[57]。這對控制微環(huán)內(nèi)的光提供了一個優(yōu)良的方法即通過外加泵浦來改變微環(huán)的折射率，為實現(xiàn)光存儲也提供了可能。結構示意圖如圖 1-5 所示。圖 1-5 全光光開關示意圖以及其信號光時域輸出譜[57]2006 年，Q. Xu 和 S. Sandhu 等人在硅基上做出了應用類 EIT 效應的并聯(lián)微環(huán)耦合諧振器，微環(huán)直徑僅為 10um，通過調整微環(huán)之間的間距首次驗證了尺寸極小的微環(huán)器件也能產(chǎn)生類 EIT 效應[58]，為實際利用微環(huán)器件實現(xiàn)全光慢光/光存儲提供了可能性。器件結構圖如圖 1-6 所示。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN403

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