硅基波導具有導光能力強、器件尺寸小、制備工藝成熟、成本低廉、與互補金屬氧化物半導體技術高度兼容等優(yōu)點;基于硅基波導設計的各種光子器件是集成光路重要組成部分,可在硅基芯片上實現(xiàn)光學信號處理、光學邏輯門、全光通信等功能。特殊地,硅基波導具有高非線性系數(shù)和可控色散特性,可作為四波混頻效應非線性介質(zhì)實現(xiàn)各種非線性光學功能。其中,基于受激四波混頻效應的非線性波長轉換/多點廣播是密集波分復用系統(tǒng)的關鍵技術;基于自發(fā)四波混頻效應的相關光子對光源是量子光學系統(tǒng)的核心器件;兩者結合可滿足高維度量子密鑰分配系統(tǒng)的應用需求,是高安全性、高穩(wěn)定性芯片集成量子通信系統(tǒng)的研究重點。本論文主要針對硅基波導四波混頻效應及應用展開全面深入的理論研究和實驗研究,系統(tǒng)地分析了色散/非線性系數(shù)對四波混頻效應的影響、四波混頻效應的精準建模、實現(xiàn)寬帶四波混頻效應的技術方案、相關光子對光源的噪聲抑制、相關光子對重復頻率/光譜亮度的提升等五個關鍵問題。論文首先介紹了集成光路的研究意義,論述了硅基波導基本結構和制備方法,分析了四波混頻效應基本原理和關鍵參數(shù),重點回顧了四波混頻效應經(jīng)典光學領域應用(非線性波長轉換/多點廣播)和量子光學領域應用(相關光子對光源)的研究進展,論證了硅基波導實現(xiàn)四波混頻效應應用的優(yōu)勢。首次建立了硅基波導全矢量非線性傳輸模型,并通過非線性波長轉換實驗驗證了理論模型的準確性;建立了多泵浦四波混頻效應全矢量耦合波方程,并通過非線性多點廣播實驗驗證了理論模型的準確性。研究結果表明,現(xiàn)階段普遍采用的標量近似模型會造成硅基波導非線性系數(shù)的錯誤估計;通過全矢量模型修正有效模場面積定義可保證硅基波導四波混頻效應理論研究的準確性。針對寬帶非線性波長轉換/多點廣播應用需求,理論研究了條形硅基波導橫截面幾何尺寸/折射率分布對色散特性的影響;制備了三氧化二鋁鍍層-二氧化硅包層條形硅基波導樣品、二氧化硅包層縱向雙狹縫條形硅基波導樣品;通過非線性波長轉換實驗驗證了上述波導結構實現(xiàn)通信波段光譜平坦近零反常色散的可行性。研究結果表明,通過優(yōu)化條形硅基波導橫截面結構,不僅能增加經(jīng)典光通信信號和量子密鑰非線性波長轉換的工作帶寬,還能拓寬連續(xù)光泵浦相關光子對光源的調(diào)諧范圍。分析了基于硅基波導自發(fā)四波混頻效應的相關光子對光源噪聲來源/抑制方法,提出了利用光子晶體光柵耦合器抑制硅基波導自發(fā)拉曼散射噪聲的技術方案;實驗搭建了連續(xù)光/脈沖光泵浦條形硅基波導時域隨機/時域可辨相關光子對光源,實現(xiàn)目前相關研究領域同步-偽同步比最高紀錄673/1220;實驗測量了預報二階相關系數(shù)并定標了相關光子對光源單光子度特性。研究結果表明,通過帶通濾波器抑制噪聲可實現(xiàn)高同步-偽同步比相關光子對輸出;硅基波導非線性損耗和探測器飽和是制約相關光子對光源輸出重復頻率提升的主要原因;窄帶濾波無法提高相關光子對光源輸出光譜亮度。利用硅基微環(huán)腔窄帶濾波和非線性增強特性,搭建了高光譜亮度連續(xù)相關光子對光源;實驗驗證了硅基微環(huán)腔非經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象;提出了主動制冷溫差補償實現(xiàn)硅基微環(huán)腔諧振波長鎖定的技術方案;提出了提高微環(huán)腔相關光子對光源重復頻率和光譜亮度的品質(zhì)因數(shù)優(yōu)化準則;制備與國際通信協(xié)議頻率間隔標準相匹配的硅基微環(huán)腔樣品并實現(xiàn)了多通道相關光子對輸出;比較了聯(lián)合光譜強度和非預報二階相關系數(shù)的頻域相關態(tài)純度定標結果。研究結果表明,主動制冷溫差補償法可以保證硅基微環(huán)腔相關光子對光源長時間穩(wěn)定工作;提高內(nèi)品質(zhì)因數(shù)、設計最優(yōu)外品質(zhì)因數(shù)是提高微環(huán)腔相關光子對光源重復頻率和光譜亮度的有效方法;連續(xù)光泵浦硅基微環(huán)腔自發(fā)四波混頻效應可以實現(xiàn)相關光子對光學頻率梳輸出。
【學位單位】：國防科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN252
【部分圖文】：

絕緣層提供相對折射率差，頂硅層根據(jù)實際需求, 標準厚度包括 220 nm, 250 nm,340 nm等。如圖1.1所示，典型硅基波導上表面和側表面覆蓋空氣，折射率為 1，下表面接觸二氧化硅絕緣層，折射率約為 1.45。硅芯和包層折射率差 n 一般大于2，確保亞微米量級硅基波導仍具有對光場的強限制能力。同時，硅基波導矩形橫截面決定了較強的雙折射特性，并可根據(jù)電場分量的分布特征，將導模分為橫電第 2 頁

(Bragg Scattering, BS) 兩種情況[17]。調(diào)制不穩(wěn)定性效應 (如圖1.3所示)，通常指單一頻率泵浦光場和信號光場同時輸入非線性介質(zhì) (高非線性光纖或硅基波導) 所引起的四波混頻效應。泵浦光場功率遠大于信號光場功率，泵浦光場能量轉移到信號光場，信號光場獲得參量增益，這一特性常被用作光學參量放大[18]。另一方面，調(diào)制不穩(wěn)定性效應還可以從真空噪聲中誘導產(chǎn)生穩(wěn)定的閑頻光場輸出。在泵浦光場為連續(xù) (Continuous-wave, CW) 的情況下，經(jīng)過調(diào)制編碼的信號光場，其時間特性會復制到閑頻光場，這一過程通常稱為非線性波長轉換[19]，實現(xiàn)通信信號波長通道的切換

石英光纖高五個數(shù)量級，因此，片上集成硅基波導作為四波混頻非線性介質(zhì)比石英光纖更具優(yōu)勢。此外，為保證四波混頻效應有效進行，通常會對硅基波導進行設計優(yōu)化，具體流程如圖1.4所示。通過有限元差分法 (Finite-difference Mode,FDM)[23], 對給定結構參數(shù)和折射率分布的波導進行仿真計算，獲得有效折射率和橫向電磁場分量；通過有效折射率計算波導色散系數(shù)，對波導進行色散管理并提供優(yōu)化參考依據(jù)；通過模場分布計算波導有效模場面積，對波導進行非線性系數(shù)管理并提供優(yōu)化參考依據(jù)。上述流程主要針對四波混頻效應兩個關鍵因素：色散第 6 頁

本文編號：2823353