硅基波導(dǎo)具有導(dǎo)光能力強(qiáng)、器件尺寸小、制備工藝成熟、成本低廉、與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)高度兼容等優(yōu)點(diǎn);基于硅基波導(dǎo)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)處理、光學(xué)邏輯門(mén)、全光通信等功能。特殊地,硅基波導(dǎo)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(yīng)非線性介質(zhì)實(shí)現(xiàn)各種非線性光學(xué)功能。其中,基于受激四波混頻效應(yīng)的非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換/多點(diǎn)廣播是密集波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù);基于自發(fā)四波混頻效應(yīng)的相關(guān)光子對(duì)光源是量子光學(xué)系統(tǒng)的核心器件;兩者結(jié)合可滿足高維度量子密鑰分配系統(tǒng)的應(yīng)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(diǎn)。本論文主要針對(duì)硅基波導(dǎo)四波混頻效應(yīng)及應(yīng)用展開(kāi)全面深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究,系統(tǒng)地分析了色散/非線性系數(shù)對(duì)四波混頻效應(yīng)的影響、四波混頻效應(yīng)的精準(zhǔn)建模、實(shí)現(xiàn)寬帶四波混頻效應(yīng)的技術(shù)方案、相關(guān)光子對(duì)光源的噪聲抑制、相關(guān)光子對(duì)重復(fù)頻率/光譜亮度的提升等五個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。論文首先介紹了集成光路的研究意義,論述了硅基波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)和制備方法,分析了四波混頻效應(yīng)基本原理和關(guān)鍵參數(shù),重點(diǎn)回顧了四波混頻效應(yīng)經(jīng)典光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用(非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換/多點(diǎn)廣播)和量子光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用(相關(guān)光子對(duì)光源)的研究進(jìn)展,論證了硅基波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)四波混頻效應(yīng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。首次建立了硅基波導(dǎo)全矢量非線性傳輸模型,并通過(guò)非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性;建立了多泵浦四波混頻效應(yīng)全矢量耦合波方程,并通過(guò)非線性多點(diǎn)廣播實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明,現(xiàn)階段普遍采用的標(biāo)量近似模型會(huì)造成硅基波導(dǎo)非線性系數(shù)的錯(cuò)誤估計(jì);通過(guò)全矢量模型修正有效模場(chǎng)面積定義可保證硅基波導(dǎo)四波混頻效應(yīng)理論研究的準(zhǔn)確性。針對(duì)寬帶非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換/多點(diǎn)廣播應(yīng)用需求,理論研究了條形硅基波導(dǎo)橫截面幾何尺寸/折射率分布對(duì)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(dǎo)樣品、二氧化硅包層縱向雙狹縫條形硅基波導(dǎo)樣品;通過(guò)非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)通信波段光譜平坦近零反常色散的可行性。研究結(jié)果表明,通過(guò)優(yōu)化條形硅基波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu),不僅能增加經(jīng)典光通信信號(hào)和量子密鑰非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的工作帶寬,還能拓寬連續(xù)光泵浦相關(guān)光子對(duì)光源的調(diào)諧范圍。分析了基于硅基波導(dǎo)自發(fā)四波混頻效應(yīng)的相關(guān)光子對(duì)光源噪聲來(lái)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(dǎo)自發(fā)拉曼散射噪聲的技術(shù)方案;實(shí)驗(yàn)搭建了連續(xù)光/脈沖光泵浦條形硅基波導(dǎo)時(shí)域隨機(jī)/時(shí)域可辨相關(guān)光子對(duì)光源,實(shí)現(xiàn)目前相關(guān)研究領(lǐng)域同步-偽同步比最高紀(jì)錄673/1220;實(shí)驗(yàn)測(cè)量了預(yù)報(bào)二階相關(guān)系數(shù)并定標(biāo)了相關(guān)光子對(duì)光源單光子度特性。研究結(jié)果表明,通過(guò)帶通濾波器抑制噪聲可實(shí)現(xiàn)高同步-偽同步比相關(guān)光子對(duì)輸出;硅基波導(dǎo)非線性損耗和探測(cè)器飽和是制約相關(guān)光子對(duì)光源輸出重復(fù)頻率提升的主要原因;窄帶濾波無(wú)法提高相關(guān)光子對(duì)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(qiáng)特性,搭建了高光譜亮度連續(xù)相關(guān)光子對(duì)光源;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)制冷溫差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)硅基微環(huán)腔諧振波長(zhǎng)鎖定的技術(shù)方案;提出了提高微環(huán)腔相關(guān)光子對(duì)光源重復(fù)頻率和光譜亮度的品質(zhì)因數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則;制備與國(guó)際通信協(xié)議頻率間隔標(biāo)準(zhǔn)相匹配的硅基微環(huán)腔樣品并實(shí)現(xiàn)了多通道相關(guān)光子對(duì)輸出;比較了聯(lián)合光譜強(qiáng)度和非預(yù)報(bào)二階相關(guān)系數(shù)的頻域相關(guān)態(tài)純度定標(biāo)結(jié)果。研究結(jié)果表明,主動(dòng)制冷溫差補(bǔ)償法可以保證硅基微環(huán)腔相關(guān)光子對(duì)光源長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作;提高內(nèi)品質(zhì)因數(shù)、設(shè)計(jì)最優(yōu)外品質(zhì)因數(shù)是提高微環(huán)腔相關(guān)光子對(duì)光源重復(fù)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(yīng)可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)光子對(duì)光學(xué)頻率梳輸出。
【學(xué)位單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN252
【部分圖文】：

絕緣層提供相對(duì)折射率差，頂硅層根據(jù)實(shí)際需求, 標(biāo)準(zhǔn)厚度包括 220 nm, 250 nm,340 nm等。如圖1.1所示，典型硅基波導(dǎo)上表面和側(cè)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(jí)硅基波導(dǎo)仍具有對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)限制能力。同時(shí)，硅基波導(dǎo)矩形橫截面決定了較強(qiáng)的雙折射特性，并可根據(jù)電場(chǎng)分量的分布特征，將導(dǎo)模分為橫電第 2 頁(yè)

(Bragg Scattering, BS) 兩種情況[17]。調(diào)制不穩(wěn)定性效應(yīng) (如圖1.3所示)，通常指單一頻率泵浦光場(chǎng)和信號(hào)光場(chǎng)同時(shí)輸入非線性介質(zhì) (高非線性光纖或硅基波導(dǎo)) 所引起的四波混頻效應(yīng)。泵浦光場(chǎng)功率遠(yuǎn)大于信號(hào)光場(chǎng)功率，泵浦光場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移到信號(hào)光場(chǎng)，信號(hào)光場(chǎng)獲得參量增益，這一特性常被用作光學(xué)參量放大[18]。另一方面，調(diào)制不穩(wěn)定性效應(yīng)還可以從真空噪聲中誘導(dǎo)產(chǎn)生穩(wěn)定的閑頻光場(chǎng)輸出。在泵浦光場(chǎng)為連續(xù) (Continuous-wave, CW) 的情況下，經(jīng)過(guò)調(diào)制編碼的信號(hào)光場(chǎng)，其時(shí)間特性會(huì)復(fù)制到閑頻光場(chǎng)，這一過(guò)程通常稱為非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[19]，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)波長(zhǎng)通道的切換

石英光纖高五個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，片上集成硅基波導(dǎo)作為四波混頻非線性介質(zhì)比石英光纖更具優(yōu)勢(shì)。此外，為保證四波混頻效應(yīng)有效進(jìn)行，通常會(huì)對(duì)硅基波導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，具體流程如圖1.4所示。通過(guò)有限元差分法 (Finite-difference Mode,FDM)[23], 對(duì)給定結(jié)構(gòu)參數(shù)和折射率分布的波導(dǎo)進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得有效折射率和橫向電磁場(chǎng)分量；通過(guò)有效折射率計(jì)算波導(dǎo)色散系數(shù)，對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行色散管理并提供優(yōu)化參考依據(jù)；通過(guò)模場(chǎng)分布計(jì)算波導(dǎo)有效模場(chǎng)面積，對(duì)波導(dǎo)進(jìn)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(duì)四波混頻效應(yīng)兩個(gè)關(guān)鍵因素：色散第 6 頁(yè)

本文編號(hào)：2823353