【摘要】：隨著全球數(shù)據(jù)流量的“爆炸式”增長(zhǎng),對(duì)目前光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理能力也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的基于電信號(hào)處理的方式由于需要頻繁的光/電和電/光轉(zhuǎn)換而消耗大量的能量,并且存在轉(zhuǎn)換效率較低和速率受限的問(wèn)題。全光信號(hào)處理技術(shù)因直接在光域上進(jìn)行信號(hào)處理而能夠避免上述轉(zhuǎn)換過(guò)程,成為解決以上問(wèn)題的首選。光開(kāi)關(guān)作為全光信號(hào)處理技術(shù)的基本單元,在光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息處理上具有重要應(yīng)用價(jià)值。此外,光開(kāi)關(guān)還是實(shí)現(xiàn)光子計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的基石,它的性能往往決定了整個(gè)系統(tǒng)性能的上限。因此,實(shí)現(xiàn)具有高速率、低功耗、高對(duì)比度、小尺寸等特性的高性能光開(kāi)關(guān)至關(guān)重要。根據(jù)開(kāi)關(guān)功能的不同,光開(kāi)關(guān)可以分為時(shí)域全光開(kāi)關(guān)和空域光開(kāi)關(guān)兩大類,前者是對(duì)光在時(shí)域上的“通/斷”狀態(tài)進(jìn)行控制,控制信號(hào)是光,一般需要基于非線性效應(yīng)才能實(shí)現(xiàn);后者是對(duì)光在空間上的傳輸路徑進(jìn)行切換,其控制信號(hào)既可以是光,也可以是電、熱、聲、磁、機(jī)械等,但目前最常用的是基于電、熱和機(jī)械。這兩類光開(kāi)關(guān)在性能要求上基本一致,不同的是前者對(duì)開(kāi)關(guān)速率有更高的要求,通常要求開(kāi)關(guān)時(shí)間在納秒以下,而后者主要側(cè)重于對(duì)光信號(hào)在不同路徑之間的快速切換。目前,能夠?qū)崿F(xiàn)這兩類光開(kāi)關(guān)的平臺(tái)有許多,例如,二氧化硅、磷化銦、硅,而硅基光子集成平臺(tái)由于具有與CMOS工藝兼容、尺寸小、損耗低等優(yōu)勢(shì)成為實(shí)現(xiàn)集成光開(kāi)關(guān)的首選。在眾多硅基光子集成器件中,硅基光子晶體微腔由于具有品質(zhì)因子高和模式體積小的優(yōu)異特性,成為實(shí)現(xiàn)高性能光開(kāi)關(guān)的最佳選擇之一。本論文中,我們主要圍繞如何利用硅基光子晶體微腔來(lái)實(shí)現(xiàn)具有高速率、低功耗、高對(duì)比度、小尺寸等特性的高性能光開(kāi)關(guān),具體研究成果概括如下:(1)總結(jié)了硅基光子晶體微腔中的非線性效應(yīng),并推導(dǎo)了腔與波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的傳遞函數(shù),建立了可用于描述硅基光子晶體微腔的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性的非線性時(shí)域耦合模理論模型,此外,還詳細(xì)介紹了硅基一維、二維光子晶體微腔的制作工藝流程和測(cè)試方法,為實(shí)現(xiàn)硅基光子晶體微腔的高性能光開(kāi)關(guān)奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。(2)設(shè)計(jì)并制作了基于硅光子晶體微腔的多通道全光開(kāi)關(guān),利用微腔中的自由載流子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了2.5G/s的信號(hào)提取和信號(hào)阻斷的功能,提出了利用藍(lán)移失諧濾波技術(shù)來(lái)改善器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性的方法,并從理論和實(shí)驗(yàn)上都驗(yàn)證了該方法的可行性,利用此方法將信號(hào)處理速率提升到了10Gb/s。(3)在工作(2)的基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步提升全光開(kāi)關(guān)的性能,設(shè)計(jì)并制作了一種基于Fano諧振的全光開(kāi)關(guān),相比于基于洛倫茲諧振的全光開(kāi)關(guān),其具有更低的開(kāi)關(guān)功耗、更高的開(kāi)關(guān)對(duì)比度和更高的開(kāi)關(guān)速率。(4)針對(duì)工作(2)和(3)中的開(kāi)關(guān)速率仍受限于硅中自由載流子壽命的問(wèn)題,提出了一種利用高非線性聚合物材料中的克爾效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速率全光開(kāi)關(guān)的方案,仿真結(jié)果顯示,該方案實(shí)現(xiàn)了高速率(40Gb/s)、低功耗(83fJ/bit)、高對(duì)比度(18dB)和小尺寸(15μm)的硅基集成全光開(kāi)關(guān)。(5)提出了一種利用硅基級(jí)聯(lián)光子晶體L3腔來(lái)增強(qiáng)四波混頻效應(yīng)的方案,理論仿真發(fā)現(xiàn)相鄰模式之間的頻率間隔不相同,這不利于提高四波混頻轉(zhuǎn)換效率,但通過(guò)調(diào)節(jié)中間腔的結(jié)構(gòu)使其初始諧振頻率產(chǎn)生預(yù)失諧,實(shí)現(xiàn)了頻率間隔幾乎相同的三腔耦合系統(tǒng),最后利用優(yōu)化后的器件在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率為-37dB的四波混頻效應(yīng)。(6)提出了一種基于石墨烯熱電極的高性能光子晶體熱光開(kāi)關(guān),通過(guò)采用基于懸空-脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和Fano傳輸線型來(lái)減短開(kāi)關(guān)時(shí)間,仿真結(jié)果顯示,該方案可實(shí)現(xiàn)139ns/178ns的開(kāi)關(guān)上升/下降時(shí)間、3nm/mW的調(diào)諧效率、17dB的開(kāi)關(guān)對(duì)比度,并且整個(gè)器件也非常緊湊。
【圖文】：

能光開(kāi)關(guān)方面做的一些工作。研究意義+、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，如今人類已美國(guó)思科（Cisco）公司 2016 年發(fā)布的全球云指數(shù)預(yù)021 年，全球流量將呈現(xiàn)出每年 25%的高速增長(zhǎng)，到 2.6 Zb/年（1 Zb=1012Gb），，如此海量信息的傳輸和處理的要求。而光通信網(wǎng)絡(luò)主要由光纖鏈路上的信息傳輸組成，如圖 1-1 所示，在信息的傳輸上，至 1966 年高的可行性以來(lái)，經(jīng)過(guò) 60 多年的飛速發(fā)展，目前單根Pb/s[1]（1 Pb=106Gb），而在信息的處理上，目前仍然，通常需要先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在電域上完成輸，而該轉(zhuǎn)換過(guò)程往往存在速率和效率上的限制，因的進(jìn)一步提升，并且頻繁的光/電和電/光轉(zhuǎn)換需要消耗

中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論大的優(yōu)勢(shì)。而多機(jī)理體現(xiàn)在全光信號(hào)處理既包括線性信波作用實(shí)現(xiàn)碼型轉(zhuǎn)換[3]，也包括非線性信號(hào)處理，比如利中的交叉增益調(diào)制（XGM）實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[4]，利用高四波混頻（FWM）效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全光邏輯[5]，利用光子晶體FCE）實(shí)現(xiàn)全光開(kāi)關(guān)[6]�？梢钥闯�，全光信號(hào)處理技術(shù)可立的器件，如高非線性光纖，也包括集成的器件，如半子晶體微腔、微環(huán)等。正是由于光場(chǎng)本身具有多維度的材料或結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理也各有不同，并且有豐富的光全光信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)許多關(guān)鍵的光信號(hào)處理轉(zhuǎn)換[8]、全光采樣[9]、全光判決[10]等。
【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】：2019
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：2620676