發(fā)布時間：2018-01-17 17:11

  本文關(guān)鍵詞：基于硅基表面等離子體波導的光學非線性增強　出處：《華中科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關(guān)文章： 硅基光子學 表面等離子體光子學 非線性光學 非線性耦合波方程 二次諧波 光整流 光參量放大

【摘要】：硅基光子學是目前最有潛力去解決集成電子學鏈路遇到的固有帶寬和功率密度瓶頸的平臺,是集成光子學領(lǐng)域最熱門的研究方向之一。但硅基光子學的持續(xù)發(fā)展也碰到一些困難和挑戰(zhàn)。首先,光學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器件間存在尺寸失配的問題。其次,硅擁有中心對稱的晶體結(jié)構(gòu),不支持二階非線性效應,同時硅里面還存在載流子效應,這些因素限制了硅在非線性光學信號處理中的多樣性和處理速度。由于可以把光場限制在突破衍射極限的亞波長區(qū)域內(nèi),表面等離子體光子學(Plasmonics)器件成為了解決第一個挑戰(zhàn)的優(yōu)良候選,同時在Plasmonics結(jié)構(gòu)中存在的強局域場增強可以增強光與物質(zhì)的相互作用,從而可以提高非線性效應的效率和降低功耗。對于第二個挑戰(zhàn),硅基有機物混合集成受到了越來越多的關(guān)注,把高非線性和沒有載流子效應的的有機聚合物材料集成到硅基光子學平臺上作為有源材料,可以進一步提高非線性器件的效率。在本論文中,我們同時把表面等離子體激元和有機物非線性材料集成到硅基光子學平臺上,構(gòu)成硅基表面等離子體有機物結(jié)構(gòu),并研究了這種混合結(jié)構(gòu)的非線性特性。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了三者的優(yōu)勢,可以在短距離內(nèi)和低泵浦功率下實現(xiàn)高效的光學非線性過程,在非線性集成光子學中有很大的應用前景。本論文的研究主要集中在表面等離子體狹縫波導(PSW)和混合表面等離子體波導(HPW)這兩種波導結(jié)構(gòu)上,具體研究內(nèi)容如下：(1)提出并詳細推導了一種全矢量的適用于損耗波導的非線性耦合波方程,并用它來分析硅基表面等離子體波導中的各種非線性效應。(2)在PSW中,論文首先研究了增強的二次諧波(SHG)效應,理論上預測的歸一化SHG效率高達105 W-1cm-2,比以前報道的結(jié)果高出了四個數(shù)量級。然后通過在PSW的兩邊施加一個控制電壓,進一步研究了SHG過程的電控特性,這種電控SHG效應可以應用于新型的高速電光調(diào)制器。此外還研究了PSW中的非線性光整流(OR)效應,當一個強度調(diào)制的光信號進入波導中時,通過OR效應可以在波導兩側(cè)的電極之間產(chǎn)生一個電信號,電信號的頻率正好是輸入光信號的調(diào)制頻率,且產(chǎn)生電信號的大小與光載波波長的相關(guān)性很小,有望應用于高速寬帶的光探測和光解調(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,對于100 mW的泵浦功率和120 μm的波導長度,二次諧波效率可以達到8.8%。然后利用微環(huán)諧振器的諧振增強,把效率進一步了提高兩個數(shù)量級,這種結(jié)構(gòu)有望應用于中紅外和近紅外之間高效率的片上波長轉(zhuǎn)換。此外,我們還研究了對稱HPW中的高效光參量放大過程,并基于這種相敏放大過程實現(xiàn)了相移鍵控信號的相位再生。(4)最后本論文還在實驗中設(shè)計、制作并測試了PSW以驗證OR效應,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)量的線性波導,PSW的測試損耗與理論損耗值很接近,然后成功把二階非線性聚合物材料均勻懸涂到片子上,現(xiàn)在正在測試波導的非線性特性。
[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 % .

【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN252

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