本文關(guān)鍵詞：基于片上布里淵效應(yīng)全光模式轉(zhuǎn)換的機(jī)理研究　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：為了提升光纖通信系統(tǒng)的通信容量來應(yīng)對不斷增加的通信業(yè)務(wù)需求,目前的高速光通信系統(tǒng)中已經(jīng)利用了單模光纖中光波包括幅度、頻率、相位以及偏振態(tài)等自由度。因此在面對未來對通信容量進(jìn)一步增加的情況下,就需要開發(fā)光纖通信系統(tǒng)中新的復(fù)用自由度來提升光纖通信容量。借鑒偏振復(fù)用(PMD)中對兩種相互正交的偏振態(tài)的復(fù)用技術(shù),在少模光纖中利用空間模式正交特性構(gòu)成的模分復(fù)用(mode-division multiplexing:MDM)技術(shù),可以為光纖通信系統(tǒng)提供了一個(gè)嶄新的復(fù)用自由度從而進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)光纖通信容量的倍增。因此,MDM技術(shù)被廣泛的認(rèn)為是下一代光纖通信系統(tǒng)的重要潛在技術(shù)。MDM技術(shù)對于滿足迅猛增長的通信業(yè)務(wù)的需求,具有重要的理論與實(shí)際意義。模式轉(zhuǎn)換技術(shù)是構(gòu)建靈活且與現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)相兼容的模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著現(xiàn)有光學(xué)器件向著可集成化方向的發(fā)展,一個(gè)可集成、寬工作帶寬且可調(diào)諧的光模式轉(zhuǎn)換器將會在未來的MDM系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。在國家自然科學(xué)基金的資助下,本論文對硅基波導(dǎo)中基于前向受激布里淵效應(yīng)和聲光效應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了一系列的理論研究以及制作測試。概括本論文的研究成果與貢獻(xiàn)可以總結(jié)為如下幾個(gè)方面:(1)通過深入了解和分析傳統(tǒng)的受激布里淵效應(yīng),在同時(shí)考慮光輻射壓力和電致伸縮力的情況下推導(dǎo)出了布里淵效應(yīng)中的聲光耦合方程。然后從原理和理論上論證了前向布里淵效應(yīng)可以用于實(shí)現(xiàn)全光模式轉(zhuǎn)換。另外,根據(jù)多模光波導(dǎo)中布里淵效應(yīng)激發(fā)產(chǎn)生的聲場與光場的相位匹配條件確定了在模式轉(zhuǎn)換過程中聲場的傳播方向及其存在形式。(2)通過對布里淵效應(yīng)中聲光相互作用及其耦合波方程的分析,得到了在微納尺度的硅基芯片上實(shí)現(xiàn)高效的布里淵效應(yīng)的基本條件。即能同時(shí)將聲場和光場限制在同一個(gè)區(qū)域以較低的損耗進(jìn)行傳播,并且聲場和光場的色散特性需要可以通過波導(dǎo)中不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)控制。為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)條件,我們提出了由懸空的矩形光波導(dǎo)和聲子晶體組成混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方案。(3)通過對材料特性的綜合分析,選擇了硅(Si)和氮化硅(Si3N4)分別作為光波導(dǎo)和聲子晶體的組成材料。在設(shè)計(jì)過程中通過將矩形Si波導(dǎo)作為線缺陷埋入了Si3N4的聲子晶體平板中從而形成了聲光混合波導(dǎo),從而將聲場和光場限制在了波導(dǎo)的同一個(gè)區(qū)域內(nèi)。然后通過數(shù)值仿真,分析了常用的三種不同聲子晶格類型(四方晶格,六方晶格和蜂巢狀晶格)及其相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合波導(dǎo)中聲場特性的影響。并根據(jù)對仿真結(jié)果的分析,給出了三種不同的聲子晶體結(jié)構(gòu)中的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后通過對不同聲子晶體結(jié)構(gòu)在最優(yōu)化參數(shù)下的性能的橫向?qū)Ρ?得出蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)是此處聲子晶體的最佳方案。(4)提出了一種基于聲光混合波導(dǎo)中前向受激布里淵的全光模式轉(zhuǎn)換器,并且給出了波導(dǎo)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后通過數(shù)值仿真分析給出了由光場基模11xE向高階模式21xE轉(zhuǎn)換的數(shù)值過程。仿真結(jié)果表明,該模式轉(zhuǎn)換效率將會受到波導(dǎo)長度和注入光功率強(qiáng)度的影響。并且在考慮聲場和光場損耗的情況下,該波導(dǎo)能夠在通信波段中較大的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高88%的模式轉(zhuǎn)換效率。(5)提出了一種基于動態(tài)光柵的可逆并且可調(diào)諧光模式轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)方案,并且推導(dǎo)出了聲光相互作用的聲光耦合波方程。在綜合考慮聲場和光場限制和色散曲線特性的情況下給出了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)三種模式轉(zhuǎn)換的聲光混合波導(dǎo)的最優(yōu)化參數(shù)。另外,通過仿真分析可知在給定波導(dǎo)長度的情況下,該模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率可以通過控制注入聲場的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)。并通過分析其相位匹配條件得出可以通過調(diào)節(jié)注入聲場頻率實(shí)現(xiàn)多種不同模式轉(zhuǎn)換的方法。然后分析了在給定聲場頻率下,該模式轉(zhuǎn)換器對于每種模式轉(zhuǎn)換的工作帶寬。最后,根據(jù)理論分析可知,通過優(yōu)化該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)更多種類的光模式轉(zhuǎn)換,這將使得該器件在未來的MDM系統(tǒng)中有著廣泛的使用前景。(6)利用微納工藝平臺制作出了聲光混合波導(dǎo)樣片,并通過對樣片波導(dǎo)的測試論證了我們設(shè)計(jì)的混合波導(dǎo)中前向布里淵效應(yīng)的存在。
[Abstract]:In order to enhance the communication capacity of optical fiber communication system to cope with the increasing traffic demand, high speed optical communication system in the current using single-mode fiber wave including amplitude, frequency, phase and polarization degree of freedom. So in the face of the future to further increase of communication capacity, requires the development of optical fiber communication system a new degree of freedom to improve the multiplexing capacity of optical fiber communication. Using polarization division multiplexing (PMD) of the two orthogonal polarization multiplexing technology, using orthogonal characteristics of spatial pattern in few mode fiber in mode division multiplexing (mode-division multiplexing:MDM) technology, can provide a new degree of freedom multiplexing to further the capacity of optical fiber communication doubling optical fiber communication system. Therefore, MDM technology is widely considered to be an important potential next generation fiber-optic communication system in.MD The demand of M technology for communication services meet the rapid growth, has important theoretical and practical significance. The mode conversion is a key technology to build flexible and compatible with the existing optical communication network mode division multiplexing transmission system. With the development of the existing optical devices can be integrated to the direction of an integrated optical mode converter wide bandwidth tunable and will play an important role in the MDM system in the future. In the National Natural Science Fund, this paper on the silicon waveguide mode converter based on the stimulated Brillouin scattering effect and carried out a series of theoretical research and making contributions of testing. Summary of this thesis can be summarized as follows: (1) through in-depth understanding and analysis of the SBS tradition, while considering the radiation pressure and electrostrictive force The case is derived in the acousto-optic coupling equation of Brillouin effect. Then the principle and theoretical arguments of the forward Brillouin effect can be used to realize optical mode conversion. In addition, according to the phase field and light Brillouin effect of multimode optical waveguide excitation field generated by the matching conditions to determine the direction of propagation in the sound field in the mode conversion process and form. (2) through the analysis of the effect of Brillouin acoustooptic interaction and coupling wave equation, the basic conditions of realizing efficient Brillouin effect on silicon chip micro nano scale on which can at the same time. The sound and light field limits in the same region to the low loss transmission and the sound and light field dispersion through the waveguide structure parameters need to be different for individual control. In order to achieve these two conditions, we propose a rectangular light hanging Guide and phononic crystals composed of hybrid waveguide structure. (3) through a comprehensive analysis of the material properties, the silicon (Si) and silicon nitride (Si3N4) were used as the materials of optical waveguide and photonic crystal. In the design process through the rectangular waveguide as Si line defect embedded in phononic crystal plate Si3N4 in order to form a sound mixed waveguide, which will sound and light field is limited in the same area within the waveguide. Then through numerical simulation, analyzed three different lattice types commonly used (square lattice, six square lattice and honeycomb lattices) influence parameters and structure of the sound field characteristics in hybrid waveguide. According to the analysis of the simulation results, the optimal structure parameters of three kinds of phononic crystal structure in different. Finally through comparing the performance of different phononic crystal structure in the optimum under the draw bee The lattice structure is the best solution to the nested phononic crystal. (4) proposed a hybrid waveguide based on acousto-optic forward optical mode converter stimulated Brillouin, and gives the optimal structure parameters of waveguide. Then through numerical simulation analysis presented the numerical conversion process by the light field based 11xE mode to high order mode 21xE. The simulation results show that the mode conversion efficiency will be affected by the waveguide length and intensity of the incident light power. And in consideration of the sound field and the light field loss, the waveguide mode conversion can achieve up to 88% efficiency larger bandwidth range in the communication band. (5) proposed a and design of optical mode converter based on reversible dynamic tuning of the grating, and deduced the acoustooptic acoustooptic interaction of coupled wave equations. In consideration of the sound field and optical confinement and dispersion curve characteristics. Under the condition of a given parameter can be three mode conversion of acousto-optic waveguide hybrid optimization. In addition, through simulation analysis on a given waveguide length, the mode converter conversion efficiency can be adjusted by controlling the injection field strength. And through the analysis of the phase matching condition that can be realized by adjusting the conversion method a variety of different models. And then analyzes the injection frequency of sound field in a given field frequency, the mode converter for converting the bandwidth of each mode. Finally, according to the theoretical analysis, through the optical mode conversion optimization of the waveguide structure can achieve more types, which will make the device has a wide application prospect in MDM system in the future. (6) using micro nano technology platform produced acousto optic hybrid waveguide sample, and through the waveguide sample testing demonstrated our design The existence of the forward Brillouin effect in a hybrid waveguide.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.11

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本文編號：1361024