硅基微环谐振器中四波混频效应理论和实验的研究

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1、ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringTheoreticalandExperimentalAnalysisofFourWaveMixinginSiliconMicroringResonatorCandidate:YuShiMajor:PhysicalElectronicsSupervisor:Assoc.Prof.YiWangHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuha

2、n430074,P.R.ChinaJanuary,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可

3、以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要四波混频、参量放大等非线性效应已经在基于光纤的全光通信中得到了广泛应用。然而由于石英光纤较低的非线性系数和较小的折射率差，导致产生足够非线性效应需要数千米的光纤，制约了其在片上系统中的应用。硅材料本身具有较高的三阶非线性系数，并且基于硅制备的纳米线波导可以提供较强的光场限制，加上成熟的硅基微纳器

4、件加工工艺，使得硅纳米线波导成为实现非线性效应的理想平台。同时，微环谐振腔能够进一步增强处于谐振波长的光场限制，增强光与物质的相互作用，实现高效的非线性效应。因此，本文采用硅基微环谐振腔来实现片上高效四波混频。首先对光学非线性效应，尤其是四波混频效应进行了详细的理论分析；然后分析了微环中的谐振增强效应以及该效应对四波混频的影响，模拟了微环的光学性质，并以此为基础确定了器件的结构参数；根据现有工艺条件，采用电子束曝光，反应离子刻蚀等手段，制备得到Q值达到60000，消光比为6dB的硅基微环谐振器，并利用光纤耦合测试平台实际测得低泵浦功率条件下，最大转换效

5、率达到-25dB的基于四波混频效应的波长转换现象；最后提出了一种混合集成的方案，采用BCB键合的方式将一种高非线性材料键合至硅基微环的表面，以进一步提升器件整体的非线性系数，实现更高的转换效率。本文对于硅基微环谐振器中四波混频效应的研究表明，采用这种结构可以实现低功率、高效率的四波混频效应。为片上信号处理、量子计算以及单光子源等后续课题提供了坚实的理论与实验基础。关键词：硅光子学四波混频效应微环谐振器混合集成I华中科技大学硕士学位论文AbstractNonlinearopticaleffectssuchasfourwavemixing(FWM)andp

6、arametricgainhavebeenwidelyexploredtorealizeall-opticalcommunicationinfibers.However,duetoitslownonlinearKerrcoefficientandsmallrefractiveindexcontrast,severalkilometersfiberisrequiredtorealizeFWMeffect,whichrestrictsitsapplicationinchipscalephotoniccircuit.Ontheotherhand,silico

7、nnano-waveguidehavelargernonlinearcoefficient,smalleffectiveareaofnonlinearinteractionandhighcompatibilitywithCMOStechnology,makingitanidealcandidateforavarietyofnonlineareffects.Inaddition,bycombiningthehightransverseopticalconfinementwithresonantenhancementfromamicroringresona

8、tor,thenonlineareffectwithhighefficiencycanbeac