全光模式转换的新机理新技术研究

Mode-division multiplexing(MDM), emerging as a promising technology for the next multiplicative capacity growth for optical communication by exploring new degrees of freedom, has an important theoretical and practical signification in meeting the requirements of rapidly increased communication services. Mode conversion is a key technique to build up MDM transimission system with the property of flexible and compatible to the existed optical communication networks. This project attempts to achieve all-optical mode conversion technique by making use of stimulated Brillouin scattering(SBS) effect in highly integratable nonlinear waveguide, and this mode conversion has the advantages of broad bandwidth, high efficiency, and flexible and controllable characteristics. Novel mechanism of dual-pumped forwarded SBS will be studied to analyze the relationship of response property of dynamic Brillouin grating against the invloved optical field parameters. In order to realize flexible conversions between the different modes, the controllable mechanism of the dynamic grating will be researched. The compounded waveguide with the combination of phonon crystal waveguide and optical ridge waveguide will be investigated to achieve strong and common confinement to acoustic field and optical fields involving in the interactions, enhance the interactions among the acoustic field and optical fields, and thus obtain wide bandwidth and high effective all-optical mode conversion. This research will reveal mode evolution discipline within SBS process under dual-pumping, and develop highly nonlinear compound waveguide with the combination of phonon crystal waveguide and ridge optical waveguide, and provide an effective approach to implement mode conversion technology based on photonic principle.

模分复用技术通过开发光纤通信系统新的复用自由度，实现光纤通信容量的倍增，对于满足迅猛增长的通信业务的需求，具有重要的理论与实际意义。模式转换技术是构建灵活且与现有光通信网络相兼容的模分复用传输系统的关键技术。本项目拟利用可集成的高非线性波导中的受激布里渊散射效应，实现全光模式转换技术，具有宽带宽、高效率和灵活可操控的优越性。研究双泵浦前向受激布里渊散射的新机理，分析动态布里渊光栅响应特性与光场的特征参数间的关系。研究动态布里渊光栅的调控机制，实现不同模式之间的灵活的转换。研究声子晶体波导与脊型光波导结合的复合波导，实现对声波场和参与作用光场的共同限制，增强声波场与光场间的相互作用，获得宽带宽、高效的全光模式转换。该研究将揭示双泵浦作用下受激布里渊散射过程中模式间的演变规律，研制出声子晶体波导与脊型光波导结合的高非线性复合波导，并为基于光子学方法实现模式转换技术提供一条有效的途径。

模分复用技术为光纤通信系统提供了一个崭新的复用自由度,从而进一步实现光纤通信容量的倍增，对满足指数增长的通信业务具有重要的意义。但是目前的模式转换器件多数是基于自由空间光学或者波导光学。这些器件通常具有体积大，系统复杂以及转换效率低的缺点。针对未来大容量高速率通信的需求，可集成、宽带宽且可调谐的光模式转换器必将是研究与开发的重要趋势。受激布里渊效应是一种典型的非线性效应，其中泵浦光和Stokes光之间的相互作用可以实现灵活可控的光模式转换。本项目利用高非线性波导中的前向受激布里渊散射实现光模式转换，并进行相关的理论研究，波导制作和实验测试。提出了一种基于声光混合波导的全光模式转换器，建立了利用前向受激布里渊散射实现模式转换的物理模型，并且数值分析了模式转换中声光相互转换的具体过程及相关结构参数对模式转换效率的影响。此外，利用CMOS兼容的工艺流程制备了声光混合波导，在实验上观察到了声光混合波导中高效的前向受激布里渊散射。设计了一种悬空的声光子晶体波导。这种波导同时具有声子带隙和光子带隙，能同时限制声场和光场的传播，极大的增强了声光相互作用。在慢光增强效应下，使得较短的声光子晶体波导中可实现有效的光模式转换。提出了利用部分悬空的硅基纳米线跑道型谐振腔实现前向受激布里渊散射的方法。部分悬空的硅基纳米线跑道型谐振腔能同时限制光场和声场，并抑制了声场向衬底的泄漏。利用谐振增强效应，波导的长度进一步被缩短。设计并制作了悬空的硅基纳米线跑道型谐振腔，实验上实现了前向受激布里渊散射，并获得了约2.25dB的布里渊增益。研究了基于微倾斜的少模光纤光栅的光模式转换，并在实验上实现了模式转换。本项目的研究为基于集成光波导技术实现模式转换提供了一条有效的途径。