基于光力效应的硅基微纳结构调控机理、制备及在低功率全光可调谐器件中的应用

Light propagation in silicon based nanostructures is generally controlled by electro-optic and thermo-optic effect. In recent years, the optomechanical effect in silicon nanostructures gives us a new tuning dimension. The enhanced photon-phonon interaction and many other new phenomena have been observed with optomechanics. So the silicon optomechanical structures become an excellent platform for fundamental research and application research. Besides, the asymmetric light propagation arouses the enormous interest of the researchers. To realize the asymmetric light propagation in silicon based passive structures is the research objective, but the reported schemes have some limitations such as narrow bandwidth (MHz~100pm), large inset loss, and low extinction ratio. In this project we propose an asymmetric optomechanical coupler and derived optomechanical microring resonators. By studying the asymmetric light propagation characteristics of these structures, we find that the bandwidth of the proposed structure could be larger than 10nm with a low insertion loss and a large extinction ratio. In the meantime, based on the strong mechanical Kerr effect, the microwatt-level all-optical splitting-ratio-tunable directional coupler and extinction-ratio-tunable microring resonator based on the above-mentioned structure are also proposed. The applications of silicon based optomechanical structures in modern photonics are thus expanded.

硅基微纳结构中光学传输特性的常规调控方法主要利用电光和热光等机制，近年来基于硅基结构中的光力效应则提供了一个新的调谐维度，还可以观测增强的光子-声子相互作用，硅基光力结构因此成为相关基础研究和应用研究领域的重要平台。另一方面，非对称光传输也引起了研究者们的极大兴趣，基于片上无源微纳结构的非对称传输方案成为当前的研究目标。然而已报道的相关方案存在或带宽很窄（兆赫兹到百皮米级），或插入损耗较大，或消光比较低等相应限制。本项目提出了非对称光力耦合结构及基于它的微环谐振器，研究该类结构中的非对称光传输特性，基于光力耦合结构可实现带宽达~10nm且具有高消光比、低插入损耗的非对称传输；同时，由于光梯度力可产生很强的力学克尔效应，研究基于上述光力结构的微瓦级泵浦功率全光可调谐器件，包括分束比大范围可调的分束器，消光比和谐振波长大范围可调的微环谐振器，进一步拓展了硅基光力结构在光子学领域的应用。

随着集成光子学研究的兴起，微纳光子集成器件成为研究光力效应的理想平台。光子集成器件具有尺寸小、模式体积小和光功率密度大等优势。微纳波导中的光梯度力效应能使波导发生百纳米级的形变。波导形变导致的有效折射率变化比常规光学克尔效应导致的有效折射率变化高几个量级，因此可以使其中传输的光场产生极大的相移，这为实现可调谐集成光子器件提供了新的途径。目前关于集成光力器件的研究取得了很大进展并成为一个新兴的研究领域。本项目的研究内容主要包括：基于力学克尔效应的集成光学非互易器件；光力波导阵列在离散光学中的应用；PT对称耦合波导结构中的光梯度力。本项目取得的重要结果和关键数据如下：（1）基于光梯度力引起的力学克尔效应实现了片上、无源、低功耗、低插入损耗的光学非互易传输。在工作功率为251 μW时实现了23 dB的非互易传输比，插入损耗仅为2.3 dB。该器件结构紧凑、与当前的CMOS工艺兼容、且无需任何外场泵浦，如磁场、射频调制或光泵浦等；（2）提出了一种亚波长光力波导阵列，基于强的力学克尔效应，只需毫瓦级的输入功率即可在微米级长度的波导阵列中实现光束的自聚焦、自散焦等典型的离散光学现象，并证明了该器件可被用于全光可控的光功率分束器，且该分束器可以实现任意功率分束比，表明光力波导阵列是实现离散光学的理想平台；（3）研究了PT对称耦合波导结构中的光梯度力。分析了系统从PT对称状态过渡到PT对称性破缺状态过程中光力密度的演化趋势。结果表明,利用光力效应可以实现系统从PT对称状态到PT对称性破缺状态的转变，只要系统处于PT对称性破缺状态且波导长度远大于衰减模的传输长度，波导中的总光力将随波导间距的减小而减小。上述光力特性与常规耦合波导结构中的光力特性完全不同。本项目的研究结果为进一步拓展集成光梯度力器件的应用提供了坚实的理论和实验基础，证明了光力效应为实现可调谐集成光子器件提供了新的途径，在光通信、光计算及基础研究领域具有很大的应用潜力。