基于级联环形微腔PT-Symmetry效应的芯片级全光开关

The slow response of the optical switching, controlled by thermo, electric, magnetism, is an obstacle of rapid photonic switching. All-optical switching is the most promising way to achieve the rapid optical information processing, such as optical interconnection, optical computing, and optical communication. In previous preparation process for photonic crystal, quantum dot and Bragg grating all optical switching, the procedure is too complex, chip integration is very difficult and response is slow. So in this project, we propose an all-optical-switching based on gain-loss planar cascade ring resonator of parity-time symmetry (PT-symmetry) effect to resolve the problems The "on or off" control on optical is realized using optical pumping under the PT-symmetry broking. On the basis of temporal coupled mode theory (TCMT), the balance compensation between gain-loss ring resonator, PT-symmetry effect, and the performance of all optical switching under PT-symmetry breaking are researched. The ion implantation, electron beam lithography, and ICP deep silicon etching technique are adopted to fabricate the gain-loss planar cascade ring resonator. The PT-symmetry breaking control, the performance of all optical switching under the PT-symmetry breaking and the influence of pump laser on the performance of it are mainly studied. This study laid a foundation for the on-chip array integration by optimizing parameters of all optical switching base on PT-symmetry breaking.

全光开关是光通讯、光互连网络、全光计算机芯片等进行快速光信息处理的关键器件。热光、电光、磁光等光开关响应速度慢，是制约快速光交换的瓶颈问题。本项目针对光子晶体、量子点、布拉格光栅等全光开关存在制备工艺复杂、芯片集成难度大、响应速度慢等问题，提出基于芯片上增益-损耗平面级联环形腔PT-symmetry系统的全光开关方案。基于PT-symmetry耦合系统，通过光泵浦实现光的“开、关”控制；建立时域耦合模式理论（TCMT）模型；阐明增益-损耗环形腔间的平衡补偿机制、PT-symmetry效应及PT-symmetry破缺光开关性能与光网络结合机理。建立离子注入、电子束光刻、ICP深硅刻蚀技术制备增益-损耗平面级联环形腔整套MEMS工艺，深入研究PT-symmetry破缺调控及其破缺下全光开关性能、泵浦激光对光开关参数的影响机制，为芯片级全光开关阵列化、集成化奠定研究基础。

光学谐振腔是芯片级全光开关的核心敏感部件，利用 MEMS 工艺制作出品质因数高且易于集成的谐振腔是芯片级全光开关研究的重点。本项目建立粗糙度为亚纳米量级的硅基纳米光波导表面光滑化工艺，使硅基纳米光波导表面粗糙度由1.16nm降低到了0.545nm，实现超低损耗、Q参数可达10E6的CMOS硅基光波导环形谐振腔的制备，为全光开关的制备提供基础。基于级联环形腔PT效应全光开关研究，关键是制备高Q值、窄线宽的微腔，同时为实现基于该现象的高灵敏检测。基于此，利用金属-绝缘体-金属波导结构，设计了多种高灵敏度与高品质因数的波导耦合谐振腔结构，利用有限元方法进行仿真分析，研究了耦合微结构的传感特性，并研究了影响其传感特性的主要因素，找到了提高灵敏度与品质因数的有效方法。表面等离子激元能够实现光波的能量转换，并将光波的大部分能量限制在金属与介质的交界面处，在多种SPPs结构中，金属-介质-金属波导结构由于具有局域特性好和传播长度合适等优势而在高集成度光子电路中有着潜在的应用价值。MIM波导耦合谐振器可产生特殊光学效应Fano共振，该效应对周围环境介质十分敏感，可以用来感测细微的物理量变化。基于级联环形微腔PT-Symmetry效应的芯片级全光开关相关研究，也为高灵敏传感器研究提供了新思路，为分布式无线微传感检测网提供了新方式，该无线微传感器也为恶劣环境实时测量提供了一种解决方案，面对生化区域、航空飞行器涉及剧毒燃料等泄漏对精密检测的迫切需求，以及可用于遥感技术的PT对称电子传感器研究。该系统具有高灵敏度，并且具有小型化特性。由于在空间和时间反演，或宇称-时间（PT）对称情况下系统是对称的，可为传感器设计带来优势。与传统传感器相比，该系统的分辨率和灵敏度都大大提高了。基于MEMS的无线压力传感器具有先前PT对称器件的灵敏度优势，广义对称条件允许器件小型化并且在紧凑的电子电路内的低频率情况下能有效实现，可实现长周期、分布式、大面积区域对微传感器网络的需求。在物联网和大数据时代，该检测系统对于实时检测恶劣环境、分布式、动态有毒有害场景构建安全监测网络具有重要的作用。