基于单个新型多稳态半导体有源环形谐振腔的多比特触发存储技术基础研究

全光存储技术是新一代高速波分复用光网络的核心与难点，目前还比较缺乏对并行处理不同时域和波长域的多比特全光存储技术的研究，特别是缺乏非级联方式的基于单个集成器件实现多比特全光存储的方式。本项目拟基于单个多稳态集成半导体有源环形谐振腔（SARR）实现多比特全光触发存储（AOFFM）技术，有利于实现低成本、低功耗、高速率、多功能的"绿色"全光存储功能单元。拟通过对SARR的非线性效应和腔内各个方向的不同模式之间的耦合与竞争机制的研究，建立多模非线性理论模型描述腔内各模式的动态变化，探索多稳态现象产生的物理机制，明确多比特AOFFM的实现机制和工作原理，从理论模拟与实验研究多方面阐明外部工作条件和内部器件参数对SARR多稳态特性及多比特AOFFM性能的影响，并探索全光随机存取存储与全光逻辑等其它应用领域。本项目面向集成光子学和光网络中的关键技术，将对全光存储领域的发展起重要的推动作用。

基于易于集成的单个多稳态器件实现多比特全光触发存储技术AOFFM可以满足网络节点对多波长并行处理及存储、转发的需求，实现低成本、高速率、低功耗、多功能的“绿色”全光子功能单元。 .本项目研究的AOFFM技术的核心器件——多稳态有源环形谐振腔SARR包括了方向双稳态和不同方向上存在的波长多稳态现象。建立了可描述SARR载流子和光子动态变化的基于多模非线性方程的数学物理模型以描述多稳态SARR的工作机理。.为了深入理解多稳态现象，研究两个相邻模式（激射模式L和邻近模式M）的模式耦合和非线性过程至关重要，提出了利用空间相位平面的方法研究了模式的耦合和竞争关系，推导了实现多稳态的条件。进一步建立了器件材料与尺寸参数与多稳态特性的关系，并从数值模拟的角度验证了器件产生多稳态的尺寸区域，两者的结果极度吻合。.在SARR器件模型中引入外部注入光信号，仍然利用相位平面的方法研究了将外部光信号注入到器件同方向/不同方向的模式L和M上的多稳态特性，表明可以通过选择正确的外部注入光信号并利用增益饱和效应选择同方向与不同方向的多个模式输出，达到多稳态的目的。.在器件设计制作方面，提出并实现了基于回射腔的SARR器件，阈值电流为60mA，激射波长为1541.04 nm。进一步利用光线追迹和有限时域差分FDTD的方法提出并设计了基于椭圆形反射镜面的扇形SARR。.在以上工作的基础上，研究了基于多稳态SARR的AOFFM技术。首先证明了自维持的波长双稳态光触发存储功能，发现选用更小的器件可以达到更快的触发速度，将器件的半径降低5倍后，上升时间缩短15倍，达到了10ps的开关时间。研究了稳定锁定区域和注入光信号的功率与失谐频率的关系，研究了不同的注入功率和失谐频率对不同模式开关时间的影响，最终实现了10个模式的自维持多稳态全光触发存储实验，结果表明在稳定锁定区域条件下，通过选择不同模式的外部光注入可以任意设置器件的状态，达到多稳态全光触发存储的目的。.项目组还将研究范围进一步扩展到光学混沌、高功率激光器和无源环形谐振腔上，为未来进一步研究SARR特性奠定了坚实的基础。.总之，通过本项目的研究，明确了SARR多稳态特性机理，建立器件多模非线性数理模型，实现了基于单个多稳态SARR器件的多比特AOFFM功能，发表学术论文18篇，其中SCI/EI 9篇，EI 3篇，获得国家发明专利5项。