基于硅基同心级联微环的大容量全光缓存及动态模式调控研究

Optical buffers are key devices in optical interconnect systems. The buffers should be compatible，operate with high speed, low energy consumptions and high capacities. In this project, optical buffer with great capacity is to be studied and fabricated based on silicon coax rings resonators. It is shown that the coax rings resonator has unique optical properties. With the same size as a ring resonator, coax ring resonator has denser independent resonant modes distributions in the frequency domain and can thus store more bits by use of these modes. A complete study will be performed on coax rings resonators theoretically and experimentally. And the study is to enlarge slow light band imposed by the combination of multi-resonant modes, while keeping delay invariant. This will increase delay-bandwidth product, and the operation is not limited by delay-bandwidth product constraint in static photonic structures. CW mode and CCW mode in certain coax rings resonator are ultra sensitive to dielectric perturbations when compared with single normal ring resonator. Based on this optical property, we will study dynamical switch of CW and CCW modes by use of SNOM probe..

全光缓存器是未来光互联的关键部件，而未来的光缓存必须满足集成、高速、低耗和大容量的要求。本课题以硅基同心级联微环为基础，研究制作大容量光缓存。我们的初步分析已经表明，同心级联微环结构具有特殊的光学特性。相对于单微环结构谐振单元，同心级联微环结构具有与之相同的尺寸，但是却有一系列在频域密度更高且相互独立的共振模式，利用这些模式，它具有存储更多光数据的能力。课题将以此为基础，在理论和实验两个方面同时展开对同心级联微环结构的深入研究,实现同心级联微环多个不同谐振模式在频域内的叠加，进而增大被信号加载利用的带宽，同时不减少延迟时间，进而极大地增加器件的延时带宽积,突破传统静态光子器件延时带宽积为有限值的限制；另外，某些具有特定参数的同心级联微环结构，其顺、逆时针模式，对于微环结构的介质微扰极为敏感，据此，课题还将研究采用近场显微镜探针施加微扰，实现级联微环内顺、逆时针模式的动态切换。

我们优化了硅基同心级联微环的参数，通过适当调节结构参数，可以增加延迟带宽; 优化了硅基微纳加工工艺,可以制备基于硅基的几十纳米的结构;建立了测量光脉冲在硅基器件中传播特性的测试平台。我们进一步研究了光脉冲在硅/石墨烯混合结构中的传播，结果表明石墨烯有超大的非线性系数，并且这种混合结构的非线性系数相对纯硅器件可以实现5倍提高， 这有利于今后研究光脉冲在硅基器件中的信号畸变的纠正；在研究这种混合器件的同时，我们发现了这种混合器件的光辐射现象，我们建立了相关物理模型解释这一物理问题。结果表明石墨烯中有与众不同的载流子散射机制。这些结果能够证明石墨烯中的载流子倍增效应的存在，并有可能实现石墨烯中的集聚数反转。我们还研究了其它一些新型硅基混合器件中新的效应，我们希望这些结果能够应用到未来的硅基片上集成光电器件中去。