硅基微纳光子结构中的高非线性光学效应及应用基础研究

Silicon on insulator is considered to be an ideal platform for nano photonic devices due to its advantages such as high density, low loss, and high speed. By incorporating highly nonlinear materials into SOI structures, it is expected to realize novel photonic devices to improve the nonlinear response, increase the speed, and achieve many applications. This project will combine highly nonlinear graphene material with silicon photonic structure to enhance the nonlinear effects. The proposal is to utilize horizontal slot structure on silicon together with surface plasmon effect to compress the mode area of the light, while taking advantage of the high nonlinearity of graphene itself. Nonlinear processing such as parametric amplification can be expected. This scheme features ultra-small mode area, high density, ultrafast response, and easy to be integrated with electronics. Such a device could be used in optical signal processing, quantum entanglement, and supercontinuum generation for communications, bio-science, aerospace, and quantum science.

基于绝缘体上硅结构（SOI）的光子器件以其高集成度、低损耗、高速率，被认为是构建集成光子芯片的理想平台。将新型高非线性材料融入传统SOI工艺，可望更好地利用已有微电子加工技术实现多种新型硅基光子器件，增强非线性的响应强度，提高器件响应速率，实现多种非线性应用。本课题拟将硅基光子结构与高非线性材料石墨烯相结合，以增强器件的非线性效应，主要思想是利用硅基横向狭缝波导结构和石墨烯的表面等离子体效应压缩模场面积，同时利用石墨烯的高非线性系数，在硅基上实现较强非线性效应，完成光参量放大等功能。该方案具有模场面积小、集成度高、响应速率快、便于与微电子进行混合集成等优点，在此基础上可望实现全光信号处理、量子纠缠产生和超连续谱信号等非线性的应用，对通信、生命医学、航空航天、量子等方面带来影响。

中文摘要 (对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内)：. 本项目将硅基光子结构与高非线性材料石墨烯相结合，利用微电子加工技术实现多种新型硅基光子器件，基于硅基狭缝波导结构和石墨烯的表面等离子体效应压缩模场面积，同时利用石墨烯的高非线性系数，在硅基上实现强的非线性效应，完成光参量放大等功能。该方案具有模场面积小、集成度高、响应速率快、便于与微电子进行混合集成等优点，可实现全光信号处理等多种应用。. 通过本项目的研究，得到了石墨烯材料在硅基集成光子器件中超高非线性的特性，建立了相应的理论模型；基于硅基集成SOI平台，将“软-硬模板法”制备石墨烯的工艺与硅基光子器件的加工工艺相结合，掌握了硅基石墨烯集成光子非线性器件的关键技术，制备出了硅基石墨烯条形波导、硅基石墨烯狭缝波导器件；根据制备出的硅基集成石墨烯非线性光子器件，测试和验证了其非线性性能。自主制备的石墨烯材料的非线性系数高于硅材料6个量级，整体器件最高的的非线性系数相比硅波导提升3个量级；实验演示了28Gb/s和36Gb/s的高速非线性四波混频效应，实现了波长转换的应用。. 通过本项目的实施，发表了 77篇带标注号的SCI 论文；积极参加高质量的国际学术会议，作邀请报告12次，扩大了国际影响力；申报发明专利15 项；培养博士生8名，硕士生10 名。