硅基微腔与耦合腔中光绝热转换的片内全光调控机理与应用研究

For optical communications and optical interconnects, all-optical control of light allows to avoid a large number of optical-electro-optical conversions thus reducing the network total power budget and improving the flexibility and reliability of systems. All-optical adiabatic tuning of a microcavity has recently attracted great attentions, due to the universal applications, including optical wavelength conversion and dynamic optical storage. However, it is still difficult to obtain adiabatic transition through intra-chip all-optical control of a microcavity or coupled microcavities. This project proposes a silicon multimode microresonator with slot filled by highly nonlinear material. The pump pulse at a low-Q mode will cause nonlinear effect and ultrafast tune the microcavity, making the adiabatic manipulation of a signal pulse at a high-Q mode or suppermode in coupled cavities possible. The advantage of this scheme is the easy integration and low power consumption. We will study the principle of intra-chip all-optical tuning of microcavity and the dynamic characteristics of adiabatic transition process, and then explore the applications in optical wavelength converter and dynamic optical storage. The investigation on basic theory, design, fabrication and measurement will be performed. The all-optical adiabatic tuning of a cavity and coupled cavities will be demonstrated on a silicon photonics platform. Finally, we will realize a wavelength converter with a conversion efficiency more than 30% and an all-optical dynamic optical storage, providing technical solution for future optical network and photonic integrated chips.

在光通信与光互连系统中，对光信号进行全光调控，避免了光电光转换，能极大地降低系统的功耗，从而提高系统的灵活性和可靠性。利用超快调变微腔中的光绝热转换，可实现光信号的波长转换与传播速度减慢甚至停止，已成为国际上的前沿热门课题。其关键技术在于如何在片内对微腔与耦合腔进行全光调控并实现光绝热转换。本项目提出一种狭缝填充高非线性介质的硅基多模微腔及其耦合腔结构，采用片内注入的低Q模式泵浦光产生非线性效应调控微腔方案，实现高Q模式或耦合腔超模上光信号的绝热转换，具有便于集成、降低功耗的优点。着重研究微腔与耦合腔的片内全光调控机理和光绝热转换的动态特性，探索其在光信号的波长转换与慢光存储上的应用，拟对工作机理、器件设计、工艺制作与系统实验开展全方位研究，在硅基光子学平台上制造出全光绝热调控微腔，实现转换效率超过30%的波长转换器与全光动态可控的慢光存储，为未来光网络和光子集成芯片提供技术储备。

在光通信与光互连系统中，对光信号进行片上调控和处理是一项关键技术。利用动态微腔中的光绝热转换，可实现光信号的波长转换、传播速度减慢甚至停止，是一个国际上的前沿热门课题。本项目主要研究硅基微腔与耦合腔的片内调控机理和光绝热转换的动态特性，探索其在光信号的波长转换与光学存储上的应用，对微腔绝热转换的工作机理、结构设计、工艺制作与系统实验开展了全方位研究。研究了硅基微腔与耦合腔中光绝热转换动态过程并建立了分析模型，对不同微腔内的绝热波长转换过程进行了解析计算与数值仿真，提出了一种双波导耦合双环结构的绝热光存储并进行了理论分析。为了抑制双光子吸收的影响，提出了一种矩形非线性覆盖层的硅基混合狭缝波导和一种工作在反常色散区的多层硅混合垂直波导。提出并实现了一种新型的类行波FP谐振腔，具有结构紧凑、无弯曲损耗、设计灵活、拓展性强等特点，可用于实现光绝热转换器件。成功制备了硅基类行波FP谐振腔，下载效率大于80%，还基于这种微腔实现了了4通道的可重构分插复用器。研究了基于耦合微腔的类EIT效应，利用一种微环-波导-微环-波导结构产生了类EIT效应。提出了一种极小尺寸的基于金属-介质-金属波导的微环-波导-狭缝腔结构，可产生大带宽的类EIT效应。摸索和优化了硅基微腔的制作工艺，制备得到多种满足需要的硅基微腔与耦合微腔。实现了一种基于双波导双微环耦合的光学缓存，通过调节低Q微环的谐振波长，实现了耦合系统Q值从56500到16400的可调，进一步研究器件中绝热动态光存储过程，发现其光存储时间可超过150ps。另外，对光子器件的三维集成技术、光子芯片的混合集成与耦合封装进行了研究，实现了高性能的硅基氮化硅波导器件和低成本的光子芯片封装模块。硅基微腔与耦合微腔绝热转换器件的研究成果，将在片上光互连、光信号处理芯片和量子光学芯片中有应用前景。