硅基混合等离子体纳米光波导器件与应用

为了满足不断增长的通信、计算和信息处理速度的要求，人们尝试在硅基芯片中融入光，利用光子无与伦比的传输速度与带宽，从本质上解决基于铜线的传统互连技术在速率、传输距离和功耗上的极限。此方面研究的一个重要挑战是大幅度减少光波导传输所占的芯片面积。打破传统介质波导衍射极限的一种有效方法是采用表面等离子激元技术，将通信波段的光局限在深亚波长级的波导中，可以像金属线传导电子一样在纳米尺度上传输光波。但是为了实现非线性信息处理需要较大的功率和较长的距离，传统表面等离子体器件的尺寸和功耗限制了其在集成光路中的应用。本研究工作的重点是设计可与CMOS平台集成的硅-聚合物-金属波导结构，将光局限在纳米级具有超高非线性特性的聚合物中，从而实现超高非线性和低损耗。器件能实现体积紧凑、高度集成的超高非线性信号处理功能，成果可望应用于下一代集成的通信、计算、存储、互联系统中。

本项目设计了硅－聚合物－金属纳米光波导器件及调制器，并进一步提出和设计了基于硅基表面等离子体效应的16QAM高阶码型调制器、模式选择布喇格光栅反射器、光参量放大器等。制备并测试了关键的狭缝波导纳米器件，进行了多波段光无线信号产生、处理及传输的系统演示。. 具体来说，提出了一种新型硅基表面等离子体调制器，其基本单元是硅基金属-介质-金属狭缝移相器，可有效减少模场体积（50 x 80 nm），提高调制效率。此外还提出基于表面等离子体的移相器，仅用二个移相器就可以实现16-QAM高阶调制器，具有简单紧凑的优点。提出了硅基表面等离子体模式选择布拉格滤波器结构，具有结构紧凑的优点，可实现同时的波长和幅度调谐功能。设计了具有强模场局域性、低损耗的纳米硅基表面等离子体波导结构并分析了器件特性。为了实现低损耗和模场的局限性，我们提出硅基混合表面等离子体（SHP）波导结构，即硅-聚合物-金属波导，基于硅脊形波导结构，在波导脊周围以气相沉积方式沉积上一层聚合物薄膜，最后再在聚合物薄膜上镀上金属。SHP波导使得光被局限在纳米级聚合物波导里，从而达到纳米级的模场和低损耗，可望实现小体积高速光信号处理器件。制备了能与硅波导集成的具有纳米级模场直径以及较小的传输损耗的光波导器件。狭缝最小尺寸72纳米。在系统应用方面，进行了多波段信号产生、调制、传输与处理的系统实验。利用六倍频和分层调制等技术，实现了集成化的射频基带融合的网络和节能光网络实验系统，提出新型的分层调制方法，充分利用了系统冗余度，可实现28%的节能效果。. 项目共发表SCI论文17篇，其中在IEEE PTL、JLT、Optics Express等影响因子大于2的SCI期刊上发表论文13篇。参加OFC等国际会议，发表论文8 篇。申报发明专利5项。承办信息光电子研讨会1次。和美国加州大学Davis分校Ben Yoo教授、美国Georgia Tech大学G.K. Chang教授合作进行博士生访学。项目进行过程中毕业博士生、硕士生5人，在读4人。