面向全光信號(hào)處理的高非線性硅基-聚合物狹縫波導(dǎo)

  全光信號(hào)處理技術(shù)由于可以克服光-電-光轉(zhuǎn)換過(guò)程帶來(lái)的速率限制，可極大地提高光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處信息處理速度，在超高速光通信和高性能光計(jì)算等應(yīng)用中顯示出巨大潛力。光學(xué)非線性是全光信號(hào)處理中不可或缺的關(guān)鍵效應(yīng)，也是光通信、量子光學(xué)等現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的重要研究基礎(chǔ)之一。

  因此，如何增強(qiáng)器件的光學(xué)非線性特性成為光子集成、光通信、光信號(hào)處理等領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。在眾多非線性器件中，硅基光子集成器件由于具有高集成度、低功耗以及與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝相兼容等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。

  近日，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院徐平教授團(tuán)隊(duì)與武漢光電國(guó)家研究中心張新亮教授團(tuán)隊(duì)合作，在硅基非線性光學(xué)器件領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，并在Photonics Research 上發(fā)表題為“Enhanced optical nonlinearity in a silicon–organic hybrid slot waveguide for all-optical signal processing”的研究論文。

  他們?cè)谡撐奶岢隽艘环N高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)(SOHSW)，當(dāng)狹縫波導(dǎo)的波導(dǎo)(高折射率材料)與狹縫(低折射率材料)折射率差較大，且狹縫尺寸較小時(shí)，界面處的電場(chǎng)不連續(xù)從而產(chǎn)生突變，狹縫區(qū)發(fā)生電場(chǎng)疊加，使得光場(chǎng)得到有效增強(qiáng)。同時(shí)，將狹縫中填充高非線性聚合物MEH-PPV(非線性折射率n2=8.5±0.4×10?17 m2/W)，進(jìn)一步增強(qiáng)器件的非線性特性。器件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

  普通的硅基非線性器件會(huì)受到硅本身產(chǎn)生的雙光子吸收效應(yīng)(TPA)和由此產(chǎn)生的自由載流子吸收效應(yīng)(FCA)的影響，從而導(dǎo)致非線性過(guò)程轉(zhuǎn)換效率降低。而本文中，如圖1(b)和1(c)所示，高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)主要將光場(chǎng)能量限制在狹縫中傳播，大大降低了TPA和FCA的影響，且狹縫越窄，對(duì)光場(chǎng)的限制能力越強(qiáng)。

圖1 高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖及非線性系數(shù)仿真

  器件的工藝流程及掃描電子顯微鏡(SEM)圖如圖2所示。最終制備的器件狹縫寬度為45 nm，狹縫深度為218 nm，硅波導(dǎo)寬度為350 nm，MEH-PPV厚度為250 nm。

圖2 高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)制備流程及電鏡圖

  該工作比較了長(zhǎng)度為3 mm下，提出的高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)、未填充聚合物的狹縫波導(dǎo)以及普通條形波導(dǎo)(220 nm×450 nm)的非線性系數(shù)。非線性系數(shù)測(cè)試及計(jì)算通過(guò)兩束連續(xù)光的簡(jiǎn)并四波混頻實(shí)現(xiàn)。

  實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)試結(jié)果如圖3所示，從結(jié)果可以看出，該工作提出的高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)的四波混頻轉(zhuǎn)換效率，相對(duì)于未填充聚合物的狹縫波導(dǎo)以及普通條形波導(dǎo)，分別提高了12 dB和5 dB以上。由四波混頻轉(zhuǎn)換效率計(jì)算得出，高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)的非線性系數(shù)可達(dá)1.43×106 1/W/km，是未填充MEH-PPV時(shí)非線性系數(shù)的4倍，是普通條形波導(dǎo)的近6倍。

圖3 高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)四波混頻實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 三種波導(dǎo)非線性系數(shù)測(cè)試比較

  全光邏輯是全光信號(hào)處理中的基礎(chǔ)性技術(shù)，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。在光網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層，都會(huì)涉及到與光邏輯有關(guān)的信號(hào)處理。如全光復(fù)用/解復(fù)用/分插復(fù)用、碼型轉(zhuǎn)換、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、2R再生(再整形、再定時(shí))、全光判決、數(shù)據(jù)包交換、光標(biāo)簽、包頭提取、包頭識(shí)別、全光采樣等。此外，全光邏輯也是實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的重要方法。全光計(jì)算技術(shù)采用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)光數(shù)據(jù)信息的運(yùn)算處理，具有并行處理、高速度、大容量、空間傳輸和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。

  基于該高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)中的四波混頻效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了速率為40 Gb/s的高速兩輸入全光標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)方案如圖5所示。圖6展示的邏輯結(jié)果碼流正確、眼圖清晰張開(kāi)，所有邏輯運(yùn)算結(jié)果均達(dá)到無(wú)誤碼狀態(tài)。該高非線性硅基聚合物狹縫波導(dǎo)在未來(lái)超快片上全光信號(hào)處理中將具有重要的應(yīng)用前景。

圖4 40 Gb/s全光標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 原始信號(hào)和邏輯運(yùn)算信號(hào)的時(shí)域波形圖和眼圖

圖6 邏輯運(yùn)算結(jié)果誤碼率測(cè)試

  深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院博士后王永華為該論文的第一作者，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雷蕾副教授、武漢光電國(guó)家研究中心董文嬋博士為論文共同通訊作者，深圳大學(xué)為第一完成單位。深圳大學(xué)碩士研究生何蘇、葉飄飄，武漢光電國(guó)家研究中心博士研究生高曉巖也共同參與了該項(xiàng)工作。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFB2203102)、國(guó)家自然科學(xué)基金(61805151，61905083)、廣東省自然科學(xué)基金(2020A1515011492)和深圳市技術(shù)攻關(guān)面上項(xiàng)目(JSGG20201102173200001)的支持。

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  撰稿人 | 王永華