面向全光信號處理的高非線(xiàn)性硅基-聚合物狹縫波導

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

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

  近日，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院徐平教授團隊與武漢光電國家研究中心張新亮教授團隊合作，在硅基非線(xiàn)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。

  他們在論文提出了一種高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導(SOHSW)，當狹縫波導的波導(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)不連續從而產(chǎn)生突變，狹縫區發(fā)生電場(chǎng)疊加，使得光場(chǎng)得到有效增強。同時(shí)，將狹縫中填充高非線(xiàn)性聚合物MEH-PPV(非線(xiàn)性折射率n2=8.5±0.4×10?17 m2/W)，進(jìn)一步增強器件的非線(xiàn)性特性。器件結構如圖1(a)所示。

  普通的硅基非線(xiàn)性器件會(huì )受到硅本身產(chǎn)生的雙光子吸收效應(TPA)和由此產(chǎn)生的自由載流子吸收效應(FCA)的影響，從而導致非線(xiàn)性過(guò)程轉換效率降低。而本文中，如圖1(b)和1(c)所示，高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導主要將光場(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，對光場(chǎng)的限制能力越強。

圖1 高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導結構示意圖及非線(xiàn)性系數仿真

  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，硅波導寬度為350 nm，MEH-PPV厚度為250 nm。

圖2 高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導制備流程及電鏡圖

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

  實(shí)驗方案及測試結果如圖3所示，從結果可以看出，該工作提出的高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導的四波混頻轉換效率，相對于未填充聚合物的狹縫波導以及普通條形波導，分別提高了12 dB和5 dB以上。由四波混頻轉換效率計算得出，高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導的非線(xiàn)性系數可達1.43×106 1/W/km，是未填充MEH-PPV時(shí)非線(xiàn)性系數的4倍，是普通條形波導的近6倍。

圖3 高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導四波混頻實(shí)驗及實(shí)驗結果

表1 三種波導非線(xiàn)性系數測試比較

  全光邏輯是全光信號處理中的基礎性技術(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)的信號處理。如全光復用/解復用/分插復用、碼型轉換、波長(cháng)轉換、2R再生(再整形、再定時(shí))、全光判決、數據包交換、光標簽、包頭提取、包頭識別、全光采樣等。此外，全光邏輯也是實(shí)現全光計算的重要方法。全光計算技術(shù)采用光學(xué)方法實(shí)現對光數據信息的運算處理，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(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導中的四波混頻效應，團隊實(shí)現了速率為40 Gb/s的高速兩輸入全光標準邏輯單元運算。實(shí)驗方案如圖5所示。圖6展示的邏輯結果碼流正確、眼圖清晰張開(kāi)，所有邏輯運算結果均達到無(wú)誤碼狀態(tài)。該高非線(xiàn)性硅基聚合物狹縫波導在未來(lái)超快片上全光信號處理中將具有重要的應用前景。

圖4 40 Gb/s全光標準邏輯單元實(shí)驗裝置

圖5 原始信號和邏輯運算信號的時(shí)域波形圖和眼圖

圖6 邏輯運算結果誤碼率測試

  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，武漢光電國家研究中心博士研究生高曉巖也共同參與了該項工作。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2019YFB2203102)、國家自然科學(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)面上項目(JSGG20201102173200001)的支持。

  全文鏈接：https://www.researching.cn/articles/OJ4812f687c8f45644

  撰稿人 | 王永華