面向全光信號處理的高非線性硅基-聚合物狹縫波導

  全光信號處理技術由于可以克服光-電-光轉(zhuǎn)換過程帶來的速率限制，可極大地提高光網(wǎng)絡節(jié)點處信息處理速度，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。光學非線性是全光信號處理中不可或缺的關鍵效應，也是光通信、量子光學等現(xiàn)代光學技術的重要研究基礎之一。

  因此，如何增強器件的光學非線性特性成為光子集成、光通信、光信號處理等領域的重要研究內(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、低功耗以及與互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝相兼容等優(yōu)勢而備受關注。

  近日，深圳大學物理與光電工程學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，在硅基非線性光學器件領域取得重要研究進展，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，界面處的電場不連續(xù)從而產(chǎn)生突變，狹縫區(qū)發(fā)生電場疊加，使得光場得到有效增強。同時，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)，進一步增強器件的非線性特性。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，從而導致非線性過程轉(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主要將光場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，對光場的限制能力越強。

圖1 高非線性硅基聚合物狹縫波導結(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制備流程及電鏡圖

  該工作比較了長度為3 mm下，提出的高非線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)的非線性系數(shù)。非線性系數(shù)測試及計算通過兩束連續(xù)光的簡并四波混頻實現(xiàn)。

  實驗方案及測試結(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的四波混頻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率計算得出，高非線性硅基聚合物狹縫波導的非線性系數(shù)可達1.43×106 1/W/km，是未填充MEH-PPV時非線性系數(shù)的4倍，是普通條形波導的近6倍。

圖3 高非線性硅基聚合物狹縫波導四波混頻實驗及實驗結(jié)果

表1 三種波導非線性系數(shù)測試比較

  全光邏輯是全光信號處理中的基礎性技術，也是關鍵技術之一。在光網(wǎng)絡的各個層，都會涉及到與光邏輯有關的信號處理。如全光復用/解復用/分插復用、碼型轉(zhuǎn)換、波長轉(zhuǎn)換、2R再生(再整形、再定時)、全光判決、數(shù)據(jù)包交換、光標簽、包頭提取、包頭識別、全光采樣等。此外，全光邏輯也是實現(xiàn)全光計算的重要方法。全光計算技術采用光學方法實現(xiàn)對光數(shù)據(jù)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。

  基于該高非線性硅基聚合物狹縫波導中的四波混頻效應，團隊實現(xiàn)了速率為40 Gb/s的高速兩輸入全光標準邏輯單元運算。實驗方案如圖5所示。圖6展示的邏輯結(jié)果碼流正確、眼圖清晰張開，所有邏輯運算結(jié)果均達到無誤碼狀態(tài)。該高非線性硅基聚合物狹縫波導在未來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驗裝置

圖5 原始信號和邏輯運算信號的時域波形圖和眼圖

圖6 邏輯運算結(jié)果誤碼率測試

  深圳大學物理與光電工程學院博士后王永華為該論文的第一作者，深圳大學物理與光電工程學院雷蕾副教授、武漢光電國家研究中心董文嬋博士為論文共同通訊作者，深圳大學為第一完成單位。深圳大學碩士研究生何蘇、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研發(fā)計劃(2019YFB2203102)、國家自然科學基金(61805151，61905083)、廣東省自然科學基金(2020A1515011492)和深圳市技術攻關面上項目(JSGG20201102173200001)的支持。

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

  撰稿人 | 王永華