基于片上布里渊效应全光模式转换的机理研究
为了提升光纤通信系统的通信容量来应对不断增加的通信业务需求，目前的高速光通信系统中已经利用了单模光纤中光波包括幅度、频率、相位以及偏振态等自由度。因此在面对未来对通信容量进一步增加的情况下，就需要开发光纤通信系统中新的复用自由度来提升光纤通信容量。借鉴偏振复用（PMD）中对两种相互正交的偏振态的复用技术，在少模光纤中利用空间模式正交特性构成的模分复用（mode-division multiplexing：MDM）技术，可以为光纤通信系统提供了一个崭新的复用自由度从而进一步的实现光纤通信容量的倍增。因此，MDM技术被广泛的认为是下一代光纤通信系统的重要潜在技术。 MDM技术对于满足迅猛增长的通信业务的需求，具有重要的理论与实际意义。模式转换技术是构建灵活且与现有光通信网络相兼容的模分复用传输系统的关键技术。随着现有光学器件向着可集成化方向的发展，一个可集成、宽工作带宽且可调谐的光模式转换器将会在未来的MDM系统中发挥重要的作用。在国家自然科学基金的资助下，本论文对硅基波导中基于前向受激布里渊效应和声光效应的模式转换器进行了一系列的理论研究以及制作测试。概括本论文的研究成果与贡献可以总结为如下几个方面： (1)通过深入了解和分析传统的受激布里渊效应，在同时考虑光辐射压力和电致伸缩力的情况下推导出了布里渊效应中的声光耦合方程。然后从原理和理论上论证了前向布里渊效应可以用于实现全光模式转换。另外，根据多模光波导中布里渊效应激发产生的声场与光场的相位匹配条件确定了在模式转换过程中声场的传播方向及其存在形式。 (2)通过对布里渊效应中声光相互作用及其耦合波方程的分析，得到了在微纳尺度的硅基芯片上实现高效的布里渊效应的基本条件。即能同时将声场和光场限制在同一个区域以较低的损耗进行传播，并且声场和光场的色散特性需要可以通过波导中不同的结构参数进行单独控制。为了实现这两个条件，我们提出了由悬空的矩形光波导和声子晶体组成混合波导结构的方案。 (3)通过对材料特性的综合分析，选择了硅（Si）和氮化硅（Si3N4）分别作为光波导和声子晶体的组成材料。在设计过程中通过将矩形Si波导作为线缺陷埋入了Si3N4的声子晶体平板中从而形成了声光混合波导，从而将声场和光场限制在了波导的同一个区域内。然后通过数值仿真，分析了常用的三种不同声子晶格类型（四方晶格，六方晶格和蜂巢状晶格）及其相关结构参数对混合波导中声场特性的影响。并根据对仿真结果的分析，给出了三种不同的声子晶体结构中的最佳结构参数。最后通过对不同声子晶体结构在最优化参数下的性能的横向对比，得出蜂巢状的晶格结构是此处声子晶体的最佳方案。 (4)提出了一种基于声光混合波导中前向受激布里渊的全光模式转换器，并且给出了波导的最佳结构参数。然后通过数值仿真分析给出了由光场基模E1x1向高阶模式E2x1转换的数值过程。仿真结果表明，该模式转换效率将会受到波导长度和注入光功率强度的影响。并且在考虑声场和光场损耗的情况下，该波导能够在通信波段中较大的带宽范围内实现最高88％的模式转换效率。 (5)提出了一种基于动态光栅的可逆并且可调谐光模式转器的设计方案，并且推导出了声光相互作用的声光耦合波方程。在综合考虑声场和光场限制和色散曲线特性的情况下给出了一个能实现三种模式转换的声光混合波导的最优化参数。另外，通过仿真分析可知在给定波导长度的情况下，该模式转换器的转换效率可以通过控制注入声场的强度来调节。并通过分析其相位匹配条件得出可以通过调节注入声场频率实现多种不同模式转换的方法。然后分析了在给定声场频率下，该模式转换器对于每种模式转换的工作带宽。最后，根据理论分析可知，通过优化该波导结构还能实现更多种类的光模式转换，这将使得该器件在未来的MDM系统中有着广泛的使用前景。 （6）利用微纳工艺平台制作出了声光混合波导样片，并通过对样片波导的测试论证了我们设计的混合波导中前向布里渊效应的存在。
光纤通信;前向布里渊效应;全光模式转换;声光混合波导;最优化参数
华中科技大学
博士
物理电子学
孙军强
2016
中文
TN929.11;O437.2
126
2017-04-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）