可调谐葫芦形硅基环形谐振器中的光学双稳态
近期,课题组报道了一个高品质因子的可调谐葫芦形硅基环形谐振系统,该系统用于高效地产生光学双稳态,这将在光存储、计算和信号领域具有广泛的应用前景。相关工作于2022年7月发表在《nanomaterials》。
对于一般的硅基环形谐振器来说,光学双稳态是由双光子吸收、自由载流子吸收和色散、自相位控制和热光效应引起的,在光学逻辑门和相关的触发器结构中有着广泛的应用。调节微腔的相位也可用于实现光学双稳态。微环的线性损耗非常低,且微环的半径也非常小,便于观察到具有低输入光功率的双稳态。实际上,由于光波在U形波导中反复耦合,光学双稳态也会很容易地产生。此外,已经提出的交叉耦合系统可以产生光学双稳态。然而,该系统交叉耦合的结构导致谐振系统的品质因子下降,这一点不利于该系统非线性光学的应用。高品质因子的光学谐振器具备吸收和存储光子更长时间的能力,这一点显然更加有利于非线性光学的应用。为了提高品质因子,同时充分利用光波多重谐振结构的特点,一个可调谐葫芦形硅基环形谐振器被提出,可以在微腔中产生高效地光学双稳态。它由底部U形反馈波导和顶部葫芦形状的两个微腔构成,其中两个微腔可实现高的品质因子,且波导都是由多个自耦合结构组成。该器件由商业CMOS工厂制造,其谐振波长和消光比被高效地调节。而由于谐振器葫芦形状的结构,光学双稳态被很容易地产生。
图1. (a) 可调谐葫芦形硅基环形谐振系统结构图,虚线为光的传播方向。(b) 芯片的显微图
(c-e)是对应虚线框区域的放大视图。
我们使用波长为1548.86 nm作为泵浦波长,与谐振波长略有不同,以明显观察输入光强对谐振性能的影响。随着输入光功率在6 mW 左右变化时,光学双稳态可以高效地产生。非线性光学效应使得波导有效折射率随着输入光强的增加而增加,从而导致谐振波长发生红移。它进一步影响耦合条件,且由于光波在微腔中多次耦合和长时间谐振产生的反馈系统引起环中光强下降。当输入光功率增加到某一数值,输出光功率会产生跳跃,一个双稳态现象会产生;类似的现象在输入光功率下降时也会产生。换句话说,光学双稳态主要取决于谐振系统中储存的光能。这样,高品质因子的葫芦形硅基环形谐振器能够高效地产生光学双稳态。该双稳态器件为实现具备更高处理速度和带宽的数据存储和信号处理都提供了可能。
图2 可调谐葫芦形硅基环形谐振系统的光学双稳态性能。
本工作的其他合作者还包括上海理工大学博士生陈剑,硕士生刘海鹏、袁硕、郭松,中国科学院上海技术物理研究所于清华研究员,华东师范大学精密光谱学国家重点实验室曾和平教授。该工作并得到国家自然科学基金、上海市启明星计划、上海市高等学校特聘教授(东方学者)计划和中国科学院智能红外传感重点实验室开放基金的支持。