《Photonics Research》：面向全光信号处理的高非线性硅基-聚合物狭缝波导
全光信号处理技术由于可以克服光-电-光转换过程带来的速率限制，可极大地提高光网络节点处信息处理速度，在超高速光通信和高性能光计算等应用中显示出巨大潜力。光学非线性是全光信号处理中不可或缺的关键效应，也是光通信、量子光学等现代光学技术的重要研究基础之一。因此，如何增强器件的光学非线性特性成为光子集成、光通信、光信号处理等领域的重要研究内容。在众多非线性器件中，硅基光子集成器件由于具有高集成度、低功耗以及与CMOS工艺相兼容等优势而备受关注，是打破电子技术瓶颈的极具前景的平台方案。
近日，深圳大学物理与光电工程学院徐平教授团队与武汉光电国家研究中心张新亮教授团队合作，在硅基非线性光学器件领域取得重要研究进展，在《Photonics Research》(IF: 7.08, 中科院Top 1区，10(1), pp. 50-58 (2022)) 发表了题为“Enhanced optical nonlinearity in a silicon–organic hybrid slot waveguide for all-optical signal processing”的研究论文。该论文提出了一种高非线性硅基聚合物狭缝波导（SOHSW），当狭缝波导的波导（高折射率材料）与狭缝（低折射率材料）折射率差较大，且狭缝尺寸较小时，界面处的电场不连续从而产生突变，狭缝区发生电场叠加，使得光场得到有效增强。同时，将狭缝中填充高非线性聚合物MEH-PPV（Nonlinear indexn2=8.5±0.4×10?17m2∕W），进一步增强器件的非线性特性。器件结构如图1(a)所示。普通的硅基非线性器件会受到硅本身产生的双光子吸收效应（TPA）和由此产生的自由载流子吸收效应（FCA）的影响，从而导致非线性过程转换效率降低。而本文中，如图1(b)和1(c)所示，高非线性硅基聚合物狭缝波导主要将光场能量限制在狭缝中传播，大大降低了TPA和FCA的影响，且狭缝越窄，对光场的限制能力越强。
图1 高非线性硅基聚合物狭缝波导结构示意图及非线性系数仿真
器件的工艺流程及SEM图如图2所示。最终制备的器件狭缝宽度为45nm，狭缝深度218nm，硅波导宽度为350nm，MEH-PPV厚度250nm。
图2 高非线性硅基聚合物狭缝波导制备流程及电镜图
该工作比较了3mm长度下，提出的高非线性硅基聚合物狭缝波导、未填充聚合物的狭缝波导以及普通条形波导（220nm×450nm）的非线性系数。非线性系数测试及计算通过两束连续光的简并四波混频实现。实验方案及测试结果如图3所示，从结果可以看出，该工作提出的高非线性硅基聚合物狭缝波导的四波混频转换效率，相对于未填充聚合物的狭缝波导以及普通条形波导，分别提高了12dB和5dB以上。由四波混频转换效率计算得出，高非线性硅基聚合物狭缝波导的非线性系数可达1.43×1061/W/km，是未填充MEH-PPV时非线性系数的4倍，是普通条形波导的近6倍。
图3 高非线性硅基聚合物狭缝波导四波混频实验及实验结果
图4 三种波导非线性系数测试比较
全光逻辑是全光信号处理中的基础性技术，也是关键技术之一。在光网络的各个层，都会涉及到与光逻辑有关的信号处理。如全光复用/解复用/分插复用、码型转换、波长转换、2R再生(再整形、再定时)、全光判决、数据包交换、光标签、包头提取、包头识别、全光采样等。此外，全光逻辑也是实现全光计算的重要方法。全光计算技术采用光学方法实现对光数据信息的运算处理，具有并行处理、高速度、大容量、空间传输和抗电磁干扰等优点。基于该高非线性硅基聚合物狭缝波导中的四波混频效应，团队实现了速率为40Gb/s的高速两输入全光标准逻辑单元运算。实验方案如图5所示。图6展示的逻辑结果码流正确、眼图清晰张开，所有逻辑运算结果均达到无误码状态。该高非线性硅基聚合物狭缝波导在未来超快片上全光信号处理中将具有重要的应用前景。
图5 40Gb /s全光标准逻辑单元实验装置
图6 原始信号和逻辑运算信号的时域波形图和眼图
图7逻辑运算结果误码率测试
深圳大学物理与光电工程学院博士后王永华为该论文的第一作者，深圳大学物理与光电工程学院雷蕾副教授、武汉光电国家研究中心董文婵博士为论文共同通讯作者，深圳大学为第一完成单位。深圳大学硕士研究生何苏、叶飘飘，武汉光电国家研究中心博士研究生高晓岩也共同参与了该项工作。该工作得到了国家重点研发计划（2019YFB2203102）、国家自然科学基金（61805151，61905083）、广东省自然科学基金（2020A1515011492）和虎扑nba技术攻关面上项目（JSGG20201102173200001）的支持。
全文链接：https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-10-1-50&id=465963
（物理与光电工程学院 供稿）
