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微环中的非线性效应

2021-11-09 光学小豆芽 阅读:
这篇笔记整理下微环谐振器中的非线性效应。在微环调制器中,如果输入功率过高,观测到的光谱将会如下图所示,而不是左右对称的Lorenz型。当输入光功率逐渐增大时,光谱变得左右不对称。

这篇笔记整理下微环谐振器中的非线性效应。msOednc

在微环调制器中,如果输入功率过高,观测到的光谱将会如下图所示,而不是左右对称的Lorenz型。当输入光功率逐渐增大时,光谱变得左右不对称。msOednc

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(图片来自文献1)msOednc

当光在微环中传输时,可能会发生双光子吸收效应(two-photon absoprtion, 简称TPA)。光子被吸收后,产生自由载流子, 引起波导折射率的变化。而这些载流子被材料吸收后(free carrier absoprtion, 简称FCA),也会导致波导折射率的变化。这些被激发的载流子通过表面复合,将能量传递到声子上,导致硅波导的温度上升,也就是所谓的self-heating效应。这几种非线性效应的能带示意图如下图所示,msOednc

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(图片来自文献1)msOednc

这几种非线性效应中,TPA和FCA使得载流子浓度变大,波导折射率变小,微环的共振波长将会蓝移,而热效应使得波导折射率变大,共振波长将会红移。这几种效应同时发生,微环中会存在双稳态效应(bistablity), 如下图所示。msOednc

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(图片来自文献2)msOednc

典型的激光器波长与微环共振波长的曲线如下图所示,msOednc

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(图片来自文献2)msOednc

微环的初始共振波长为1545.2nm, 当激光器的波长从短波长逐渐扫描到该波长时,由于微环中的能量增加,热效应占主导,共振波长发生红移,对应state A。进一步增大波长时,就会进入双稳态区域。此时微环有两个谐振点B和C,微环的工作状态取决于如何激发它。对于state C, 激光器需要从长波长开始扫描,从state D进入到state C。msOednc
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微环谐振器中存在多种非线性效应,相对复杂,使得微环的工作点发生改变。需要选取合适的激发条件,并且选取合适的入射光功率。微环调制器需要精细的电路控制,只有理清楚这些底层的物理效应,才能更好的设计相关的反馈控制电路。个中细节,还需仔细品味。msOednc

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参考文献:msOednc

  1.  G. Priem, et.al., "Optical bistability and pulsating behaviour in Silicon-On-Insulator ring resonator structures", Opt. Exp. 13, 9623(2005).msOednc

  2. M. Cea, et. al., "Power handling of silicon microring modulators", Opt. Exp. 27, 24274(2019).msOednc

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