硅基波導中的非線性效應解析

1光通信

光纖通信系統已成為現代社會最重要的通信網絡之一，對海量信息的高速傳輸和處理也成為光纖通信系統中的重要功能，利用光子集成技術，通信系統由電互連走向光互連，有利于降低能耗、提高信息傳輸和處理速度。由于電子線路的物理極限，隨著器件集成度更高、器件尺寸更小，電子與電子間庫侖力表現的越來越明顯，電子傳輸速率的限制也將進一步限制集成電路中信息傳輸和處理性能的進一步提升。

光子不帶有電荷，光子與光子之間不具有庫侖力，又可以并行處理，極大提高了信息傳輸容量和處理速率，因此，集成光子技術應運而生，在全光網絡中將發揮獨特優勢。2014年王昭路博士對集成光路和集成電路進行了比較，如下表所示：

硅基光電子技術是在硅和硅基材料中實現光與電的信息或能量的轉換、傳輸和接收，由此產生的硅基光子學主要是研究以光子為信息傳輸載體的硅基集成技術，實現對光的產生、傳輸、調控、互連和接收。

目前，硅基光子學在硅基光源、硅基調制器、硅基探測器、硅基濾波器、硅基波導、硅基多模干涉耦合器、硅基微環諧振腔、偏振分集相關器件等方面都已取得了重要發展。其中，硅基波導作為一種無源硅基器件已成為硅基集成光路的重要組成部分，硅基波導的類型主要包括條形波導、脊型波導、光子晶體波導和溝槽波導。

根據硅基波導的組成可以分為二氧化硅光波導回路、硅鍺硅光波導器件和絕緣體上硅光波導器件，三者的比較如下表所示：

與光纖波導相比，硅基波導除了具有自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）、四波混頻（FWM）效應之外，還具有雙光子吸收（TPA）、自由載流子吸收（FCA）、自由載流子色散（FCD）等損耗特征。

前面幾期文章已經對HNLF、SOA、PPLN、光子晶體和硅基光電子設備在全光信號處理領域中的應用進行了介紹和比較，那么圍繞硅基波導的全光信號處理技術也已得到廣泛研究?；诠杌骷娜庑盘柼幚砑夹g主要集中在全光波長變換、碼型轉換、低噪放大、光邏輯門、光延時和緩存、全光再生、全光組播等方面。筆者將在后續對硅基波導中的非線性效應及幾種全光信號處理的應用進行推導和介紹。