Рябцев Илья Александрович. Исследование оптической бистабильности в кремниевых микрокольцевых резонаторах

Краткое описание

Рябцев Илья Александрович. Исследование оптической бистабильности в кремниевых микрокольцевых резонаторах;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»], 2023

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)»
На правах рукописи

Рябцев Илья Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ БИСТАБИЛЬНОСТИ В
КРЕМНИЕВЫХ МИКРОКОЛЬЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРАХ
Специальность 1.3.4 - Радиофизика
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Научный руководитель Доктор физико-математических наук, профессор
Устинов Алексей Борисович
Санкт-Петербург
2024

ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Электромагнитные волны в диэлектрических волноводах и микрокольцевых резонаторах (обзор) 9
1.1. Спектр электромагнитных волн в прямоугольных диэлектрических
волноводах 9
1.2. Технологическая платформа кремний на изоляторе 21
1.3. Микрокольцевые резонаторы 26
1.4. Нелинейные свойства кремниевых микроволноводов и микрокольцевых
резонаторов 28
1.5. Применение интегральных микрокольцевых резонаторов 31
Выводы по главе 1 33
2. Исследование спектра резонансных частот кремниевых микрокольцевых резонаторов 35
2.1. Дисперсия электромагнитных волн ближнего инфракрасного диапазона
в прямоугольных микроволноводах из кремния 35
2.2. Теория микрокольцевого резонатора, учитывающая дисперсионные
свойства электромагнитных волн 41
2.3. Моделирование характеристик микрокольцевых резонаторов 47
2.4. Экспериментальное исследование кремниевых МКР методом
оптической волноводной спектроскопии 52
2.4.1. Описание экспериментального макета, экспериментальной установки и методики измерений 52
2.4.2.Экспериментальные результаты 57
2.5. Измерение характеристик резонаторов методом рефлектометрии 60
Выводы по главе 2 65
2

3. Теория бистабильности кремниевых микрокольцевых резонаторов с учетом
нелинейного затухания оптического излучения 67
3.1. Модель бистабильности кремниевых МКР с учетом нелинейного
затухания 67
3.2. Оптическая бистабильность МКР при тепловой нелинейности 73
3.3. Оптическая бистабильность МКР при зарядовой нелинейности 77
3.4.Оптическая бистабильность МКР при сосуществовании зарядовой и тепловой нелинейностей 80
Выводы по главе 3 83
4. Экспериментальное исследование оптической бистабильности в
кремниевых микрокольцевых резонаторах 84
4.1.Экспериментальная установка и методика измерений нелинейных кремниевых МКР 84
4.2. Экспериментальное исследование бистабильных резонансных
характеристик и переходных процессов при доминирующей зарядовой нелинейности 89
4.3. Экспериментальное исследование бистабильных резонансных
характеристик и переходных процессов при доминирующей тепловой нелинейности 93
4.4. Экспериментальное исследование оптической ячейки памяти на микрокольцевом резонаторе с доминирующей зарядовой нелинейностью 96
Выводы по главе 4 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 113
3

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем:
1. Построена модель кремниевого микрокольцевого резонатора, которая позволяет аналитически учесть дисперсионные свойства оптического излуче¬ния. Модель является универсальной, позволяющей моделировать многомодо¬вый спектр резонансного поглощения оптического излучения в резонаторе при варьировании любых параметров его конструкции таких, как диаметр кольца, коэффициент связи, потери на распространение и размеры поперечного сече¬ния.
2. Промоделированы амплитудно-частотные характеристики кремние¬вого микрокольцевого резонатора. Показано, что характеристики представ¬ляют собой набор резонансных пиков, расстояние между которыми, а также их добротность зависят от различных параметров резонатора. Так, с ростом коэффициента связи и декремента затухания добротность резонансных пиков уменьшается, а увеличение диаметра кольца ведет к уменьшению межмодо¬вого диапазона.
3. Проведено количественное сопоставление экспериментальных и тео-ретических амплитудно-частотных характеристик кремниевых микрокольце¬вых резонаторов, изготовленных по технологиям ФИС и ЭФИС. Показано хо¬рошее соответствие экспериментальных данных с результатами численного моделирования, что подтверждает адекватность разработанной модели микро-кольцевого резонатора.
4. Построена модель оптической бистабильности кремниевых микро-кольцевых резонаторов, учитывающая нелинейное затухание оптического из-лучения. Модель учитывает эффекты Керра, плазменной дисперсии и термо-оптический эффект, ведущие к изменению показателя преломления с ростом интенсивности оптического излучения в резонаторе, и, как следствие, к нели-нейному сдвигу резонансной частоты и появлению бистабильности. Модель
104

также учитывает эффекты двухфотонного поглощения и поглощения энергии свободными носителями заряда, ведущие к нелинейному затуханию оптиче¬ского излучения в резонаторе. Модель является универсальной и позволяет моделировать вклад каждого из названных нелинейных эффектов в формиро¬вание нелинейных резонансных кривых кремниевых МКР по-отдельности.
5. Проведено моделирование бистабильных резонансных кривых крем-ниевых МКР. Показано, что при тепловой нелинейности нелинейный сдвиг ча-стоты является отрицательным. Учет нелинейного затухания приводит к уменьшению интенсивности оптического излучения и к росту нелинейного сдвига частоты из-за самонарастающего разогрева резонатора.
6. При сосуществовании обоих типов нелинейности в кремниевых МКР направление нелинейного сдвига частоты определяется соотношением между параметрами резонатора, определяющими величину тепловой или зарядовой нелинейности. Кроме того, во всех случаях нелинейное затухание оптического излучения ведет к уменьшению коэффициента передачи МКР на резонансной частоте из-за роста потерь.
7. Впервые наблюдалась оптическая бистабильность, обусловленная за-рядовой нелинейностью, в кремниевом микрокольцевом резонаторе при не-прерывном оптическом излучении. Основная роль зарядовой нелинейности и вторичная роль тепловой нелинейности при формировании нелинейного от¬клика резонатора была обеспечена путем применения покрывного слоя с эф¬фективным теплоотводом.
8. Разработана методика характеризации кремниевых микрокольцевых резонаторов, нелинейная динамика которых обусловлена одновременным со-существованием зарядовой и тепловой нелинейностей. Методика позволяет разделить вклады нелинейностей по-отдельности для дальнейшего использо¬вания их при моделировании нелинейного отклика кремниевых МКР.
9. Проведено экспериментальное исследование кремниевых МКР с до-минирующей тепловой и зарядовой нелинейностями. Исследованы кривые ре¬
105

зонансного поглощения при различных мощностях входного оптического из-лучения. Результаты показали, что оптическая бистабильность появляется при мощностях порядка десятков милливатт для резонатора с доминирующей теп¬ловой нелинейностью и при мощностях порядка единиц милливатт для резо¬натора с доминирующей зарядовой нелинейностью.
10. Изучены переходные процессы между бистабильными состояниями кремниевых МКР при непрерывном входном оптическом излучении. Пока¬зано, что время переходных процессов составляет десятки-сотни наносекунд для резонаторов с доминирующей зарядовой нелинейностью и десятки микро¬секунд для резонаторов с доминирующей тепловой нелинейностью.
11. На основе эффекта зарядовой нелинейности предложен и исследован элемент оптической памяти. Показано, что для записи логического «0» и ло-гической «1» необходимо приложение управляющего импульса длительно¬стью не менее 260 нс.