王培勳

相較於傳統的金屬電纜，矽光子技術使用光線作為資訊載體，具有低損耗與高頻寬的優點，符合資訊產業大量資料傳輸的需求。在生醫檢測、神經網路、量子資訊等領域上也有矽光子可以發揮的空間。在矽光子技術發展中，微環形共振腔是其中一個重要光學元件，在做為線性元件時能做為調變器、感測器、開關、濾波器。在作為非線性元件時，微環形共振腔利用非線性轉換產生之光學梳，可用來做為波長分波多工(WDM)系統中的光源，取代傳統使用的分散回饋(Distributed Feedback, DFB)雷射二極體陣列。微環形共振腔所建構之非線性轉換，也可應用於量子光路中做為單光子光源。 本論文以氮化矽波導製成的高品質因子微環形共振腔為研究目標，並以LLE(Lugiato-Lefever equation)模型為理論基礎進行模擬分析，討論分別於零色散、正常色散、異常色散條件下所形成的非線性現象，諸如光孤子、暗孤子、Turing rolls等，並由光學梳轉換效率、產生機制、光學梳間隔等方面分析各個非線性現象於應用面的優劣。 第二部分在既有的LLE模型中引入模態交互作用。此模態交互作用可以利用雙環形波導(dual ring)設計、不同極化模態、高階模態耦合以及反向散射的方式產生。在正常色散裡，模態交互作用能夠在局部模態上造成等效異常色散，促使調變不穩定性(modulational instability)發生，在共振腔裡產生光學梳。由於多數非線性材料在紅外光譜屬於正常色散，模態交互作用將能增加微環形共振腔在波導結構與材料選擇的多樣性。針對共振腔的工作範圍，我們透過特徵值分析得到模態交互作用造成的模態增益，並計算出調變不穩定性的發生閥值，由此閥值得知光學梳只會在一部分的輸入光功率範圍內出現。因為光學梳是產生自正增益，與光孤子、暗孤子相較不會有初始電場的要求，能夠作為穩定的光源。在光場數值模擬中，模態交互作用不影響光學梳的頻率轉換效率，在高失諧的區域裡，光學梳的產生閥值受到雙穩態區域的影響，在文中有更多的介紹。 第三部分藉由半經典LLE模型(semi classical model)，得到在低於光學梳產生閥值時旁頻帶上(sideband)的自發輻射(spontaneous emission)光譜，光譜將可用於確保在微環形共振腔在作為量子光路的光源時，光子確實源自自發輻射。在高於光學梳產生閥值時，受激發射(stimulated emission)產生壓縮光光譜，經過比較後得知在此氮化矽微環形共振腔中Turing rolls能夠做為壓縮光的光源。而壓縮程度則隨著光譜頻寬增加而減少。