中紅外波段在光通信、工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷和紅外光譜學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。在這些應(yīng)用中,中紅外波轉(zhuǎn)換具有重要意義。和傳統(tǒng)的非線性材料相比,硅基波導(dǎo)具有更好的集成度和更高的非線性系數(shù),因此本論文系統(tǒng)研究了中紅外高非線性波導(dǎo)的設(shè)計(jì)以及波長轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法。論文的主要內(nèi)容包括:一、建立了適用于硅基石墨烯復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光波非線性傳輸矢量理論模型。在不滿足弱導(dǎo)近似的硅基石墨烯復(fù)合非線性波導(dǎo)中,基于標(biāo)量模型的光場傳輸分析將存在較大誤差。本論文根據(jù)入射光場的頻譜寬度、脈沖寬度以及非線性介質(zhì)的響應(yīng)速度等條件,得到了極化強(qiáng)度的時(shí)域和傅里葉頻域矢量表達(dá)形式;綜合考慮了波導(dǎo)中線性和非線性損耗、自由載流子效應(yīng)以及非線性相移等效應(yīng),給出了微擾場的矢量表達(dá)形式,并利用洛倫茲互易定理,建立了波導(dǎo)中微擾場和非微擾場之間的矢量關(guān)系;不同的導(dǎo)模通過色散和非線性過程相互耦合,結(jié)合極化強(qiáng)度的表達(dá)式展開線性和非線性微擾項(xiàng),得到了復(fù)振幅耦合波方程。二、近中紅外波段石墨烯線性和非線性光學(xué)特性的調(diào)節(jié)。對比分析石墨烯線性和非線性電導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)石墨烯的非線性克爾效應(yīng)在三光子共振吸收頻率處(hω≈2|μc|)的響應(yīng)最強(qiáng)烈,此處石墨烯的線性吸收也處于低損耗窗口。石墨烯的費(fèi)米能級(亦即化學(xué)電勢)和載流子濃度相關(guān),可以通過化學(xué)摻雜和施加門電壓改變石墨烯的化學(xué)電勢,進(jìn)而調(diào)節(jié)石墨烯的光學(xué)性質(zhì),使目標(biāo)波長處石墨烯的非線性響應(yīng)最強(qiáng)且損耗最小。三、設(shè)計(jì)了兩種高非線性石墨烯復(fù)合波導(dǎo):石墨烯包覆拉錐光纖和石墨烯硅基復(fù)合波導(dǎo)。在近中紅外波段,對兩種復(fù)合波導(dǎo)的非線性性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),通過調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)使其非線性系數(shù)最大且損耗最小,并仿真分析了波長轉(zhuǎn)換的效率、帶寬等特性。提出了適用于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中線性和非線性損耗都比較明顯的品質(zhì)因數(shù)(FOM)定義,并利用該定義對所設(shè)計(jì)波導(dǎo)的綜合非線性性能進(jìn)行評價(jià)。在纖芯直徑為0.736μm、長度為34.4μm的石墨烯包覆拉錐光纖中,當(dāng)泵浦光波長為1550nm、脈沖峰值功率為10W時(shí),仿真計(jì)算得到的轉(zhuǎn)換效率為-38.07dB,相應(yīng)的3 dB帶寬為430nm。在長度僅為幾十微米的硅基石墨烯復(fù)合波導(dǎo)中,當(dāng)連續(xù)光泵浦功率為0.5 W時(shí),簡并四波混頻的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)-18.5dB。在1.3～2.3μm的波段內(nèi),調(diào)節(jié)復(fù)合波導(dǎo)的幾何尺寸能夠使轉(zhuǎn)換效率保持平坦,而且相應(yīng)的3dB帶寬可以達(dá)到40～110nm。四、在硅基波導(dǎo)中基于簡并四波混頻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了中紅外波段的波長轉(zhuǎn)換。在中紅外1.95μm波長附近,測試了不同入射泵浦光功率和不同信號光波長條件下的四波混頻效應(yīng),得到的中紅外波長轉(zhuǎn)換效率約為-51 dB。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN21
【部分圖文】：

硅基波導(dǎo)需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以減小損耗提升波長轉(zhuǎn)換性能。利用化學(xué)腐蝕的方??法，Ｃｈｅｎｇ等將桂基脊形波導(dǎo)下方的二氧化桂層掏空，提出了一種桂基懸空脊形??波導(dǎo)和微環(huán)諧振腔［５３］，波導(dǎo)截面如圖１．４所示。在波導(dǎo)制作過程中，為了減小波??導(dǎo)表面的損傷，他們還采用化學(xué)氣相沉積（ＣＶＤ）法生長一層３０ｍｒｉ厚的氮化硅??保護(hù)層，在隨后的二氧化硅化學(xué)腐蝕液中能被直接祛除。最后，在中紅外２．７５ｐｍ??處，實(shí)驗(yàn)測得波導(dǎo)的傳輸損耗為３±０．７ｄＢ／ｃｍ。同樣，波導(dǎo)下方的襯底也可以考??慮用其它中紅外低損耗材料替代，比如氧化鋁［５４］。近年來，隨著微納加工和制備??水平的不斷提升，波導(dǎo)設(shè)計(jì)在選材和結(jié)構(gòu)上有了更大的自由空間，硅光子集成領(lǐng)??域逐漸出現(xiàn)了一些新型復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，比如，在傳統(tǒng)硅基狹縫波導(dǎo)中引入硅納晶??和金屬納米顆粒能有效減小導(dǎo)模的有效模場面積［５５］，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)的非線性響??應(yīng)；在波導(dǎo)表面覆蓋有機(jī)聚合物并生長金屬薄膜１５６］

早在１９４７年，Ｗａｌｌａｃｅ就開始了石墨烯的理論物理研究而直到２００４??年它才被Ｇｅｉｍ和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ利用機(jī)械剝離（枯膠帶）的方法從石墨晶體上分離??出來如圖１．５所示。理論計(jì)算得到的石墨烯能帶呈圓錐形，在狄拉克點(diǎn)附近??自由電荷具有近似線性的能量－動(dòng)量色散關(guān)系，表現(xiàn)為有效質(zhì)量為零的費(fèi)米子［６２］，??而且電子遷移速度高達(dá)２＼１０５（＾２又一意味著石墨烯具有良好的導(dǎo)電性［６３］。石墨??烯的光電特性已經(jīng)得到了大量的理論和實(shí)驗(yàn)探究［６＾７】，其線性電導(dǎo)率與入射電場??頻率、溫度、費(fèi)米能級＆?（化學(xué)電勢＆）及石墨烯中電子的現(xiàn)象散射率等因素??有關(guān)，具體表達(dá)式可以由Ｋｕｂｏ方程推導(dǎo)出給定相應(yīng)的物理參數(shù)，通過計(jì)??算得到的石墨烯電導(dǎo)率和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相符［７（）】。石墨烯的化學(xué)電勢同載流子的??濃度有關(guān)［７１】，實(shí)驗(yàn)中可以利用電學(xué)摻雜［７２］、化學(xué)摻雜［７３＿７５］、及光誘導(dǎo)摻雜［７６，７７］等??方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對石墨烯的電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。??６??

高［８（）］。接下來幾年里關(guān)于石墨烯非線性特性的研究報(bào)道并不多［８１，８２］，直到２０１０??年，Ｈｅｎｄｒｙ和Ｍｉｋｈａｉｌｏｖ首次在可見光和近紅外波段觀測到了石墨烯強(qiáng)烈的非線??性響應(yīng)［８３】，利用簡并四波混頻（ＤＦＷＭ）效應(yīng)（如圖１．６所示）實(shí)驗(yàn)測得的三階??極化率￣１０＿７ｅＳＵ，同比硅材料要高８個(gè)數(shù)量級，至此石墨烯的非線性才開始引起??廣泛的研究。在接下來的兩至三年，大量關(guān)于石墨烯非線性實(shí)驗(yàn)測量的文章被報(bào)??道出來ｔ８４＿８９ｌ由于測試方法、環(huán)境、波段，以及所采用的非線性過程等因素的差??異，測試結(jié)果之間存在較大的分歧。在理論分析方面，除了?Ｈｅｎｄｒｙ給出的四波??混頻相關(guān)的三階極化率的表達(dá)式，Ｒｉｏｕｘ等通過費(fèi)米黃金準(zhǔn)則（Ｆｅｒｍｉ’ｓ?Ｇｏｌｄｅｎ??Ｒｕｌｅ）計(jì)算了本征石墨燦的雙光子吸收系數(shù)［９Ｇ］，Ｊａｆａｒｉ在Ｒｉｏｕｘ的基礎(chǔ)上引入一??個(gè)質(zhì)量項(xiàng)并計(jì)算了開帶隙石墨烯的非線性響應(yīng)｜９１１，?Ｚｈａｎｇ等利用密度矩陣研究了??非摻雜石墨烯在飽和吸收區(qū)域的ＦＷＭ效應(yīng)。狄拉克點(diǎn)附近石墨烯中自由載流??子能量－動(dòng)量近似滿足線性色散關(guān)系
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