【摘要】：隨著超大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展,現(xiàn)有的電子芯片的集成程度已經(jīng)達到極限。在此情況下,人們寄希望通過新型的光子芯片取代電子芯片來更可靠且更高速地控制和傳遞信息。近年來,芯層和絕緣層具有較大折射率差的SOI光學波導作為光電集成的一種有效平臺,引起了人們廣泛的研究興趣,有關硅光子學的研究結(jié)果層出不窮。與傳統(tǒng)的光學波導相比,SOI波導具有自身特有的材料和結(jié)構(gòu)特性。SOI波導的芯層和絕緣層具有較大的折射率差,這使得整個波導結(jié)構(gòu)對光的約束作用很強。除此之外,SOI波導具有比光纖波導高數(shù)個量級的非線性系數(shù),從而具有更強的非線性效應：包括克爾效應和受激拉曼散射效應。此外,受自身材料的影響,還具有雙光子吸收、自由載流子吸收和自由載流子色散等光纖波導不具備或者不顯著的非線性光學效應。 本文首先總結(jié)了硅光子學理論和實驗研究的發(fā)展情況,在此基礎上系統(tǒng)地研究了SOI波導中的各種非線性光學效應,目的在于深刻理解SOI波導中的各種非線性光學效應的物理機制機理、可能存在的實際應用價值以及各種硅基波導結(jié)構(gòu)在應用過程中將可能面臨的各種內(nèi)在的困難,并利用這些非線性效應光學功能函數(shù)探索和設計了各種應用模型。 本論文的研究內(nèi)容主要包含以下幾個方面： 1、數(shù)值研究了SOI波導的模式和色散特性,為了得到準確而有效的結(jié)果,文中在分別采用了頻域有限差分方法(FDFD)、有限元方法(FEM)和光束傳輸方法(BPM)模擬了波導的模式和色散特性,討論了各種數(shù)值方法的適用范圍。在此基礎上,通過靈活設計波導的幾何參數(shù),實現(xiàn)了波導色散的精確調(diào)控,可以根據(jù)實際需要對波導的零色散波長點進行有效調(diào)節(jié)。 2、建立了超快光脈沖在SOI波導中傳輸?shù)妮^為完備的理論模型,詳細描述了SOI波導中各種非線性光學效應產(chǎn)生的內(nèi)在物理機制和過程,包括自相位調(diào)制效應、交叉相位調(diào)制效應、受激拉曼散射效應、四波混頻效應、雙光子吸收效應、自由載流子吸收效應和自由載流子色散效應等非線性光學過程。 3、研究了飛秒脈沖在SOI波導中傳輸并產(chǎn)生超連續(xù)譜的過程,研究結(jié)果表明孤子分裂和色散波輻射在SOI波導中的超連續(xù)譜產(chǎn)生過程中起著重要的作用,輸入脈沖的初始啁啾參數(shù)對超連續(xù)譜的展寬程度和平坦度有著重要的影響,需要通過優(yōu)化初始啁啾參數(shù)來實現(xiàn)最寬最平坦的超連續(xù)譜。 4、建立了多個超快光脈沖在SOI波導中傳輸?shù)暮啿⒎蔷�性傳輸耦合方程組,該方程組詳細描述了泵浦光、信號光和閑頻光在滿足相位匹配條件下各自的演化過程。實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率中紅外SOI波導光參量放大器,在克服了各種非線性損耗的不利條件下,中紅外SOI波導光參量放大器的轉(zhuǎn)換效率可以得到有效提升；進行了寬調(diào)諧SOI波導光參量振蕩器技術研究。利用波導的高階色散效應和非線性效應的共同作用實現(xiàn)超寬帶相位匹配,從而實現(xiàn)了信號光以及閑頻光在較寬光譜范圍內(nèi)的可調(diào)諧輸出。數(shù)值模擬結(jié)果表明：寬調(diào)諧SOI波導光參量振蕩器的調(diào)諧帶寬可達266nm。 5、對基于SOI波導的級聯(lián)四波混頻效應進行了研究。著重考慮了波導長度、波導色散斜率和輸入泵浦功率對級聯(lián)四波混頻產(chǎn)生的影響,并對這些參數(shù)進行了優(yōu)化,在超過1000nm的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了有效的級聯(lián)四波混頻產(chǎn)生,形成了類似于頻率梳狀的頻率分布。 6、進行了鎖模光纖激光器和光子晶體光纖參量振蕩器的理論和實驗研究。實驗上建立了基于SESAM的飛秒鎖模光纖激光器及放大系統(tǒng),輸出功率為1W,重復頻率為25MHz。另外利用此系統(tǒng)作為泵浦光,搭建了光子晶體光纖參量振蕩器系統(tǒng),著重研究了耦合效率、偏振調(diào)節(jié)和同步泵浦對光子晶體光纖參量振蕩器的調(diào)諧帶寬的影響,實驗上得到了飛秒脈沖光子晶體光纖參量振蕩器的初步結(jié)果。
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【學位授予單位】：中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN814

【參考文獻】

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1 吳建偉;SOI波導中的超快非線性光學及應用[D];華中科技大學;2008年

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本文編號：2329186