隨著科技的迅速發(fā)展,光脈沖在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,如通信領(lǐng)域的密集波分復(fù)用系統(tǒng)、軍事領(lǐng)域的激光武器、生物醫(yī)療領(lǐng)域的細(xì)胞成像以及精密加工領(lǐng)域的高能激光等。人們期望可以對脈沖時(shí)頻域特性進(jìn)行靈活的處理,以期獲得超短脈沖、高能量脈沖、寬帶脈沖以及窄線寬脈沖。這些性能各異的脈沖源可用于寬帶通信系統(tǒng)、超快顯微學(xué)和生物學(xué)、高能量脈沖激光器、高速信號傳輸系統(tǒng)、高分辨率相干斷層掃描、高相干光頻梳、高分辨率分子成像以及全光信號處理。然而,超快超強(qiáng)的光脈沖時(shí)頻域響應(yīng)只能在合適的介質(zhì)中以及大的光強(qiáng)下才能發(fā)生。微納波導(dǎo)(Micro-nano waveguide,MNW)如硅波導(dǎo)、硫系化物波導(dǎo)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了契機(jī)。由于這些波導(dǎo)微小的尺寸和強(qiáng)烈的三階非線性效應(yīng),可將光電器件的響應(yīng)時(shí)間從納秒提高到飛秒級別。本文圍繞由MNW中的三階非線性效應(yīng)引起的脈沖時(shí)域壓縮和整形、頻譜展寬和壓縮等展開了深入研究。主要的研究內(nèi)容和取得的成果如下:1.提出了反常色散區(qū)自相似脈沖壓縮的方案,在通信波段和中紅外波段分別設(shè)計(jì)了硫系化物-硅槽形錐波導(dǎo)和反錐形硅波導(dǎo)進(jìn)行皮秒脈沖自相似壓縮。在長度為6 cm的硫系化物-硅槽形錐波導(dǎo)中將入射脈寬為1ps的基階孤子壓縮至81.5 fs,實(shí)現(xiàn)了 12.3的壓縮倍數(shù);在長度為5.1 cm的反錐形硅波導(dǎo)中將入射脈寬為1 ps的脈沖壓縮至57.29 fs,壓縮倍數(shù)為17.46。兩個(gè)波導(dǎo)的壓縮倍數(shù)都大大高于已報(bào)道的GaInP光子晶體波導(dǎo)和Si光子晶體波導(dǎo)中的脈沖壓縮倍數(shù)。這些方案的提出解決了脈沖壓縮過程中不可避免的基座難題,理論上可實(shí)現(xiàn)無基座的脈沖輸出。另外,兩種波導(dǎo)都利用較低的輸入功率和較短的長度即可實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖的有效壓縮,在低功耗、可集成的片上超短脈沖源上有潛在應(yīng)用。2.提出了正常色散區(qū)拋物線脈沖(Parabolic pulse,PP)的產(chǎn)生方法,研究了利用錐形摻氫非晶硅波導(dǎo)分別實(shí)現(xiàn)通信波段(1550 nm)和中紅外波段(2150 nm)PP的產(chǎn)生。在長度為1 cm的波導(dǎo)中生成了高質(zhì)量的PP,其在1550 nm波長處的失配系數(shù)低至1.19×10-3,在2150 nm波長處的失配系數(shù)低至9.17× 10-4。利用正常色散區(qū)的自相似理論(Self-similar theory,SST)研究了色散和非線性系數(shù)分別變化情況下的PP的產(chǎn)生機(jī)制,從理論上分析了用錐形波導(dǎo)產(chǎn)生PP的方法,拓展了SST在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上,采用二分法設(shè)計(jì)出色散和非線性同時(shí)變化的錐形硅波導(dǎo),在長度1 cm的錐形硅波導(dǎo)中產(chǎn)生了失配系數(shù)低至1.3 ×10-3的PP,并且分析了輸入峰值功率和脈沖寬度對不同長度的錐形硅波導(dǎo)中PP產(chǎn)生的影響。此部分工作可為片上無源PP的產(chǎn)生提供理論指導(dǎo)。3.提出了錐形硅波導(dǎo)中正常色散區(qū)PP自相似傳輸方法。根據(jù)SST推導(dǎo)計(jì)算了非線性薛定諤方程的自相似條件。將自相似條件分為三種,詳細(xì)分析了每一種情況的物理機(jī)制。根據(jù)三種自相似條件設(shè)計(jì)了三種長度為1 cm的錐形硅波導(dǎo),并分析研究三種錐形硅波導(dǎo)中PP自相似傳輸?shù)漠愅c(diǎn)。PP自相似傳輸過程中的脈寬和峰值功率變化的數(shù)值解與解析解高度吻合,驗(yàn)證了自相似條件的正確性。提出了一種級聯(lián)的硅波導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)PP的產(chǎn)生和壓縮,將初始脈寬為300 fs的高斯脈沖先轉(zhuǎn)化成PP,然后再壓縮至35.6 fs輸出,實(shí)現(xiàn)了 8.4的壓縮倍數(shù)。該方案利用PP的正線性啁啾特點(diǎn),在可集成波導(dǎo)中產(chǎn)生了超短飛秒脈沖,在實(shí)現(xiàn)低功耗、小尺寸的片上超短脈沖源上有巨大潛力。4.研究了Ⅲ-V族MNW中紅外超寬帶、高相干超連續(xù)譜的產(chǎn)生,提出了四種不同尺寸和結(jié)構(gòu)的Al0.I8Ga0.82As條形波導(dǎo)來產(chǎn)生超寬帶、高相干超連續(xù)譜,根據(jù)產(chǎn)生的超連續(xù)譜的不同以滿足不同的需求。分別采用Al0.2Ga0.8As和A1203作為下包層,Al0.1sGa0.82As作為芯層設(shè)計(jì)不同的寬度和高度的MNW。在設(shè)計(jì)的波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)的最大譜寬可從2μm到18 μm,大于目前硅和硫系化物波導(dǎo)中產(chǎn)生的超連續(xù)譜的寬度。通過改變泵浦峰值功率和中心波長,對超連續(xù)譜展寬機(jī)制和相干特性進(jìn)行了詳細(xì)分析,為III-V族可集成的寬帶光源的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo),在生物醫(yī)學(xué)檢測和成像、高精密測量等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。5.提出了利用氮化硅MNW在通信波段進(jìn)行頻譜壓縮的方法。在4 cm長的氮化硅條形波導(dǎo)中將初始頻譜寬度為6.19 THz的啁啾PP壓縮至0.24 THz,壓縮倍數(shù)高達(dá)25.8,產(chǎn)生的脈沖無啁啾且基座低至-15.5 dB。該方案首次在可集成氮化硅波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了有效的PP頻譜壓縮。該方案具有壓縮倍數(shù)大、脈沖基座低等多方面優(yōu)勢,可用于集成的片上譜壓縮器。另外,設(shè)計(jì)了彎曲的硫系化物條形波導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)頻移孤子譜壓縮。當(dāng)輸入峰值功率為25 W時(shí),52.04 nm寬的頻譜可被壓縮至7.23 nm,壓縮倍數(shù)達(dá)7.2,同時(shí)中心波長移動(dòng)17 nm。當(dāng)輸入脈沖的峰值功率為75 W時(shí),頻譜壓縮倍數(shù)為4.9,頻移量高達(dá)190 nm。該方案同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大的頻譜壓縮和孤子自頻移,在可調(diào)諧激光器和寬帶成像系統(tǒng)上有重要應(yīng)用。然后將該頻譜壓縮方案用于可集成全光量化系統(tǒng)中,利用量化分辨率與頻譜壓縮倍數(shù)和孤子頻移量之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了4 bit的量化分辨率。該方案降低了全光量化系統(tǒng)的復(fù)雜性,對實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單的片上全光信號處理系統(tǒng)有重要的意義。本文的研究工作豐富了MNW中光脈沖非線性傳輸理論,探索了基于三階非線性效應(yīng)的脈沖時(shí)頻域變化機(jī)制,設(shè)計(jì)出不同尺寸和結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮和整形、頻譜展寬和壓縮,為可集成,低功耗、低成本和高性能的片上光源和光電器件的實(shí)現(xiàn)提供了理論指導(dǎo),在生物醫(yī)學(xué)成像和檢測、高速通信和測量等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O437;TN814
【部分圖文】：

這種光纖于１９９６年由英國巴斯大學(xué)首次提出。由于其能夠?qū)崿F(xiàn)在傳統(tǒng)光纖中無法逡逑實(shí)現(xiàn)的限制特性，因此被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖激光器、非線性通信器件、逡逑高靈敏度傳感器等。圖１－１給出了典型的實(shí)心ＰＣＦ掃描電子顯微圖。芯層直徑為５逡逑ｐｍ，空洞直徑為４邋＾ｍ。由于ＰＣＦ具有高的非線性系數(shù)和靈活的色散調(diào)節(jié)能力，逡逑在其中可以觀察到很多三階非線性效應(yīng)，如ＳＰＫ＃８］、受激拉曼散射、波長變逡逑換＿、受激布里淵散射［４１］、ＦＷＭｌ４２］等。逡逑，Ｉ逡逑１逡逑圖１邋－１實(shí)心ＰＣＦ橫截面的⑻掃描電子顯微圖及其（ｂ）放大圖逡逑然而，ＰＣＦ存著兩個(gè)方面的問題，第一個(gè)是纖芯的直徑一般在微米量級，還逡逑不夠小，如果進(jìn)一步拉細(xì)容易引起空氣孔的坍塌，拉細(xì)之后的芯徑在高強(qiáng)度光下逡逑容易被燒壞。其次是ＰＣＦ無法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件制作工藝兼容，因此無法集成逡逑在一塊基片上。隨著微納加工技術(shù)的日益發(fā)展，微納波導(dǎo)（Ｍｉｃｏ－ｎａｎｏ邋ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，逡逑ＭＮＷ）己經(jīng)可以被制作出來。由于ＭＮＷ的尺寸只有幾百個(gè)甚至數(shù)十個(gè)納米大小

出１到３個(gè)數(shù)量級。此外，基于這些材料的波導(dǎo)器件可以做到小型化，因此ＭＮＷ逡逑無論是在三階非線性效應(yīng)物理機(jī)制的探索上，還是在通信、醫(yī)學(xué)、傳感等應(yīng)用方逡逑面都具有極大的優(yōu)勢。圖１－２給出了典型的絕緣體上娃波導(dǎo)（Ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｏｎ邋ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，逡逑ＳＯＩ）的橫截面示意圖和三維掃描電子顯微圖。逡逑邐＞）邋、逡逑（ａ）邋Ｍｌ！逡逑９０ｊ邋ｕｎｄｅｆ邋ｄａｄｃｉｉｇ逡逑圖１－２硅基絕}閭宀ǖ嫉模ǎ幔┖嶠孛媸疽饌己停ǎ猓┤璧繾酉暈⑼煎義轄昀�，ＭＮＷ中的三阶犯[咝孕вΦ玫攪斯惴旱難芯�，染J璨ǖ跡郟矗常矗擔(dān)蕁⑹義嫌⒉ǖ跡郟矗叮鶯偷瑁郟矗罰薟ǖ賈械模櫻校�。諒T┭繡辰峁礱鰨諳嗤氖淙牘β氏攏義霞父隼迕壯さ墓璨ǖ疾姆竅咝韻嘁瓶梢雜爰該壯さ模校茫葡啾饒�。２００＜忀彫Ｉ．邋Ｗ．辶x希齲螅椋澹璧熱搜繡沉斯璨ǖ賈校兀校投苑擅肼齔宓撓跋歟郟矗福藎冢保靛澹恚椎氖淙牘β氏率靛義舷至耍罰艫南轡�。２００Ｙ�輳模伲澹茫瑁錚櫚熱搜芯苛肆螄禱錛剮尾ǖ賈杏桑兀校鴕鸕膩義喜ǔぷ唬郟矗梗藎冢靛澹悖沓さ牟ǖ賈惺迪至隋澹保板澹睿矸段У牟ǔぷ�，詫Χ高釉忊纤掷C義系慕峁�。２００５妮彫｝x疲酰耄酰洌岬熱搜繡沉斯枘擅撞ǖ賈械模疲祝停郟擔(dān)ǎ藎謚揮校保擔(dān)福悖礤義銑さ墓枘擅撞ǖ賈惺迪至耍常靛澹洌碌淖畬笞恍�。２００Ｒr

本文編號：2834172