本文關(guān)鍵詞：幾類光波導(dǎo)中的非線性光學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用探索，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：非線性光學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用的一門科學(xué)。激光出現(xiàn)以來(lái),非線性光學(xué)得到了快速和持續(xù)的發(fā)展,已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)研究的重要組成部分。一方面,通過光與物質(zhì)的非線性相互作用,為人們探測(cè)和認(rèn)識(shí)物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提供了非常有效的工具;另一方面,利用光與物質(zhì)的非線性相互作用,又為人們對(duì)光子進(jìn)行操控和處理提供了可行的手段,并促成了全光信息處理技術(shù)的誕生和發(fā)展。與此同時(shí),隨著材料技術(shù)和微納加工技術(shù)的進(jìn)步,各種適用于非線性光學(xué)的新材料、新結(jié)構(gòu)層出不窮,不斷為非線性光學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生和應(yīng)用提供新平臺(tái)、新機(jī)制和新方法,推動(dòng)非線性光學(xué)蓬勃發(fā)展。本文對(duì)幾種類型的光波導(dǎo),即高非線性光纖,硅基納米光子晶體波導(dǎo),以及硅基微環(huán)諧振腔中多種非線性光學(xué)效應(yīng)的基本物理機(jī)制進(jìn)行了深入的研究,并就非線性效應(yīng)在全光信息處理技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索,主要工作和創(chuàng)新內(nèi)容如下:1.本文的第一部分是關(guān)于硅基慢光光子晶體波導(dǎo)中,在自由載流子效應(yīng)的作用下,光學(xué)孤子脈沖產(chǎn)生與傳播的系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究。主要內(nèi)容包括:(1)利用高靈敏度交叉頻率分辨光學(xué)開關(guān)系統(tǒng)(XFROG:Cross-Correlated Frequency Resolved Optical Gating),首次實(shí)驗(yàn)測(cè)得了自由載流子效應(yīng)在慢光光子晶體中的s4增強(qiáng)(s為慢光系數(shù)),并進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和證明;(2)利用XFROG系統(tǒng),首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了由自由載流子色散效應(yīng)(FCD:Free-carrier dispersion)引起的孤子加速現(xiàn)象,在長(zhǎng)度為1.5mm的慢光光子晶體中,寬度為2.3 ps的輸入脈沖在FCD的作用下最多超前了2.6 ps;(3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高峰值功率脈沖在硅基慢光光子晶體中由FCD主導(dǎo)的頻譜不對(duì)稱展寬,觀測(cè)到能量為7 pJ,頻譜寬度為12.5 nm,時(shí)間寬度為780 fs的脈沖在通過1 mm的光子晶體波導(dǎo)后,頻譜向短波長(zhǎng)方向展寬了25.1 nm;(4)首次研究了慢光增強(qiáng)的FCD效應(yīng)對(duì)孤子色散波(切連科夫輻射)的影響,證明了FCD趨向于使色散波與孤子頻譜重合;(5)利用基于全光傅立葉變換的實(shí)時(shí)頻譜測(cè)試技術(shù),首次測(cè)量了FCD誘發(fā)孤子頻譜展寬的高穩(wěn)定性,在頻譜展寬的邊緣,光譜抖動(dòng)方差僅為3.4×10-8。(6)首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硅基納米線波導(dǎo)中,由自由載流子非線性效應(yīng)導(dǎo)致的相干多波混頻過程(FCWM:free-carrier induced wave-mixing),首次展示了FCWM過程的幾個(gè)重要特性,即邊帶功率的頻率不對(duì)稱性,以及產(chǎn)生混頻邊帶功率與入射光頻率失諧的直接相關(guān)性,并給出了詳細(xì)的理論分析。作者認(rèn)為,上述研究結(jié)果為進(jìn)一步探索硅基波導(dǎo)中的自由載流子效應(yīng)及其潛在應(yīng)用提供了重要的參考。2.本文第二部分是關(guān)于光學(xué)微環(huán)諧振腔中參量克爾光頻率梳產(chǎn)生與鎖模機(jī)制的系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究。主要內(nèi)容包括:(1)利用Lugiato-Lefever equation(LLE)理論模型詳細(xì)分析了在克爾光梳條件下,通過耗散腔孤子實(shí)現(xiàn)光梳鎖模的基本原理,并首次分析了耗散腔孤子可能受到的幾種本征擾動(dòng);(2)首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用泵浦相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)克爾光梳的主動(dòng)相位鎖定和飛秒脈沖產(chǎn)生的方案,實(shí)驗(yàn)中采用平均功率為200mW的相位調(diào)制泵浦(190MHz調(diào)制頻率),在直徑為400μm的氮化硅微環(huán)諧振腔中得到了頻譜寬度大于300nm,模式數(shù)目大于300個(gè)的穩(wěn)定相位鎖定光梳,在時(shí)域測(cè)得了寬度小于200fs的脈沖,并通過LLE模型對(duì)泵浦調(diào)制實(shí)現(xiàn)光梳主動(dòng)相位鎖定的機(jī)制進(jìn)行了深入分析;(3)首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在具有正常色散的微環(huán)諧振腔中,通過等效帶通濾波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光梳鎖模和超短脈沖產(chǎn)生的新機(jī)制,得到了脈沖寬度為74 fs的鎖模脈沖,打破了鎖模脈沖通常只能在反常色散波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)的限制,并通過LLE模型進(jìn)行了深入的理論分析;(4)通過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,證實(shí)了硅基微環(huán)諧振腔中的雙泵浦熱光效應(yīng)對(duì)微環(huán)中FWM過程的顯著影響,首次指出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同步泵浦掃描方案可以在硅基微環(huán)中得到最高的FWM轉(zhuǎn)換效率。3.本文的第三部分是關(guān)于光纖中非線性效應(yīng)在全光信號(hào)處理技術(shù)中的應(yīng)用。主要工作包括:(1)提出了利用四波混頻效應(yīng)(FWM:Four-wave mixing)實(shí)現(xiàn)全光幅度整形的優(yōu)化機(jī)制,通過設(shè)置理想工作點(diǎn),使色散導(dǎo)致的線性相位失配與非線性相位失配充分配合,進(jìn)而使FWM過程中泵浦光與閑頻光之間的能量傳遞函數(shù)表現(xiàn)出增強(qiáng)的幅度再生特性,在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了幅度再生信號(hào)消光比較再生前最高提升360%,信號(hào)品質(zhì)因數(shù)提升290%,接收靈敏度提高3.0 dB;(2)利用高非線性光纖中FWM效應(yīng)首次實(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)制信號(hào)(FSK:frequency-shifted keying)的3輸入可重構(gòu)全光邏輯單元,通過合理地設(shè)置FSK信號(hào)的波長(zhǎng),遍歷地演示了3個(gè)20Gb/s FSK信號(hào)的所有8種邏輯操作,邏輯輸出信號(hào)的消光比均在10dB以上;(3)首次提出了采用光纖中FWM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)跳頻/擴(kuò)時(shí)二維光碼字的全光波長(zhǎng)相干接收機(jī)制,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了碼重為3,碼長(zhǎng)為6的光碼接收,通過對(duì)誤碼率的理論計(jì)算表明,波長(zhǎng)相干接收機(jī)制的綜合誤碼性能較傳統(tǒng)方案大為提高;(4)構(gòu)建了基于二維光正交碼(MOOC:multiple optical orthogonal code)光標(biāo)簽的光分組交換(OPS:optical packet switching)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)完整地演示了一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)和三個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的OPS網(wǎng)絡(luò)交換功能,驗(yàn)證了MOOC作為光分組標(biāo)簽的可行性,可作為OPS交換網(wǎng)絡(luò)的備選方案。
【關(guān)鍵詞】：非線性光學(xué) 全光信息處理 慢光光子晶體波導(dǎo) 光孤子 超快光學(xué) 實(shí)時(shí)光譜測(cè)量 高Q值微環(huán)諧振腔 光頻率梳 鎖模脈沖產(chǎn)生 全光再生 全光邏輯 光碼分多址復(fù)用技術(shù) 光分組交換
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O437
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-14
• 縮略詞表14-16
• 第一章 緒論16-22
• 1.1 非線性光學(xué)介紹16-19
• 1.2 全光信息處理技術(shù)介紹19-20
• 1.3 論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排20-22
• 第二章 硅基光波導(dǎo)中的自由載流子非線性效應(yīng)22-57
• 2.1 硅基慢光光子晶體波導(dǎo)中的光孤子22-49
• 2.1.1 背景介紹22-26
• 2.1.1.1 硅基光子晶體波導(dǎo)及慢光效應(yīng)22-23
• 2.1.1.2 硅基光子晶體波導(dǎo)中的色散23-24
• 2.1.1.3 硅基光子晶體波導(dǎo)中的克爾非線性及自由載流子效應(yīng)24-26
• 2.1.2 硅基光子晶體波導(dǎo)中的孤子特性的實(shí)驗(yàn)研究26-49
• 2.1.2.1 波導(dǎo)設(shè)計(jì)制作與測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置26-29
• 2.1.2.2 孤子自頻移與孤子加速的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與理論分析29-38
• 2.1.2.3 自由載流子效應(yīng)的慢光增強(qiáng)研究38-41
• 2.1.2.4 基于自由載流子色散的飛秒脈沖頻率展寬41-42
• 2.1.2.5 自由載流子色散對(duì)孤子色散波的干擾分析42-45
• 2.1.2.6 利用色散傅立葉變換測(cè)試FCD頻譜展寬的穩(wěn)定性45-49
• 2.2 硅基光波導(dǎo)中的自由載流子多波混頻效應(yīng)49-56
• 2.2.1 背景介紹49-50
• 2.2.2 硅基納米線波導(dǎo)中FCWM效應(yīng)的理論推導(dǎo)50-52
• 2.2.3 硅基納米線波導(dǎo)中FCWM效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究52-56
• 2.2.3.1 實(shí)驗(yàn)建立52-53
• 2.2.3.2 FCWM的頻率不對(duì)稱性53-54
• 2.2.3.3 FCWM與入射光頻率失諧的直接相關(guān)性54-56
• 2.3 本章小結(jié)56-57
• 第三章 高Q值光學(xué)微腔中的克爾光頻率梳57-94
• 3.1 克爾光頻率梳的產(chǎn)生與鎖模研究57-85
• 3.1.1 克爾光頻率梳的背景介紹57-59
• 3.1.2 耗散腔光孤子（DCS）及克爾光頻率梳穩(wěn)定性的理論研究59-72
• 3.1.2.1 Lugiato-Lefever Equation (LLE)模型介紹59-60
• 3.1.2.2 二階色散下的DCS與克爾光梳產(chǎn)生60-62
• 3.1.2.3 振蕩孤子之間的相互擾動(dòng)62-64
• 3.1.2.4 高階色散及孤子色散波對(duì)DCS的擾動(dòng)64-68
• 3.1.2.5 微環(huán)模式耦合對(duì)DCS的擾動(dòng)68-72
• 3.1.3 利用泵浦相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)克爾光頻率梳相位鎖定和脈沖產(chǎn)生72-79
• 3.1.3.1 方案介紹72-74
• 3.1.3.2 實(shí)驗(yàn)演示與理論分析74-76
• 3.1.3.3 理論分析76-79
• 3.1.3.4 泵浦相位調(diào)制對(duì)色散波的抑制79
• 3.1.4 正常色散微環(huán)諧振腔中的光梳產(chǎn)生與相位鎖定79-85
• 3.1.4.1 實(shí)驗(yàn)演示79-82
• 3.1.4.2 理論分析82-85
• 3.2 硅基微環(huán)諧振腔中雙泵浦熱光效應(yīng)對(duì)四波混頻的影響85-93
• 3.3 本章小結(jié)93-94
• 第四章 基于光纖非線性效應(yīng)的全光信息處理技術(shù)94-132
• 4.1 基于光纖四波混頻的全光幅度再生研究94-106
• 4.1.1 全光幅度再生的背景介紹94-97
• 4.1.2 基于光纖中FWM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光幅度再生的原理97-99
• 4.1.3 FWM全光幅度再生的優(yōu)化方案99-103
• 4.1.4 優(yōu)化方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證103-106
• 4.2 基于光纖非線性效應(yīng)的全光邏輯及其在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用106-123
• 4.2.1 一種基于四波混頻效應(yīng)的全光邏輯運(yùn)算方案106-111
• 4.2.1.1 原理介紹106-108
• 4.2.1.2 實(shí)驗(yàn)演示108-111
• 4.2.2 OCDMA系統(tǒng)中調(diào)頻/擴(kuò)時(shí)二維碼字的波長(zhǎng)相關(guān)全光接收方案111-123
• 4.2.2.1 原理介紹111-116
• 4.2.2.2 理論分析116-121
• 4.2.2.3 原型實(shí)驗(yàn)演示121-123
• 4.3 基于MOOC的光分組交換實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)123-131
• 4.3.1 關(guān)鍵技術(shù)介紹124-129
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)演示129-131
• 4.4 本章小結(jié)131-132
• 第五章 總結(jié)與展望132-135
• 5.1 論文總結(jié)132-133
• 5.2 未來(lái)工作的展望133-135
• 致謝135-136
• 參考文獻(xiàn)136-146
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果146-148

  本文關(guān)鍵詞：幾類光波導(dǎo)中的非線性光學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用探索，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：255751