發(fā)布時間：2017-05-03 06:11

  本文關(guān)鍵詞：基于微結(jié)構(gòu)的新型光子器件及相關(guān)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光子學(xué)(Photonics)的誕生可以追溯到1960年世界上第一臺激光器的發(fā)明；但這個概念卻在十年后的第九屆國際高速攝影會議上首次由荷蘭科學(xué)家L. Poldervaart提出。廣義上講,光子學(xué)是研究光子的產(chǎn)生、傳輸以及與物質(zhì)相互作用規(guī)律的科學(xué)。由于使用的可見光和紅外光波長僅為微米量級,與無線通信相比具有更快的數(shù)據(jù)傳遞和處理能力。在過去的幾十年,隨著光纖通信系統(tǒng)和光電技術(shù)的快速發(fā)展,尺寸小型化、功能多樣化、能耗最低化和結(jié)構(gòu)集成化等迫切需求促使集成光子學(xué)(Integrated Photonics)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在當(dāng)代科技信息高速發(fā)展的潮流下,對集成光子學(xué)系統(tǒng)提出了實時高速的信息流處理和交換能力,大大拓展了集成光電技術(shù)在通信技術(shù)、信息系統(tǒng)和生化探測等方面的應(yīng)用前景。本文針對新型光子器件及相關(guān)性能進(jìn)行了深入創(chuàng)新研究,一方面建立理論模型對性能進(jìn)行優(yōu)化(第二、五章)；另一方面,通過研制新型微納光子器件,實現(xiàn)性能指標(biāo)的改善和提升(第三、四章)。主要研究工作和創(chuàng)新成果如下：第一,硅波導(dǎo)中光放大器模型的提出和相關(guān)非線性效應(yīng)的研究。根據(jù)半導(dǎo)體硅在強(qiáng)光強(qiáng)下產(chǎn)生的受激拉曼散射(SRS)、雙光子吸收(TPA)、自由載流子吸收(FCA)和自由載流子色散(FCD)等非線性效應(yīng),結(jié)合固有的線性損耗和色散效應(yīng),建立了在超快脈沖泵浦信號條件下泵浦光、信號光和閑頻光振幅耦合模型。通過引入拉曼散射貢獻(xiàn)因數(shù)(RCF),研究了參量放大過程中有無受激拉曼散射效應(yīng)影響兩種信號放大情況�；谠摾碚撃Ｐ�,仿真研究了信號光放大和閑頻光轉(zhuǎn)換性能(峰值、帶寬和平坦度)的影響因素：波導(dǎo)零色散波長、三階色散系數(shù)和四階色散系數(shù)。通過對泵浦光參數(shù)(信號波長、脈沖比特率和脈沖寬度)的合理選取,分別得到了信號光增益譜從1457到1663 nm波長范圍內(nèi)10.2 dB的信號增益值和小于1 dB的峰值波動；閑頻光轉(zhuǎn)換譜從1482到1617 nm波長范圍內(nèi)10.1 dB的轉(zhuǎn)換效率。另外,還計算得到伴隨的噪聲分布譜線。第二,新型光子晶體(PhC)結(jié)構(gòu)光譜計的研制。創(chuàng)新設(shè)計出硅基、與直波導(dǎo)耦合諧振腔結(jié)構(gòu)的光子晶體器件用于光譜計。利用數(shù)值仿真得到諧振模式在1550 nm傳輸窗口的光子晶體直波導(dǎo)(較長的線缺陷區(qū)域)和諧振腔參數(shù),通過工藝優(yōu)化研制了該器件。利用線缺陷區(qū)域?qū)⒐庑盘柾ㄟ^錐形光纖、微納波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)耦合導(dǎo)入器件；臨界耦合條件的實現(xiàn)保證絕大多數(shù)光子耦合進(jìn)與之頻率匹配的諧振腔,使器件的探測效率提高幾個數(shù)量級。通過對光子晶體諧振腔邊洞位移量的局部調(diào)節(jié),實現(xiàn)對不同諧振腔諧振波長的精確調(diào)節(jié)。僅使用紅外相機(jī)與探測系統(tǒng)組合來記錄諧振腔反射的探測信號,同時快速得到待測信號的所有光譜信息。搭建了交叉偏振測量系統(tǒng)對該光譜計進(jìn)行測試,得到工作帶寬從1522到1545 nm、光譜分辨率為1 nm的集成光譜計,探測效率達(dá)到6.36%。第三,研制了基于錐形多模光纖和螺旋型錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光譜計。鑒于多模波導(dǎo)中單色光產(chǎn)生波長依賴的模式色散和干涉效應(yīng),建立波導(dǎo)內(nèi)多模干涉模型,對器件可行性進(jìn)行理論驗證。創(chuàng)新性引入錐形結(jié)構(gòu)(破壞光傳導(dǎo)時的全內(nèi)反射條件),并結(jié)合波導(dǎo)固有的體缺陷和粗糙面,將散射的多模干涉光強(qiáng)分布收集到探測器上進(jìn)行存儲、處理,同時得到待測信號的所有光譜信息。對組成材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究；創(chuàng)新提出信號處理算法,解決長期以來光譜計器件尺寸與光譜分辨率、工作帶寬不能同時優(yōu)化的難題。搭建了實驗測試的顯微共焦系統(tǒng),通過測試得到錐形光纖中400到2400 nm的工作帶寬和10 pm量級的光譜分辨率；在300 μm×300 μm的螺旋錐形波導(dǎo),得到550到725 nm的工作帶寬和0.02 nm的光譜分辨率。第四,諧振腔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的研究。針對單層二硫化鉬材料在670 nm附近的寬譜熒光峰,仿真得到諧振模式與之重疊的金屬等離子體諧振腔尺寸參數(shù),并工藝實現(xiàn)兩者的集成。建立了包含修正自發(fā)輻射效率、諧振腔模式和抑制自發(fā)輻射因素的熒光增強(qiáng)效應(yīng)模型,搭建顯微共焦系統(tǒng)和散射譜測量系統(tǒng)實驗測試,從理論和實驗上得到一致的研究結(jié)果：領(lǐng)結(jié)型金屬等離子體諧振腔增強(qiáng)效果滿足acosl θ+b的偏振特性,且當(dāng)激發(fā)光方向與偏振模式方向一致時,等離子體寬譜增強(qiáng)因子達(dá)到十倍。這些研究結(jié)果對基于光與物質(zhì)相互作用的非線性和器件研究具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：集成光子學(xué) 光子器件 光放大器 光譜計 光與物質(zhì)作用
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN25
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 集成光子學(xué)及其研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2 選題的意義14-16
• 1.3 本文研究內(nèi)容16
• 參考文獻(xiàn)16-18
• 第二章 基于非線性效應(yīng)硅波導(dǎo)放大器的研究18-43
• 2.1 光波導(dǎo)中非線性效應(yīng)的理論分析18-26
• 2.1.1 受激拉曼散射(SRS)效應(yīng)18-21
• 2.1.2 四波混頻(FWM)效應(yīng)21-26
• 2.2 基于硅波導(dǎo)及其非線性效應(yīng)的信號放大26-31
• 2.2.1 基于非線性效應(yīng)的理論模型建立26-29
• 2.2.2 傳輸媒質(zhì)色散參數(shù)對信號放大過程的影響29-31
• 2.3 硅波導(dǎo)雙泵浦條件下非線性放大器性能的研究31-39
• 2.3.1 信號光的信號增益性能31-33
• 2.3.2 非線性放大過程中的噪聲特性33-34
• 2.3.3 泵浦光和波導(dǎo)參數(shù)對放大性能的影響34-37
• 2.3.4 閑頻光的波長轉(zhuǎn)換性能37-39
• 2.4 討論與小結(jié)39-40
• 參考文獻(xiàn)40-43
• 第三章 光子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)光譜計的研制43-61
• 3.1 三孔洞缺陷(L3)型光子晶體諧振腔43-47
• 3.1.1 L3型光子晶體諧振腔的光學(xué)性質(zhì)43-46
• 3.1.2 光子晶體諧振腔的實現(xiàn)工藝46-47
• 3.2 用于測量諧振模式的交叉偏振系統(tǒng)(CPS)47-49
• 3.2.1 CPS的分析模型47-48
• 3.2.2 CPS的結(jié)構(gòu)組成48-49
• 3.3 光子晶體諧振腔結(jié)構(gòu)光譜計(PhCS)49-55
• 3.3.1 PhCS的設(shè)計制作50-52
• 3.3.2 PhCS的測試裝置52-53
• 3.3.3 PhCS的性能指標(biāo)53-55
• 3.3.4 PhCS的測量分析55
• 3.4 討論與小結(jié)55-57
• 參考文獻(xiàn)57-61
• 第四章 基于錐形波導(dǎo)及其多模干涉機(jī)制的光譜計研制61-83
• 4.1 基于新型工作機(jī)理的光譜計61-64
• 4.1.1 基于多模光纖及干涉機(jī)制的光譜計61-62
• 4.1.2 基于光子晶體結(jié)構(gòu)及散射機(jī)制的光譜計62-64
• 4.2 錐形多模光纖結(jié)構(gòu)的新型光譜計(TFMMIS)64-73
• 4.2.1 TFMMIS的模型建立66-68
• 4.2.2 TFMMIS的工作機(jī)理68-70
• 4.2.3 TFMMIS的性能指標(biāo)70-73
• 4.3 螺旋錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光譜計(STWS)73-80
• 4.3.1 STWS的工作機(jī)理74-76
• 4.3.2 STWS的實現(xiàn)工藝76-78
• 4.3.3 STWS的測試裝置78-79
• 4.3.4 STWS的性能指標(biāo)79-80
• 4.4 討論與小結(jié)80-81
• 參考文獻(xiàn)81-83
• 第五章 光與物質(zhì)相互作用增強(qiáng)系統(tǒng)的研究83-105
• 5.1 兩種二維層狀材料的性質(zhì)及應(yīng)用83-88
• 5.1.1 石墨烯材料83-86
• 5.1.2 單層二硫化鉬材料86-88
• 5.2 諧振腔對二硫化鉬熒光增強(qiáng)系統(tǒng)(PES)的研究88-98
• 5.2.1 二硫化鉬的光電性質(zhì)及測量方法88-91
• 5.2.2 PES的模型建立91-92
• 5.2.3 PES的設(shè)計與搭建92-94
• 5.2.4 PES的性能指標(biāo)94-98
• 5.3 討論與小結(jié)98-99
• 參考文獻(xiàn)99-105
• 第六章 總結(jié)105-108
• 6.1 主要研究工作及創(chuàng)新成果105-107
• 6.2 論文不足與下一步研究計劃107-108
• 致謝108-110
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表及錄用學(xué)術(shù)論文目錄110

  本文關(guān)鍵詞：基于微結(jié)構(gòu)的新型光子器件及相關(guān)性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：342476