幾類光波導中的非線性光學基礎研究及應用探索.pdf

1、非線性光學是研究光與物質相互作用的一門科學。激光出現(xiàn)以來，非線性光學得到了快速和持續(xù)的發(fā)展，已經成為現(xiàn)代光學研究的重要組成部分。一方面，通過光與物質的非線性相互作用，為人們探測和認識物質的內在結構和性質提供了非常有效的工具；另一方面，利用光與物質的非線性相互作用，又為人們對光子進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的誕生和發(fā)展。與此同時，隨著材料技術和微納加工技術的進步，各種適用于非線性光學的新材料、新結構層出不窮，不

2、斷為非線性光學效應的產生和應用提供新平臺、新機制和新方法，推動非線性光學蓬勃發(fā)展。
　　本文對幾種類型的光波導，即高非線性光纖，硅基納米光子晶體波導，以及硅基微環(huán)諧振腔中多種非線性光學效應的基本物理機制進行了深入的研究，并就非線性效應在全光信息處理技術中的應用進行了探索，主要工作和創(chuàng)新內容如下：
　　1.本文的第一部分是關于硅基慢光光子晶體波導中，在自由載流子效應的作用下，光學孤子脈沖產生與傳播的系統(tǒng)性基礎研究。主要內容包括

3、：（1）利用高靈敏度交叉頻率分辨光學開關系統(tǒng)（XFROG：Cross-Correlated Frequency Resolved Optical Gating），首次實驗測得了自由載流子效應在慢光光子晶體中的s4增強（s為慢光系數(shù)），并進行了詳細的理論分析和證明；(2)利用XFROG系統(tǒng)，首次實驗觀測到了由自由載流子色散效應（FCD：Free-carrier dispersion）引起的孤子加速現(xiàn)象，在長度為1.5mm的慢光光子晶體中，

4、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）實驗驗證了高峰值功率脈沖在硅基慢光光子晶體中由FCD主導的頻譜不對稱展寬，觀測到能量為7 pJ，頻譜寬度為12.5 nm，時間寬度為780 fs的脈沖在通過1 mm的光子晶體波導后，頻譜向短波長方向展寬了25.1 nm；（4）首次研究了慢光增強的FCD效應對孤子色散波（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

5、實時頻譜測試技術，首次測量了FCD誘發(fā)孤子頻譜展寬的高穩(wěn)定性，在頻譜展寬的邊緣，光譜抖動方差僅為3.4×10-8。（6）首次實驗驗證了硅基納米線波導中，由自由載流子非線性效應導致的相干多波混頻過程（FCWM：free-carrier induced wave-mixing），首次展示了FCWM過程的幾個重要特性，即邊帶功率的頻率不對稱性，以及產生混頻邊帶功率與入射光頻率失諧的直接相關性，并給出了詳細的理論分析。作者認為，上述研究結果為進

6、一步探索硅基波導中的自由載流子效應及其潛在應用提供了重要的參考。
　　2.本文第二部分是關于光學微環(huán)諧振腔中參量克爾光頻率梳產生與鎖模機制的系統(tǒng)性基礎研究。主要內容包括：（1）利用Lugiato-Lefever equation(LLE)理論模型詳細分析了在克爾光梳條件下，通過耗散腔孤子實現(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；（2）首次提出并實驗驗證了利用泵浦相位調制來實現(xiàn)克爾光梳的主動相位鎖定和飛秒

7、脈沖產生的方案，實驗中采用平均功率為200mW的相位調制泵浦（190MHz調制頻率），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個的穩(wěn)定相位鎖定光梳，在時域測得了寬度小于200fs的脈沖，并通過LLE模型對泵浦調制實現(xiàn)光梳主動相位鎖定的機制進行了深入分析；（3）首次提出并實驗驗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實現(xiàn)光梳鎖模和超短脈沖產生的新機制，得到了脈沖寬度為74 fs的

8、鎖模脈沖，打破了鎖模脈沖通常只能在反常色散波導中實現(xiàn)的限制，并通過LLE模型進行了深入的理論分析；（4）通過大量的實驗測試，證實了硅基微環(huán)諧振腔中的雙泵浦熱光效應對微環(huán)中FWM過程的顯著影響，首次指出并實驗驗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轉換效率。
　　3.本文的第三部分是關于光纖中非線性效應在全光信號處理技術中的應用。主要工作包括:（1）提出了利用四波混頻效應（FWM：Four-wave mixing）實現(xiàn)

9、全光幅度整形的優(yōu)化機制，通過設置理想工作點，使色散導致的線性相位失配與非線性相位失配充分配合，進而使FWM過程中泵浦光與閑頻光之間的能量傳遞函數(shù)表現(xiàn)出增強的幅度再生特性，在實驗中實現(xiàn)了幅度再生信號消光比較再生前最高提升360％，信號品質因數(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效應首次實現(xiàn)了頻率調制信號（FSK：frequency-shifted keying）的3輸入可重構全光邏輯單元，通過合理地設置

10、 FSK信號的波長，遍歷地演示了3個20Gb/s FSK信號的所有8種邏輯操作，邏輯輸出信號的消光比均在10dB以上；（3）首次提出了采用光纖中FWM效應實現(xiàn)跳頻/擴時二維光碼字的全光波長相干接收機制，通過實驗驗證了碼重為3，碼長為6的光碼接收，通過對誤碼率的理論計算表明，波長相干接收機制的綜合誤碼性能較傳統(tǒng)方案大為提高；（4）構建了基于二維光正交碼（MOOC：multiple optical orthogonal code）光標簽的光