基于非線性光學材料的波導設計及其波長轉換研究.pdf

1、非線性波長轉換在全光信號處理、數(shù)據(jù)存儲、生物醫(yī)學、彩色顯示、生物工藝學、環(huán)境監(jiān)測處理分析等方面扮演著重要的角色?；谌A非線性效應的三次諧波和四波混頻與基于二階線非線性效應的差頻、和頻、倍頻，能通過波長轉換把半導體激光器的波長范圍拓展到紫外、可見光、中紅外和太赫茲波段。另一方面四波混頻、差頻、級聯(lián)倍頻差頻、級聯(lián)和頻差頻能把光信號從一個波長轉移到另一個波長上，在密集波分復用光通信網絡能得到應用。本論文通過靈活地設計幾種波導結構來實現(xiàn)這些非

2、線性效應，并對其中的波長轉換進行了理論研究。具體內容如下：
　　(1)研究了損耗情況下AlGaAs準相位匹配波導的波長轉換。在非耗盡近似下求出一個有損耗的準相位匹配波導中差頻、級聯(lián)倍頻差頻轉換光功率的解析表達式。對于較大損耗的光波導，此表達式與直接進行數(shù)值求解的耗盡情況下轉換效率一致。基于這些解析表達式，得出有損耗差頻、級聯(lián)倍頻差頻過程的優(yōu)化波導長度公式。同時，我們設計了一個AlGaAs準相位匹配橋狀波導，并詳細研究和比較了無損耗

3、和有損耗情況下兩種非線性過程的轉換效率、轉換帶寬、泵浦光波長容忍度和溫度穩(wěn)定性。
　　(2)研究了AlGaAs微環(huán)諧振腔中二次諧波的產生。為了避免周期反轉結構造成的損耗，我們研究了彎曲AlGaAs波導實現(xiàn)相位匹配的原理，并且分析了微環(huán)諧振腔中的有效非線性系數(shù)。結果表明微環(huán)諧振腔能夠實現(xiàn)相位匹配的倍頻過程。我們設計了一個高折射率差的AlGaAs微環(huán)諧振腔，其中泵浦波長和倍頻光波長都處在諧振波長上。在泵浦非耗盡近似下，得出一個轉換效率

4、的解析表達式。從此表達式看出，轉換效率由于腔場的增強而得到增加?？紤]到泵浦光耗盡的情況，采用分段法進行數(shù)值模擬。結果表明在無損耗情況下，轉換效率可以接近1。
　　(3)研究了光子晶體波導中太赫茲波的差頻產生。我們通過把近紅外光波導放置在太赫茲波光子晶體波導的線缺陷里面，利用近紅外光源的差頻過程產生太赫茲波。在這種結構中，光子晶體波導能緊緊地限制住太赫茲波的模場，使相互作用的三個光波實現(xiàn)好的模場重疊。兩個泵浦光與太赫茲Bloch波奇

5、特的相位匹配條件能夠通過合適選擇波導參數(shù)和泵浦光波長來滿足。根據(jù)模式理論推導了差頻過程的耦合模方程和有效作用面積公式。首先，我們設計了一個AlGaAs光子晶體波導。數(shù)值模擬出連續(xù)光泵浦的太赫茲波歸一化轉換效率為0.7632×10。其次，我們設計出一個LiNbO3光子晶體波導結構實現(xiàn)了頻率為1THz的太赫茲波高效差頻產生。由于光子晶體波導結構在太赫茲領域得到了廣泛研究，這些太赫茲波產生方案給太赫茲技術提供了參考。
　　(4)研究了光

6、子晶體波導中慢光增強的四波混頻。利用模式理論，我們推導出光子晶體波導中的三階非線性作用的耦合模方程組。這些非線性作用包括自相位調制、交叉相位調制和簡并四波混頻。這些耦合模方程組的形式與非線性光纖光學中的一致，并且可以應用于其他周期波導結構中的三階非線性效應?；谶@些方程，我們系統(tǒng)分析了一個慢光工程的硅基光子晶體波導的群速度色散、光傳輸損耗、有效作用面積、慢光增強因子和相位失配?？紤]到雙光子吸收和自由載流子效應，利用有限差分法數(shù)值模擬了此