基于非線性光學(xué)材料的波導(dǎo)設(shè)計(jì)及其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換在全光信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)、彩色顯示、生物工藝學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)處理分析等方面扮演著重要的角色?；谌A非線性效應(yīng)的三次諧波和四波混頻與基于二階線非線性效應(yīng)的差頻、和頻、倍頻，能通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換把半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)范圍拓展到紫外、可見(jiàn)光、中紅外和太赫茲波段。另一方面四波混頻、差頻、級(jí)聯(lián)倍頻差頻、級(jí)聯(lián)和頻差頻能把光信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)波長(zhǎng)上，在密集波分復(fù)用光通信網(wǎng)絡(luò)能得到應(yīng)用。本論文通過(guò)靈活地設(shè)計(jì)幾種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些非

2、線性效應(yīng)，并對(duì)其中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了理論研究。具體內(nèi)容如下：
　　(1)研究了損耗情況下AlGaAs準(zhǔn)相位匹配波導(dǎo)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在非耗盡近似下求出一個(gè)有損耗的準(zhǔn)相位匹配波導(dǎo)中差頻、級(jí)聯(lián)倍頻差頻轉(zhuǎn)換光功率的解析表達(dá)式。對(duì)于較大損耗的光波導(dǎo)，此表達(dá)式與直接進(jìn)行數(shù)值求解的耗盡情況下轉(zhuǎn)換效率一致。基于這些解析表達(dá)式，得出有損耗差頻、級(jí)聯(lián)倍頻差頻過(guò)程的優(yōu)化波導(dǎo)長(zhǎng)度公式。同時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)AlGaAs準(zhǔn)相位匹配橋狀波導(dǎo)，并詳細(xì)研究和比較了無(wú)損耗

3、和有損耗情況下兩種非線性過(guò)程的轉(zhuǎn)換效率、轉(zhuǎn)換帶寬、泵浦光波長(zhǎng)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(chǎn)生。為了避免周期反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)造成的損耗，我們研究了彎曲AlGaAs波導(dǎo)實(shí)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(jié)果表明微環(huán)諧振腔能夠?qū)崿F(xiàn)相位匹配的倍頻過(guò)程。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高折射率差的AlGaAs微環(huán)諧振腔，其中泵浦波長(zhǎng)和倍頻光波長(zhǎng)都處在諧振波長(zhǎng)上。在泵浦非耗盡近似下，得出一個(gè)轉(zhuǎn)換效率

4、的解析表達(dá)式。從此表達(dá)式看出，轉(zhuǎn)換效率由于腔場(chǎng)的增強(qiáng)而得到增加。考慮到泵浦光耗盡的情況，采用分段法進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明在無(wú)損耗情況下，轉(zhuǎn)換效率可以接近1。
　　(3)研究了光子晶體波導(dǎo)中太赫茲波的差頻產(chǎn)生。我們通過(guò)把近紅外光波導(dǎo)放置在太赫茲波光子晶體波導(dǎo)的線缺陷里面，利用近紅外光源的差頻過(guò)程產(chǎn)生太赫茲波。在這種結(jié)構(gòu)中，光子晶體波導(dǎo)能緊緊地限制住太赫茲波的模場(chǎng)，使相互作用的三個(gè)光波實(shí)現(xiàn)好的模場(chǎng)重疊。兩個(gè)泵浦光與太赫茲Bloch波奇

5、特的相位匹配條件能夠通過(guò)合適選擇波導(dǎo)參數(shù)和泵浦光波長(zhǎng)來(lái)滿足。根據(jù)模式理論推導(dǎo)了差頻過(guò)程的耦合模方程和有效作用面積公式。首先，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)AlGaAs光子晶體波導(dǎo)。數(shù)值模擬出連續(xù)光泵浦的太赫茲波歸一化轉(zhuǎn)換效率為0.7632×10。其次，我們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)LiNbO3光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了頻率為1THz的太赫茲波高效差頻產(chǎn)生。由于光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在太赫茲領(lǐng)域得到了廣泛研究，這些太赫茲波產(chǎn)生方案給太赫茲技術(shù)提供了參考。
　　(4)研究了光

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