光子晶體慢光與物質(zhì)的相互作用.pdf

1、傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中,光與物質(zhì)的相互作用在光放大器、激光器和頻率轉(zhuǎn)換器等方面有著非常廣泛的應(yīng)用。但是這些器件通常需要比較長(zhǎng)的增益介質(zhì),而且需要較高的抽運(yùn)功率,因此如何提高集成光子器件的集成度和功耗成了大家共同考慮的一個(gè)問題,慢光研究的開始和發(fā)展給出了解決這一問題的一個(gè)思路。本論文研究了幾種光與物質(zhì)相互作用機(jī)制,通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,證明了慢光可以提高光參量增益、增強(qiáng)三次諧波強(qiáng)度以及增強(qiáng)四能級(jí)離子系統(tǒng)的有源增益。因而慢光可以有效的降低所

2、需抽運(yùn)功率或者縮短增益介質(zhì)長(zhǎng)度,這對(duì)于推動(dòng)大容量光傳輸系統(tǒng)以及集成光子器件的發(fā)展具有重要意義。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：論文第一章為緒論,首先介紹了光子晶體、光學(xué)非線性和光放大器的基本原理和研究進(jìn)展,然后給出了慢光的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用價(jià)值,為后文的研究工作做了理論鋪墊。在第二章中我們推導(dǎo)了非線性光子晶體線缺陷波導(dǎo)中抽運(yùn)光群速度與光參量放大增益的理論模型。理論結(jié)果表明,慢光抽運(yùn)可以增強(qiáng)光參量放大效應(yīng)。為獲得相同的增益,當(dāng)波導(dǎo)長(zhǎng)度不變時(shí),慢光波

3、導(dǎo)所需的抽運(yùn)光功率可以減少為普通波導(dǎo)的(vgn/c)2,當(dāng)抽運(yùn)光功率不變時(shí),慢光波導(dǎo)所需的長(zhǎng)度可以減少為普通波導(dǎo)的(vgn/c)2,其中n為普通波導(dǎo)的材料折射率,vg為慢光波導(dǎo)的群速度,c為真空中的光速。數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了我們的理論預(yù)測(cè)。第三章我們從理論和數(shù)值兩個(gè)方面對(duì)光子晶體中的三次諧波進(jìn)行討論。我們的理論模型主要考慮了色散和群速度對(duì)于三次諧波強(qiáng)度的影響,然后我們利用時(shí)域有限差分方法進(jìn)行了數(shù)值仿真,數(shù)值結(jié)果和理論模型吻合得非常好。從仿

4、真中,我們觀察到了三次諧波沿著波導(dǎo)的周期性分布,同時(shí)也證明了慢光可以增強(qiáng)三次諧波。第四章討論了如何在MIT開發(fā)的有限差分時(shí)域方法開源軟件(MEEP)的基礎(chǔ)上,修改了相應(yīng)的C++源代碼,使其可以完成對(duì)稀土摻雜系統(tǒng)的時(shí)域仿真。第五章我們用布洛赫-弗洛凱機(jī)制和電磁場(chǎng)耦合的諧振子半經(jīng)典理論,證明了當(dāng)群速度降低時(shí),離子系統(tǒng)和外場(chǎng)之間的相互作用將得到加強(qiáng),從而增加有源介質(zhì)增益。然后我們通過對(duì)光纖光柵數(shù)值仿真,證明了我們的理論預(yù)測(cè)。在我們的模擬中,慢