SOI波導(dǎo)中的超快非線性光學(xué)及應(yīng)用.pdf

1、近年來，芯層與絕緣層有較大折射率差的SOI光學(xué)波導(dǎo)作為光電集成的一種理想平臺(tái)已引起業(yè)界關(guān)注，并對(duì)其理論和實(shí)驗(yàn)的研究也日趨繁榮。和常規(guī)的光纖波導(dǎo)相比，受SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料特性的影響，SOI具有更強(qiáng)的非線性克爾效應(yīng)和受激拉曼散射效應(yīng)等非線性光學(xué)特性和自身材料所決定的雙光子吸收、自由載流子吸收以及自由載流子色散等非線性過程。 本文在結(jié)合光信號(hào)在SOI光學(xué)波導(dǎo)中的理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)道的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了時(shí)間持續(xù)僅有皮秒和飛秒量級(jí)的超快光脈

2、沖在SOI波導(dǎo)中所經(jīng)歷的各種線性和非線性過程，并利用這些非線性現(xiàn)象所表現(xiàn)的函數(shù)功能探索和設(shè)計(jì)了各種應(yīng)用模型。 在歸納分析了SOI對(duì)光信號(hào)處理的研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了超快脈沖在脊形硅波導(dǎo)中演變時(shí)所滿足的線性和非線性傳輸方程，在此非線性方程中包括波導(dǎo)線性損耗、群速度色散和三階色散等線性效應(yīng)；同時(shí)也包含了自相位調(diào)制、簡(jiǎn)并雙光子吸收、自由載流子吸收和自由載流子色散等非線性過程；當(dāng)雙光場(chǎng)在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，脈沖之間的交叉相位調(diào)制、非簡(jiǎn)

3、并雙光子吸收和受激拉曼散射效應(yīng)等非線性效應(yīng)也被考慮。針對(duì)傳輸方程不能進(jìn)行解析求解的情況，介紹了經(jīng)典的分步傅立葉方法和四階龍格-庫塔方法對(duì)傳輸方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的具體過程。但在一定條件下，根據(jù)合理的假設(shè)，也得到了解析結(jié)果來觀察超快脈沖在波導(dǎo)中的動(dòng)態(tài)演變。研究結(jié)果表明，在忽略色散效應(yīng)下，當(dāng)雙光子吸收起支配地位時(shí)，皮秒脈沖的時(shí)域和頻譜寬度分別被展寬和壓縮；當(dāng)自由載流子吸收增強(qiáng)時(shí)，皮秒脈沖后沿的能量將被吸收，在時(shí)域和頻譜上分別表現(xiàn)為被壓縮和展寬，

4、而且脈沖的對(duì)稱性被破壞；另外，自由載流子色散雖然對(duì)脈沖的時(shí)域不產(chǎn)生影響，但它將使脈沖的頻譜迅速拓展。當(dāng)脈沖在時(shí)間持續(xù)上縮短到飛秒量級(jí)時(shí)，色散對(duì)脈沖的改變將必須考慮，首次發(fā)現(xiàn)了在聯(lián)合色散和各種非線性效應(yīng)下，強(qiáng)脈沖在波導(dǎo)演變過程中將發(fā)生光波分裂現(xiàn)象，當(dāng)入射脈沖確定時(shí)，發(fā)生光波分裂后的脈沖特征強(qiáng)烈依賴于色散參量的正負(fù)和強(qiáng)弱。 當(dāng)多波長(zhǎng)超快脈沖在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，脈沖之間將發(fā)生交叉相位調(diào)制、交叉非簡(jiǎn)并雙光子吸收、受激拉曼散射和四波混頻等非線

5、性過程，在不同的條件下，將具有不同的非線性過程起主導(dǎo)作用。受交叉相位調(diào)制作用的影響，強(qiáng)泵浦脈沖將改變?nèi)跣盘?hào)脈沖的頻譜，在聯(lián)合色散效應(yīng)后，弱信號(hào)脈沖在時(shí)域上的波形也將發(fā)生顯著改變。應(yīng)用此原理，設(shè)計(jì)了信號(hào)脈沖壓縮模型和基于馬赫-曾德爾干涉儀的光開關(guān)模型。研究結(jié)果表明，在較大的脈沖走離效應(yīng)下，信號(hào)脈沖也能得到有效壓縮，但是受三階色散的影響，壓縮后的脈沖有一定的基座。在開關(guān)模型中，通過改變控制脈沖的能量，可以對(duì)開關(guān)窗口進(jìn)行控制，當(dāng)控制脈沖增加到

6、足夠高的能量時(shí)，在開關(guān)窗口得到的輸出脈沖由于干涉將形成超短脈沖序列。應(yīng)用脈沖之間的非簡(jiǎn)并雙光子吸收過程，探索出了對(duì)受自由載流子吸收作用而形成的自壓縮脈沖進(jìn)行壓縮整形的新方案，通過調(diào)節(jié)脈沖之間的初始時(shí)延和控制脈沖的能量，可以優(yōu)化自壓縮脈沖的質(zhì)量；另外，應(yīng)用此效應(yīng)，也實(shí)現(xiàn)了超快脈沖對(duì)連續(xù)光場(chǎng)的全光調(diào)制和超快邏輯非門的操作，在光調(diào)制過程中，發(fā)現(xiàn)了色散和初始啁啾都將改變所形成的調(diào)制暗脈沖的調(diào)制深度。在兩脈沖的中心頻率失諧滿足拉曼共振條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)

7、了泵浦脈沖向信號(hào)脈沖的能量轉(zhuǎn)移，在信號(hào)脈沖獲得足夠高的能量后，將發(fā)生泵浦消耗，增益水平得到抑制，泵浦脈沖也由于走離效應(yīng)和泵浦消耗形成不對(duì)稱雙峰結(jié)構(gòu)，應(yīng)用受激拉曼散射過程探索和設(shè)計(jì)了超快邏輯與門操作、高速雙向全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和飛秒脈沖產(chǎn)生的應(yīng)用模型。研究發(fā)現(xiàn)，與門脈沖的質(zhì)量與波導(dǎo)長(zhǎng)度和入射能量等密切相關(guān)；控制原始信號(hào)波與兩連續(xù)波之間的頻率失諧，實(shí)現(xiàn)由單信道到雙信道的雙向波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換；采用超快暗脈沖與連續(xù)波之間的受激拉曼散射效應(yīng)，得到了脈沖時(shí)域?qū)挾?/p>