SOI波导中的超快非线性光学及应用

论文摘要

近年来,芯层与绝缘层有较大折射率差的SOI光学波导作为光电集成的一种理想平台已引起业界关注,并对其理论和实验的研究也日趋繁荣。和常规的光纤波导相比,受SOI波导结构和材料特性的影响,SOI具有更强的非线性克尔效应和受激拉曼散射效应等非线性光学特性和自身材料所决定的双光子吸收、自由载流子吸收以及自由载流子色散等非线性过程。本文在结合光信号在SOI光学波导中的理论和实验报道的基础上,进一步研究了时间持续仅有皮秒和飞秒量级的超快光脉冲在SOI波导中所经历的各种线性和非线性过程,并利用这些非线性现象所表现的函数功能探索和设计了各种应用模型。在归纳分析了SOI对光信号处理的研究进展的基础上,进一步完善了超快脉冲在脊形硅波导中演变时所满足的线性和非线性传输方程,在此非线性方程中包括波导线性损耗、群速度色散和三阶色散等线性效应;同时也包含了自相位调制、简并双光子吸收、自由载流子吸收和自由载流子色散等非线性过程;当双光场在波导中传输时,脉冲之间的交叉相位调制、非简并双光子吸收和受激拉曼散射效应等非线性效应也被考虑。针对传输方程不能进行解析求解的情况,介绍了经典的分步傅立叶方法和四阶龙格-库塔方法对传输方程进行数值计算的具体过程。但在一定条件下,根据合理的假设,我们也得到了解析结果来观察超快脉冲在波导中的动态演变。研究结果表明,在忽略色散效应下,当双光子吸收起支配地位时,皮秒脉冲的时域和频谱宽度分别被展宽和压缩;当自由载流子吸收增强时,皮秒脉冲后沿的能量将被吸收,在时域和频谱上分别表现为被压缩和展宽,而且脉冲的对称性被破坏;另外,自由载流子色散虽然对脉冲的时域不产生影响,但它将使脉冲的频谱迅速拓展。当脉冲在时间持续上缩短到飞秒量级时,色散对脉冲的改变将必须考虑,首次发现了在联合色散和各种非线性效应下,强脉冲在波导演变过程中将发生光波分裂现象,当入射脉冲确定时,发生光波分裂后的脉冲特征强烈依赖于色散参量的正负和强弱。当多波长超快脉冲在波导中传输时,脉冲之间将发生交叉相位调制、交叉非简并双光子吸收、受激拉曼散射和四波混频等非线性过程,在不同的条件下,将具有不同的非线性过程起主导作用。受交叉相位调制作用的影响,强泵浦脉冲将改变弱信号脉冲的频谱,在联合色散效应后,弱信号脉冲在时域上的波形也将发生显著改变。应用此原理,设计了信号脉冲压缩模型和基于马赫-曾德尔干涉仪的光开关模型。研究结果表明,在较大的脉冲走离效应下,信号脉冲也能得到有效压缩,但是受三阶色散的影响,压缩后的脉冲有一定的基座。在开关模型中,通过改变控制脉冲的能量,可以对开关窗口进行控制,当控制脉冲增加到足够高的能量时,在开关窗口得到的输出脉冲由于干涉将形成超短脉冲序列。应用脉冲之间的非简并双光子吸收过程,探索出了对受自由载流子吸收作用而形成的自压缩脉冲进行压缩整形的新方案,通过调节脉冲之间的初始时延和控制脉冲的能量,可以优化自压缩脉冲的质量;另外,应用此效应,也实现了超快脉冲对连续光场的全光调制和超快逻辑非门的操作,在光调制过程中,发现了色散和初始啁啾都将改变所形成的调制暗脉冲的调制深度。在两脉冲的中心频率失谐满足拉曼共振条件时,实现了泵浦脉冲向信号脉冲的能量转移,在信号脉冲获得足够高的能量后,将发生泵浦消耗,增益水平得到抑制,泵浦脉冲也由于走离效应和泵浦消耗形成不对称双峰结构,应用受激拉曼散射过程探索和设计了超快逻辑与门操作、高速双向全光波长转换和飞秒脉冲产生的应用模型。研究发现,与门脉冲的质量与波导长度和入射能量等密切相关;控制原始信号波与两连续波之间的频率失谐,实现由单信道到双信道的双向波长转换;采用超快暗脉冲与连续波之间的受激拉曼散射效应,得到了脉冲时域宽度仅有几十飞秒的超快飞秒亮脉冲,所形成的亮脉冲质量依赖于入射光场能量、波导长度和暗脉冲宽度。在相位失配为零时,实现了超快脉冲之间的简并四波混频过程,使信号脉冲获得参量增益得到有效放大,采用不同的四波混频过程,可以对脉冲进行整形,并实现了Tbps的全光波长转换过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 SOI 中的超快非线性过程
• 1.2 SOI 中的超快非线效性应用研究进展
• 1.3 本文主要研究内容和结构安排
• 2 非线性传输方程与数值方法
• 2.1 脊形波导结构及其有效载流子寿命
• 2.2 硅介质中的三阶非线性极化
• 2.3 超快脉冲的非线性传输方程
• 2.4 数值方法
• 2.5 本章小结
• 3 超快脉冲的非线性过程与光波分裂
• 3.1 非线性传输方程与系统参数
• 3.2 非线性过程对时域和频域波形的影响
• 3.3 低能量脉冲在波导中的演变
• 3.4 高能量脉冲的非线性光波分裂
• 3.5 本章小节
• 4 双光场之间的非线性交叉调制
• 4.1 非线性耦合方程
• 4.2 频谱和瞬时频率啁啾
• 4.3 光学调制
• 4.4 逻辑非门
• 4.5 光开关效应
• 4.6 脉冲压缩
• 4.7 本章小结
• 5 光场之间的受激拉曼散射
• 5.1 非线性耦合方程
• 5.2 拉曼激光与放大
• 5.3 逻辑与门
• 5.4 双向波长转换
• 5.5 超快脉冲产生
• 5.6 本章小节
• 6 超快四波混频与参量放大
• 6.1 非线性耦合方程
• 6.2 参量放大
• 6.3 转换效率和脉冲整形
• 6.4 Tbps 波长转换
• 6.5 本章小节
• 7 总结与展望
• 7.1 主要研究内容和创新点总结
• 7.2 本文存在的不足和今后努力的方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的学术论文