硅基微环谐振腔中的克尔光频梳研究

摘要

随着“互联网+”时代的到来;物联网;大数据;云计算;人工智能等新型信息产业的崛起;信息的高速传输;处理及存储变得尤为重要。而传统的电互连方式;由于其无法逾越的“电子瓶颈”;限制了速率和带宽的进一步提高。近年来;随着光通信产业的蓬勃发展;各种有源;无源光学功能器件的研制成功及产业化;以光互连为主导的信息交换方式逐渐崭露头角。其中;在硅基平台上建立起来的集成光电子技术;由于器件良好的线性和非线性特性;以及与当前微电子半导体领域成熟的CMOS工艺兼容;有望成为光学集成以及光电子混合集成最有前景的技术。在各种硅基器件波导结构中;微环由于其特有的回音壁模式结构;尤其受到研究者们的青睐。得益于制造工艺的先进和实验方法的创新;基于硅基微环谐振器的光频梳技术在最近十年中得到迅速发展。 本论文主要围绕正常和反常色散微腔光频梳的产生及调控展开了一系列的研究;并提出了参量种子光注入和泵浦相位调制两种调控方案。全文的主要研究内容及成果总结如下： （1）深入分析了微腔光频梳产生的物理机制;并基于Lugiato-Lefever方程对光频梳的动力学过程进行了研究。根据分步傅里叶算法;使用;MATLAB;软件编写了数值仿真程序;对正常和反常色散微腔光频梳的稳定性及分布区间进行了仿真研究。 （2）对于图灵环这种大梳齿间隔的光频梳形态;本论文提出并论证了利用参量种子光注入实现对其时域波形及频率梳齿间隔进行调控的方案。研究结果表明;参量种子光注入可以诱导新的次级梳齿的形成;产生的次级梳齿的位置由种子光的位置决定。在双边带参量种子光注入下;种子光可以注入锁定对应位置的次级梳齿的形成过程;并对图灵环的时域轮廓进行调制。而在单边带播种下;种子光会引起时域波形的周期性漂移;漂移周期则由种子光的频率和强度决定。这一方案为相干光通信系统中的可调谐多波长光源的产生及光学缓存等方面的应用提供了新的思路。 （3）针对目前孤子产生实验中通常采用的泵浦波长调谐方案;由于受到随机噪声的影响;无法确保得到稳定的单孤子态的问题;本论文提出并论证了利用参量种子光注入实现确定性的单孤子产生及调控的方案。研究结果表明;通过使用与连续泵浦光相隔1FSR的种子光进行播种;并选择合适的种子光强度;就可以克服随机噪声引起的孤子数目的不确定性;诱导多孤子态向确定性的单孤子态进行过渡。一旦单孤子态形成;它的时域位置可以通过改变种子光的频率;强度和初始相位进行灵活和连续地操纵。这对于片上超短脉冲形成及光学信息处理等应用具有重要的研究价值。 （4）为了解决三阶色散引起的孤子漂移问题;本论文提出并论证了利用泵浦相位调制可以克服三阶色散引起的孤子漂移;使孤子在腔内特定的位置稳定下来。而通过改变泵浦相位脉冲的位置;即可实现对孤子位置的同步连续操纵。这一结果同时给光存储和光学信息处理等方面的应用提供了新的思路。 （5）针对正常色散条件下难以产生调制不稳定性;激发光频梳的问题;本论文提出并论证了利用参量种子光注入方法可以容易地在正常色散条件下产生宽带光频梳;同时产生的光频梳的时域脉宽和频率梳齿间隔可以通过控制种子光的功率和频率进行灵活的调控。本方案提供了一种新的方法;使得正常色散条件下光频梳的产生更加容易及可控;扩展了光频梳的应用范围。

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