微纳硅波导中超短脉冲非线性传输特性研究

摘要

具有CMOS技术兼容性的纳米硅波导能够很好地把光波限制在波导内传播，并具有增强非线性效应的作用。基于硅波导，可实现多种硅基光子功能器件，如脉冲压缩、超快全光开光、波导放大器，波导波长转换器等，使得纳米硅波导在光计算、光通信系统、矩阵光束调控研究中发挥重要作用。随着对更高传输带宽和更高能效比的要求，传输和控制皮秒、飞秒超短光脉冲是各种硅基光子器件的发展趋势。深入研究硅波导中超短脉冲的非线性传输特性，是实现各种硅基光子功能器件的基础和关键。
　　本文通过实验和模拟两个方面深入研究了硅纳米线波导和慢光硅光子晶体波导中超短脉冲的时域/频域传输特性。分析了硅纳米线波导和硅光子晶体波导中时域脉冲加速的物理机理，总结出输入脉冲能量和波导长度对时频特性的影响。还研究了硅波导中同时传输泵浦和信号脉冲时，信号脉冲的时频传输特性。本文研究的主要内容包括：
　　一，实现了兼具频率分辨光开关（FROG）和互相关频率分辨光开关（XFROG）超短激光脉冲时频域特性检测功能的实验装置，结合非线性薛定谔方程模型，深入研究了硅纳米线波导中脉冲的时频传输特性。得到以下四条结论：
　　1，发现硅纳米线波导中皮秒脉冲的传输表现出非线性脉冲展宽，证明非线性脉冲展宽的主要物理机理为双光子吸收，并且分析了输入脉冲能量和波导长度对非线性展宽的影响。
　　2，通过互相关频率分辨光开光测量和非线性薛定谔方程模型模拟确定参考脉冲的时域波形的惟一性，克服了传统技术局限性，并采用该方法，在极小输入光脉冲能量的情况下，首次通过实验发现并精确测量了硅纳米线波导中皮秒脉冲传输的脉冲加速，分析结果发现，自由载流子吸收效应是脉冲加速的主要物理机理。
　　3，发现并测量了硅纳米线波导中皮秒脉冲的光谱蓝移，分析发现引起光谱蓝移的主要原因为自由载流子色散。研究了硅纳米线波导中皮秒啁啾脉冲的传输特性，分析了初始啁啾对脉冲传输的影响。
　　4，通过广义非线性薛定谔方程模型模拟研究了硅纳米线波导中飞秒脉冲的传输特性，发现硅纳米线波导中飞秒脉冲的传输表现出脉冲压缩、分裂、加速和光谱红移，并分析获得了色散、高阶非线性效应和自由载流子效应对硅纳米线波导中飞秒脉冲时频传输特性的影响规律。
　　二，采用互相关频率分辨光开关实验检测方法和非线性薛定谔方程模型模拟方法，理论和实验相结合，研究了慢光光子晶体波导中皮秒脉冲的时频传输特性。得到以下两条结论：
　　1，发现即使存在非线性双光子吸收的情况下，1.3毫米长的慢光光子晶体波导仍能实现压缩系数为2.16的皮秒脉冲压缩，并伴随着脉冲加速和光谱蓝移。分析发现自由载流子色散是诱导脉冲加速的主要物理机理，而慢光效应则显著地增强了脉冲压缩、脉冲加速和光谱蓝移。
　　2，通过互相关频率分辨光开光测量和非线性薛定谔方程模型模拟确定参考脉冲的时域方向，证明了参考脉冲的子脉冲位于脉冲的后沿。解决了 FROG测量超短脉冲无法区分脉冲前后沿的难题，克服了传统技术局限性。
　　三，研究了硅纳米线波导和硅光子晶体波导中同时传输泵浦脉冲和信号脉冲的情况下，信号脉冲的时频传输特性。分析获得输出信号脉冲的时频特性受到泵浦脉冲能量和两脉冲间时间偏置的影响规律。
　　本文的研究结果为超短激光脉冲工作条件下硅基纳米线及其功能结构光波导的工作特性分析提供了很好的参考，将有力推进超短激光脉冲及纳米硅光子在下一代超高性能光计算、光通信系统、矩阵光束调控中的应用研究。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 硅波导中的超快非线性效应研究进展

1.3 超短脉冲检测方法

1.4 主要研究内容

1.5 论文的结构

第二章 硅波导中超短脉冲传输的理论分析方法和检测技术

2.1 波导的模式和色散、非线性特性

2.2 超短脉冲在波导中的传输方程

2.3 数值求解

2.4 兼有FROG和XFROG功能的实验装置介绍

2.5 本章小结

第三章 硅纳米线波导中超短脉冲的传输

3.1 硅纳米线波导特性分析

3.2 硅纳米线波导中的超短脉冲的非线性展宽

3.3 硅纳米线波导中的超短脉冲的时域加速

3.4 硅纳米线波导中的超短脉冲的光谱蓝移

3.5 硅纳米线波导中皮秒啁啾脉冲的传输特性

3.6 硅纳米线波导中飞秒秒冲的传输特性

3.7 本章小结

第四章 慢光硅光子晶体波导中超短脉冲的传输

4.1 硅光子晶体波导特性分析

4.2 硅光子晶体波导中的皮秒脉冲压缩和加速

4.3 硅光子晶体波导中的皮秒脉冲光谱蓝移

4.4 输入脉冲时域方向的确定

4.5 本章小结

第五章 硅波导中脉冲的相互作用

5.1 硅波导中的脉冲耦合传输方程

5.2 硅纳米线波导中的耦合脉冲传输特性

5.3 慢光硅光子晶体波导中的耦合脉冲传输特性

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作

6.2 本文的创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果