硅基混合波导中超连续谱及频率梳产生的研究

发布时间：2020-08-07 13:01

【摘要】：超连续谱(supercontinuum,SC)具有频谱宽、亮度高、相干性好等优良特性,在很多基础和应用科学领域都有广泛的应用。在中红外波段,高相干、倍频程SC一直吸引着科研人员的研究兴趣,并且随着激光器及新材料工艺的发展,对SC的研究也越来越深入。与此同时,一些新的应用也对超连续谱性能提出了更高要求。IV族元素,包括硅(Si)、锗(Ge)及其衍生物,因其在近红外至中红外波段的非线性应用潜力而受到极大的关注。其中,Si的透明窗口在2.2 μm至8.5 lμm的中红外区域,而Ge的透明窗口为1.5 μm至14.3μpm。同样,硫族化物,包括硫化砷(As2S3)、硒化砷(As2Se3)等,具有较高的非线性系数和超宽的透明窗口,也引起了科研人员的关注。光频梳(optical frequency comb,OFC)则是由一系列均匀间隔且具有相位相干的频率分量组成的光谱,因其良好的稳定性而在天文、物理、通信等领域有着广泛的应用。频率梳的产生有很多方法,基于SC的频率梳是当前主要的研究方向之一。本文分别使用Ge和As2Se3作为波导材料,设计了不同的波导结构,并利用其研究了高相干、倍频程SC和频率梳的产生。研究内容和创新性成果如下:1.介绍了SC和光频梳的在现代光学中的地位。推导了光在波导中传输和演化的非线性方程,并分析了色散和非线性在SC产生过程中的影响。2.设计了基于Ge的T形波导,分析了波导尺寸对波导的色散和非线性特性的影响。在波长3000 nm(正常色散区)处泵浦,分别研究了脉冲的峰值功率、初始脉宽和噪声对SC产生的影响。仿真结果表明,当脉宽为120 fs,峰值功率为800 W时,在波导中传输4 mm之后,产生的高相干SC在-60 dB下谱宽的范围超过两个倍频程(,1.6μm～6.8μm)。3.设计了基于As2Se3的T形和L形波导,分析了波导结构和尺寸对色散和非线性特性的影响。仿真结果表明,L波导的色散曲线可呈现多零色散点、平坦的特性。通过在波长3000 nm(反常色散区)处泵浦,研究了脉冲的峰值功率对SC产生的影响。仿真结果表明,当脉宽为120 fs,峰值功率为800 W时,在波导中传输5 mm之后,产生的SC在-60 dB下谱宽的范围超过三个倍频程(1.3 μm～12.9 μm)。进一步研究了引入的弱连续波(CW)对SC相干性的影响。4.研究了基于高相干、倍频程SC的频率梳。仿真结果表明,初始脉冲序列在Ge波导中传输4 mm或As2Se3波导中传输5 mm之后,分别可以获得1.6 μm～6.8 μm和1.3 μm～12.9 μm的中红外频率梳。本文设计了基于Ge和As2Se3的波导结构、并利用其研究了高相干、倍频程SC和频率梳的产生。相关研究成果能够积极地推动中红外非线性光子学的研究与发展。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN252
【图文】：

示意图,分步傅里叶法,示意图,脉冲

所以这个方法叫对称分步傅里叶法。脉冲在非线性介质中传输的整个过逡逑程被划分成了有限多个长度为Ａ的区间。光脉冲在非线性介质传输相当于从头到逡逑尾依次经历这些长度为Ａ的小段。如图２－１所示，脉冲每次进入一个小段，在前逡逑办／２的区域，我们假设脉冲只受到色散效应的影响，在后Ａ／２的区域即２邋＋Ａ／２开逡逑始，我们假设脉冲只受到非线性效应的影响。这样的好处是计算非常容易，前Ａ／２逡逑的区域只用计算ＦＦＴ算法，后／？／２的区域只用乘以非线性项即可。逡逑１０逡逑

示意图,波导,示意图,折射率

３．２．１邋ＩＶ族元素和常见的非线性材料逡逑设计的波导是基于Ｇｅ材料的Ｔ形结构，Ｔ形波导在Ｓｉ中曾有过相关的研逡逑究。如图３－１邋（ａ）和（ｂ）展示的Ｔ形结构和Ｌ形结构的波导，都是以Ｓｉ为波导逡逑传输核心，红水晶（Ａｈ0３）作为衬底，通过合理的设计，可以产生在Ｓｉ的整个逡逑透明窗口内的超连续谱。逡逑图３－丨（ａ）邋Ｔ形－硅波导的示意图（ｂ）邋Ｌ形－硅波导的示意图逡逑一般而言，波导的完整色散包含材料色散和波导色散，且主要受到折射率和逡逑波导尺寸的影响。Ｇｅ的折射率在常见的非线性材料中几乎是最大的，图３－２邋（ａ）逡逑给出了常见非线性材料的折射率曲线，可见Ｇｅ的折射率在其透明窗口的折射率逡逑都大于４．０，比Ｓｉ的折射率还要高出很多。较大的折射率差可以让Ｇｅ在色散剪逡逑裁上具有很大的灵活性。逡逑图３－２邋（ｂ）给出了常见非线性材料在近红外和中红外区域的材料色散，材料逡逑色散被表示为Ｄ邋＝逦／ａＭ２），其中是材料的折射率，Ａ和ｅ分别代逡逑表波长和真空中的光速。总的来说

非线性折射,材料色散,折射率,波导

（ｂ）常见材料的材料色散（ｃ）常见材料的非线性折射芈逡逑３．２．２波导设计与色散及非线性分析逡逑图３－３邋（ａ）所示的波导，Ｔ形核心的材料是Ｇｅ，衬底采用了邋Ｓｉ３Ｎ４，波导的逡逑具体尺寸表示为：条形薄膜的宽和高分别为化，和风，支撑柱的高为粕。因为条逡逑形薄膜的尺寸较人，而且Ｔ形结构使得Ｇｅ材料主要与空气接触从而获得很大的逡逑折射率差，所以波导的能量束缚能力很好。图３－３邋（ｂ）是波Ｖ？尺＼ｌ邋Ｆｕ邋＝邋６邋（ｉｉｎ，逡逑／／ｕ邋＝邋１．０邋｜ｊｍ，Ｚ／ｉ邋＝邋１．０邋｜＿ｉｍ时，波导分别波长为２、４、７、１０邋（？ｉｍ处的ＴＥ模的模逡逑场分布，可以看到，波导在波长为１０邋Ｍｍ处，能量限制依然很好。逡逑在进行波导设计时，为了得到低、平坦的色散，波导色散会被尽可能的被抑逡逑制。图３－３邋（ｃ）是改变条形薄膜高度（札）长度时，色散曲线的变化情况，可以逡逑看出

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