半导体光波导中的模间相位匹配频率转换方法研究

发布时间：2020-10-26 23:04

　　 自上个世纪90年代开始,波导中的非线性频率转换受到重视,基于二阶和三阶非线性原理的频率转换已经引发了大量的研究,这种频率转换在很多方面都有所应用,例如全光网络的波长转换器、可调谐光频梳、产生红外光光源、全光频率编码二进制加法器以及生成高纯度纠缠态光子对等。本论文提出了一种通过增加模式间的空间重叠面积来提高波导频率转换效率的方法,设计了三种增加空间重叠面积的波导结构,并通过仿真对其进行验证。本论文首先从理论上分析了影响基于模间相位匹配波导频率转换效率的因素,得到了模式间的空间重叠面积对其的影响。相位匹配是实现波导频率转换的必要条件,本论文选择模间相位匹配是因为它不要求波导材料具有双折射的性质,且制造工艺难度远低于准相位匹配,但它的缺点是模与模之间的空间重叠面积限制了频率的转换效率。于是分析了影响模式间空间重叠面积的因素,提出了通过改变晶体非线性系数来增加模式间空间重叠面积的方法,从而达到提高波导频率转换效率的目的。基于模间相位匹配理论分析,本论文设计了三种改变晶体非线性系数的波导,分别是反转型、抑制型和镀膜型波导。反转型波导是通过反转波导部分结构使得该处晶体非线性系数符号发生变化的波导,可以最大程度增加模间重叠面积。抑制型波导利用量子阱混合技术将波导部分结构的晶体非线性系数进行抑制,减小模间的电场抵消现象,从而增加模间重叠面积。镀膜型波导将波导部分结构利用镀膜的方式更换成不具有非线性效应的材料,将晶体非线性系数降为零,是抑制型波导的极限情况。最后,本论文利用Matlab软件对反转型、抑制型和镀膜型波导进行了仿真验证,仿真结果显示反转型波导结构在提高频率转换效率方面效果最好,其次是镀膜型波导结构,这说明了增加模式间空间重叠面积的程度越大,波导中的频率转换效率提高程度越高,验证了本文提出的提高波导频率转换效率的方法。利用本论文提出的方法可以大幅度提高基于模间相位匹配波导的频率转换效率,为制造基于模间相位匹配的波导提供了理论指导。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN252
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题的背景及研究目的与意义
    1.2 波导中频率转换的研究进展
        1.2.1 波导中频率转换的研究现状
        1.2.2 波导频率转换研究综述简析
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 波导中频率转换理论
    2.1 波导中频率转换的基本理论
        2.1.1 频率转换中的非线性效应
        2.1.2 波导中频率转换效率的理论分析
    2.2 波导中实现相位匹配的方法
        2.2.1 双折射相位匹配
        2.2.2 准相位匹配
        2.2.3 模间相位匹配
    2.3 提高波导频率转换的理论分析
    2.4 本章小结
第3章 基于非线性系数反转波导设计
    3.1 波导结构的设计
        3.1.1 基于模间相位匹配的波导设计
        3.1.2 反转型波导设计
    3.2 波导中频率转换仿真及结果分析
        3.2.1 波导中频率转换仿真
        3.2.2 基于模间相位匹配的波导仿真结果
        3.2.3 反转型波导仿真结果
        3.2.4 两种波导结构仿真结果分析
    3.3 反转型波导结构制造的可行性分析
    3.4 本章小结
第4章 调制非线性系数的波导设计
    4.1 抑制型波导设计
        4.1.1 抑制型波导结构的设计
        4.1.2 抑制型波导中频率转换仿真及结果分析
    4.2 镀膜型波导设计
        4.2.1 镀膜型波导结构的设计
        4.2.2 镀膜型波导中频率转换仿真及结果分析
    4.3 仿真结果分析
    4.4 本章小结
结论
参考文献
致谢

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本文编号：2857647