中红外高非线性波导设计及波长转换研究

发布时间：2020-11-02 06:51

　　 中红外波段在光通信、工业和环境监测、医学诊断和红外光谱学等领域有着巨大的应用前景。在这些应用中,中红外波转换具有重要意义。和传统的非线性材料相比,硅基波导具有更好的集成度和更高的非线性系数,因此本论文系统研究了中红外高非线性波导的设计以及波长转换的实现方法。论文的主要内容包括:一、建立了适用于硅基石墨烯复合波导结构的光波非线性传输矢量理论模型。在不满足弱导近似的硅基石墨烯复合非线性波导中,基于标量模型的光场传输分析将存在较大误差。本论文根据入射光场的频谱宽度、脉冲宽度以及非线性介质的响应速度等条件,得到了极化强度的时域和傅里叶频域矢量表达形式;综合考虑了波导中线性和非线性损耗、自由载流子效应以及非线性相移等效应,给出了微扰场的矢量表达形式,并利用洛伦兹互易定理,建立了波导中微扰场和非微扰场之间的矢量关系;不同的导模通过色散和非线性过程相互耦合,结合极化强度的表达式展开线性和非线性微扰项,得到了复振幅耦合波方程。二、近中红外波段石墨烯线性和非线性光学特性的调节。对比分析石墨烯线性和非线性电导率,发现石墨烯的非线性克尔效应在三光子共振吸收频率处(hω≈2|μc|)的响应最强烈,此处石墨烯的线性吸收也处于低损耗窗口。石墨烯的费米能级(亦即化学电势)和载流子浓度相关,可以通过化学掺杂和施加门电压改变石墨烯的化学电势,进而调节石墨烯的光学性质,使目标波长处石墨烯的非线性响应最强且损耗最小。三、设计了两种高非线性石墨烯复合波导:石墨烯包覆拉锥光纤和石墨烯硅基复合波导。在近中红外波段,对两种复合波导的非线性性能进行了优化设计,通过调整其结构参数使其非线性系数最大且损耗最小,并仿真分析了波长转换的效率、带宽等特性。提出了适用于波导结构中线性和非线性损耗都比较明显的品质因数(FOM)定义,并利用该定义对所设计波导的综合非线性性能进行评价。在纤芯直径为0.736μm、长度为34.4μm的石墨烯包覆拉锥光纤中,当泵浦光波长为1550nm、脉冲峰值功率为10W时,仿真计算得到的转换效率为-38.07dB,相应的3 dB带宽为430nm。在长度仅为几十微米的硅基石墨烯复合波导中,当连续光泵浦功率为0.5 W时,简并四波混频的转换效率高达-18.5dB。在1.3～2.3μm的波段内,调节复合波导的几何尺寸能够使转换效率保持平坦,而且相应的3dB带宽可以达到40～110nm。四、在硅基波导中基于简并四波混频效应实验实现了中红外波段的波长转换。在中红外1.95μm波长附近,测试了不同入射泵浦光功率和不同信号光波长条件下的四波混频效应,得到的中红外波长转换效率约为-51 dB。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN21
【部分图文】：

硅基波导需要进行重新设计，以减小损耗提升波长转换性能。利用化学腐蚀的方??法，Ｃｈｅｎｇ等将桂基脊形波导下方的二氧化桂层掏空，提出了一种桂基悬空脊形??波导和微环谐振腔［５３］，波导截面如图１．４所示。在波导制作过程中，为了减小波??导表面的损伤，他们还采用化学气相沉积（ＣＶＤ）法生长一层３０ｍｒｉ厚的氮化硅??保护层，在随后的二氧化硅化学腐蚀液中能被直接祛除。最后，在中红外２．７５ｐｍ??处，实验测得波导的传输损耗为３±０．７ｄＢ／ｃｍ。同样，波导下方的衬底也可以考??虑用其它中红外低损耗材料替代，比如氧化铝［５４］。近年来，随着微纳加工和制备??水平的不断提升，波导设计在选材和结构上有了更大的自由空间，硅光子集成领??域逐渐出现了一些新型复合波导结构，比如，在传统硅基狭缝波导中引入硅纳晶??和金属纳米颗粒能有效减小导模的有效模场面积［５５］，进而提升结构的非线性响??应；在波导表面覆盖有机聚合物并生长金属薄膜１５６］

早在１９４７年，Ｗａｌｌａｃｅ就开始了石墨烯的理论物理研究而直到２００４??年它才被Ｇｅｉｍ和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ利用机械剥离（枯胶带）的方法从石墨晶体上分离??出来如图１．５所示。理论计算得到的石墨烯能带呈圆锥形，在狄拉克点附近??自由电荷具有近似线性的能量－动量色散关系，表现为有效质量为零的费米子［６２］，??而且电子迁移速度高达２＼１０５（＾２又一意味着石墨烯具有良好的导电性［６３］。石墨??烯的光电特性已经得到了大量的理论和实验探究［６＾７】，其线性电导率与入射电场??频率、温度、费米能级＆?（化学电势＆）及石墨烯中电子的现象散射率等因素??有关，具体表达式可以由Ｋｕｂｏ方程推导出给定相应的物理参数，通过计??算得到的石墨烯电导率和实验测量结果相符［７（）】。石墨烯的化学电势同载流子的??浓度有关［７１】，实验中可以利用电学掺杂［７２］、化学掺杂［７３＿７５］、及光诱导掺杂［７６，７７］等??方式进行调节，进而对石墨烯的电学和光学特性进行调节。??６??

高［８（）］。接下来几年里关于石墨烯非线性特性的研究报道并不多［８１，８２］，直到２０１０??年，Ｈｅｎｄｒｙ和Ｍｉｋｈａｉｌｏｖ首次在可见光和近红外波段观测到了石墨烯强烈的非线??性响应［８３】，利用简并四波混频（ＤＦＷＭ）效应（如图１．６所示）实验测得的三阶??极化率￣１０＿７ｅＳＵ，同比硅材料要高８个数量级，至此石墨烯的非线性才开始引起??广泛的研究。在接下来的两至三年，大量关于石墨烯非线性实验测量的文章被报??道出来ｔ８４＿８９ｌ由于测试方法、环境、波段，以及所采用的非线性过程等因素的差??异，测试结果之间存在较大的分歧。在理论分析方面，除了?Ｈｅｎｄｒｙ给出的四波??混频相关的三阶极化率的表达式，Ｒｉｏｕｘ等通过费米黄金准则（Ｆｅｒｍｉ’ｓ?Ｇｏｌｄｅｎ??Ｒｕｌｅ）计算了本征石墨燦的双光子吸收系数［９Ｇ］，Ｊａｆａｒｉ在Ｒｉｏｕｘ的基础上引入一??个质量项并计算了开带隙石墨烯的非线性响应｜９１１，?Ｚｈａｎｇ等利用密度矩阵研究了??非掺杂石墨烯在饱和吸收区域的ＦＷＭ效应。狄拉克点附近石墨烯中自由载流??子能量－动量近似满足线性色散关系
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本文编号：2866716