耦合光波导中非线性波长转换相位匹配条件的理论研究

发布时间：2020-06-05 00:19

【摘要】：随着现代光子学领域的快速发展,微纳光子学由于其集成度高、光场束缚能力强、光功率密度大等优点,在光信号产生、光信息传输/通信、生物和化学传感、光场调控/成像等领域受到了广泛的关注。非线性光学波长转换是扩宽激光频谱的重要手段,也在信息科学、材料科学等方面有非常广泛的应用。非线性转换过程的相位匹配条件则是实现高效光学波长转换的关键。得益于微纳尺度对光场的强约束能力,微纳尺度的光波导是未来低功耗、高集成非线性光学波长转换的理想器件。然而在波导器件的非线性光学波长转换过程中,由于材料色散的存在,孤立的单波导结构难以实现光波的基模之间的相位匹配。以光学二倍频为例,波导中常利用模式色散法实现基频光光波基模与倍频光高阶模之间的相位匹配。而波导中基频光基模与倍频光高阶模在空间分布上存在巨大的差异,直接导致了非线性光学波长转换的模式重叠积分非常小,相应的非线性转换效率很低。本文创新提出利用耦合的非线性光波导结构实现基频光基模与倍频光基模之间的相位匹配,极大地增加了非线性光学波长转换的模式重叠积分,从而显著提升非线性波长转换的效率。本文以二阶非线性光学波长转换过程为例,通过建立耦合光波导的非线性光学波长转换耦合模方程,厘清了耦合非线性光波导中的相位匹配条件,深入研究了耦合非线性光波导中二次谐波产生过程(ω_2=2_1)的相位匹配条件及影响因素,构建了一整套耦合光波导结构实现非线性光学波长转换的相位匹配理论。具体的工作如下:1.基于耦合非线性光波导的模式理论,首次获得了耦合非线性光波导中二阶非线性光学波长转换的完整的六个相位匹配条件。2.在弱耦合近似条件下,建立耦合非线性光波导中光学二次谐波产生的耦合模方程。在低转换效率的近似条件下对该方程进行求解,得到对称耦合光波导中光学二次谐波产生的三个相位匹配条件。并基于以上物理模型,本文详细研究了耦合非线性光波导中波导耦合系数、泵浦光的相位因素、泵浦光的幅度因素等对光学二次谐波产生的影响。3.本文进一步利用数值分析方法(四阶Runge-Kutta方法)求解高转换效率条件下耦合非线性光波导中光学二次谐波产生的非线性波长转换耦合模方程,并对数值计算结果展开了深入的讨论,进行理论模型有效性的验证。4.以氧化锌微纳波导结构为例,对比研究了单波导结构和耦合非线性光波导结构中二阶非线性光学波长转换的相位匹配条件。本文发现基于单波导结构只能实现基频光的基模与二次谐波的高阶模的相位匹配,相应的非线性波长转换的模式重叠积分较低;而基于耦合波导结构,可以实现基频光的基模与二次谐波的基模的相位匹配,对应的非线性波长转换的模式重叠积分比单波导结构的大6个数量级。本文基于耦合的非线性光波导结构,实现了基频光光波基模与倍频光基模之间的相位匹配,突破了传统模式色散法中模式空间分布差异巨大的限制,极大增加了基频光与倍频光之间的有效模式重叠,发展了一套可集成、低能耗、高效率的非线性光学波长转换的光子器件的新方法,极大地提高了非线性光学波长转换的效率,将成为拓展未来相关器件研究及应用的一个重要方向。
【图文】：

示意图,波长转换,二倍频,纳米线

华南理工大学硕士学位论文中实现了横向发射的光学二倍频波长转换[33, 37, 38]，并成功构建了一系列可集成的超高灵敏度超短脉冲脉宽测量器件，如图 1-1 所示。目前，人们已经在 GaSe 纳米带微光纤中实现了低能耗、高效率的光学二次谐波波长转换，并构建了可测量超短脉冲的脉宽、色散等信息的自相关仪，该平台的泵浦光阈值可低至几个飞焦量级[33, 37, 38]。

示意图,光参量放大器,频率,波长转换

华南理工大学硕士学位论文实现了横向发射的光学二倍频波长转换[33, 37, 38]，，并成功构建了一系列可集成的超高度超短脉冲脉宽测量器件，如图 1-1 所示。目前，人们已经在 GaSe 纳米带微光纤现了低能耗、高效率的光学二次谐波波长转换，并构建了可测量超短脉冲的脉宽等信息的自相关仪，该平台的泵浦光阈值可低至几个飞焦量级[33, 37, 38]。图 1-1 （a）单根纳米线波导中横向二倍频波长转换示意图[37]；（b）GaSe 纳米带微光纤自相关仪示意图[38]。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O437

【参考文献】