微纳波导中光脉冲非线性传输特性及其应用研究
发布时间：2020-10-09 20:42
随着科技的迅速发展,光脉冲在越来越多的领域发挥重要作用,如通信领域的密集波分复用系统、军事领域的激光武器、生物医疗领域的细胞成像以及精密加工领域的高能激光等。人们期望可以对脉冲时频域特性进行灵活的处理,以期获得超短脉冲、高能量脉冲、宽带脉冲以及窄线宽脉冲。这些性能各异的脉冲源可用于宽带通信系统、超快显微学和生物学、高能量脉冲激光器、高速信号传输系统、高分辨率相干断层扫描、高相干光频梳、高分辨率分子成像以及全光信号处理。然而,超快超强的光脉冲时频域响应只能在合适的介质中以及大的光强下才能发生。微纳波导(Micro-nano waveguide,MNW)如硅波导、硫系化物波导的出现为解决这一问题提供了契机。由于这些波导微小的尺寸和强烈的三阶非线性效应,可将光电器件的响应时间从纳秒提高到飞秒级别。本文围绕由MNW中的三阶非线性效应引起的脉冲时域压缩和整形、频谱展宽和压缩等展开了深入研究。主要的研究内容和取得的成果如下:1.提出了反常色散区自相似脉冲压缩的方案,在通信波段和中红外波段分别设计了硫系化物-硅槽形锥波导和反锥形硅波导进行皮秒脉冲自相似压缩。在长度为6 cm的硫系化物-硅槽形锥波导中将入射脉宽为1ps的基阶孤子压缩至81.5 fs,实现了 12.3的压缩倍数;在长度为5.1 cm的反锥形硅波导中将入射脉宽为1 ps的脉冲压缩至57.29 fs,压缩倍数为17.46。两个波导的压缩倍数都大大高于已报道的GaInP光子晶体波导和Si光子晶体波导中的脉冲压缩倍数。这些方案的提出解决了脉冲压缩过程中不可避免的基座难题,理论上可实现无基座的脉冲输出。另外,两种波导都利用较低的输入功率和较短的长度即可实现皮秒脉冲的有效压缩,在低功耗、可集成的片上超短脉冲源上有潜在应用。2.提出了正常色散区抛物线脉冲(Parabolic pulse,PP)的产生方法,研究了利用锥形掺氢非晶硅波导分别实现通信波段(1550 nm)和中红外波段(2150 nm)PP的产生。在长度为1 cm的波导中生成了高质量的PP,其在1550 nm波长处的失配系数低至1.19×10-3,在2150 nm波长处的失配系数低至9.17× 10-4。利用正常色散区的自相似理论(Self-similar theory,SST)研究了色散和非线性系数分别变化情况下的PP的产生机制,从理论上分析了用锥形波导产生PP的方法,拓展了SST在非线性光学领域的应用。在此基础上,采用二分法设计出色散和非线性同时变化的锥形硅波导,在长度1 cm的锥形硅波导中产生了失配系数低至1.3 ×10-3的PP,并且分析了输入峰值功率和脉冲宽度对不同长度的锥形硅波导中PP产生的影响。此部分工作可为片上无源PP的产生提供理论指导。3.提出了锥形硅波导中正常色散区PP自相似传输方法。根据SST推导计算了非线性薛定谔方程的自相似条件。将自相似条件分为三种,详细分析了每一种情况的物理机制。根据三种自相似条件设计了三种长度为1 cm的锥形硅波导,并分析研究三种锥形硅波导中PP自相似传输的异同点。PP自相似传输过程中的脉宽和峰值功率变化的数值解与解析解高度吻合,验证了自相似条件的正确性。提出了一种级联的硅波导以实现PP的产生和压缩,将初始脉宽为300 fs的高斯脉冲先转化成PP,然后再压缩至35.6 fs输出,实现了 8.4的压缩倍数。该方案利用PP的正线性啁啾特点,在可集成波导中产生了超短飞秒脉冲,在实现低功耗、小尺寸的片上超短脉冲源上有巨大潜力。4.研究了Ⅲ-V族MNW中红外超宽带、高相干超连续谱的产生,提出了四种不同尺寸和结构的Al0.I8Ga0.82As条形波导来产生超宽带、高相干超连续谱,根据产生的超连续谱的不同以满足不同的需求。分别采用Al0.2Ga0.8As和A1203作为下包层,Al0.1sGa0.82As作为芯层设计不同的宽度和高度的MNW。在设计的波导中实现的最大谱宽可从2μm到18 μm,大于目前硅和硫系化物波导中产生的超连续谱的宽度。通过改变泵浦峰值功率和中心波长,对超连续谱展宽机制和相干特性进行了详细分析,为III-V族可集成的宽带光源的设计提供了指导,在生物医学检测和成像、高精密测量等领域有重要应用。5.提出了利用氮化硅MNW在通信波段进行频谱压缩的方法。在4 cm长的氮化硅条形波导中将初始频谱宽度为6.19 THz的啁啾PP压缩至0.24 THz,压缩倍数高达25.8,产生的脉冲无啁啾且基座低至-15.5 dB。该方案首次在可集成氮化硅波导实现了有效的PP频谱压缩。该方案具有压缩倍数大、脉冲基座低等多方面优势,可用于集成的片上谱压缩器。另外,设计了弯曲的硫系化物条形波导以实现频移孤子谱压缩。当输入峰值功率为25 W时,52.04 nm宽的频谱可被压缩至7.23 nm,压缩倍数达7.2,同时中心波长移动17 nm。当输入脉冲的峰值功率为75 W时,频谱压缩倍数为4.9,频移量高达190 nm。该方案同时实现了大的频谱压缩和孤子自频移,在可调谐激光器和宽带成像系统上有重要应用。然后将该频谱压缩方案用于可集成全光量化系统中,利用量化分辨率与频谱压缩倍数和孤子频移量之间的关系,实现了4 bit的量化分辨率。该方案降低了全光量化系统的复杂性,对实现小型化、低功耗、结构简单的片上全光信号处理系统有重要的意义。本文的研究工作丰富了MNW中光脉冲非线性传输理论,探索了基于三阶非线性效应的脉冲时频域变化机制,设计出不同尺寸和结构的波导以实现脉冲压缩和整形、频谱展宽和压缩,为可集成,低功耗、低成本和高性能的片上光源和光电器件的实现提供了理论指导,在生物医学成像和检测、高速通信和测量等领域有重要的应用价值。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O437;TN814
【部分图文】：
这种光纤于１９９６年由英国巴斯大学首次提出。由于其能够实现在传统光纤中无法逡逑实现的限制特性，因此被广泛应用于光纤通信、光纤激光器、非线性通信器件、逡逑高灵敏度传感器等。图１－１给出了典型的实心ＰＣＦ扫描电子显微图。芯层直径为５逡逑ｐｍ，空洞直径为４邋＾ｍ。由于ＰＣＦ具有高的非线性系数和灵活的色散调节能力，逡逑在其中可以观察到很多三阶非线性效应，如ＳＰＫ＃８］、受激拉曼散射、波长变逡逑换＿、受激布里渊散射［４１］、ＦＷＭｌ４２］等。逡逑，Ｉ逡逑１逡逑图１邋－１实心ＰＣＦ横截面的⑻扫描电子显微图及其（ｂ）放大图逡逑然而，ＰＣＦ存着两个方面的问题，第一个是纤芯的直径一般在微米量级，还逡逑不够小，如果进一步拉细容易引起空气孔的坍塌，拉细之后的芯径在高强度光下逡逑容易被烧坏。其次是ＰＣＦ无法与现有的半导体器件制作工艺兼容，因此无法集成逡逑在一块基片上。随着微纳加工技术的日益发展，微纳波导（Ｍｉｃｏ－ｎａｎｏ邋ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，逡逑ＭＮＷ）己经可以被制作出来。由于ＭＮＷ的尺寸只有几百个甚至数十个纳米大小
出１到３个数量级。此外，基于这些材料的波导器件可以做到小型化，因此ＭＮＷ逡逑无论是在三阶非线性效应物理机制的探索上，还是在通信、医学、传感等应用方逡逑面都具有极大的优势。图１－２给出了典型的绝缘体上娃波导（Ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｏｎ邋ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，逡逑ＳＯＩ）的横截面示意图和三维扫描电子显微图。逡逑逦＞）邋、逡逑（ａ）邋Ｍｌ！逡逑９０ｊ邋ｕｎｄｅｆ邋ｄａｄｃｉｉｇ逡逑图１－２硅基绝}闾宀ǖ嫉模ǎ幔┖峤孛媸疽馔己停ǎ猓┤璧缱酉晕⑼煎义辖昀矗停危字械娜追窍咝孕вΦ玫搅斯惴旱难芯浚绻璨ǖ迹郏矗常矗担荨⑹义嫌⒉ǖ迹郏矗叮莺偷瑁郏矗罚莶ǖ贾械模樱校汀Ｕ庑┭绣辰峁砻鳎谙嗤氖淙牍β氏拢义霞父隼迕壮さ墓璨ǖ疾姆窍咝韵嘁瓶梢杂爰该壮さ模校茫葡啾饶狻＃玻埃埃纺辏桑澹祝义希龋螅椋澹璧热搜绣沉斯璨ǖ贾校兀校投苑擅肼龀宓挠跋欤郏矗福荩冢保靛澹恚椎氖淙牍β氏率靛义舷至耍罚舻南辔弧＃玻埃埃赌辏模伲澹茫瑁铮榈热搜芯苛肆蛳祷锛剐尾ǖ贾杏桑兀校鸵鸬腻义喜ǔぷ唬郏矗梗荩冢靛澹悖沓さ牟ǖ贾惺迪至隋澹保板澹睿矸段У牟ǔぷ唬对陡哂诠庀酥绣义系慕峁＃玻埃埃的辏龋疲酰耄酰洌岬热搜绣沉斯枘擅撞ǖ贾械模疲祝停郏担ǎ荩谥挥校保担福悖礤义铣さ墓枘擅撞ǖ贾惺迪至耍常靛澹洌碌淖畲笞恍省＃玻埃埃衬
本文编号：2834172
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O437;TN814
【部分图文】：
这种光纤于１９９６年由英国巴斯大学首次提出。由于其能够实现在传统光纤中无法逡逑实现的限制特性，因此被广泛应用于光纤通信、光纤激光器、非线性通信器件、逡逑高灵敏度传感器等。图１－１给出了典型的实心ＰＣＦ扫描电子显微图。芯层直径为５逡逑ｐｍ，空洞直径为４邋＾ｍ。由于ＰＣＦ具有高的非线性系数和灵活的色散调节能力，逡逑在其中可以观察到很多三阶非线性效应，如ＳＰＫ＃８］、受激拉曼散射、波长变逡逑换＿、受激布里渊散射［４１］、ＦＷＭｌ４２］等。逡逑，Ｉ逡逑１逡逑图１邋－１实心ＰＣＦ横截面的⑻扫描电子显微图及其（ｂ）放大图逡逑然而，ＰＣＦ存着两个方面的问题，第一个是纤芯的直径一般在微米量级，还逡逑不够小，如果进一步拉细容易引起空气孔的坍塌，拉细之后的芯径在高强度光下逡逑容易被烧坏。其次是ＰＣＦ无法与现有的半导体器件制作工艺兼容，因此无法集成逡逑在一块基片上。随着微纳加工技术的日益发展，微纳波导（Ｍｉｃｏ－ｎａｎｏ邋ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，逡逑ＭＮＷ）己经可以被制作出来。由于ＭＮＷ的尺寸只有几百个甚至数十个纳米大小
出１到３个数量级。此外，基于这些材料的波导器件可以做到小型化，因此ＭＮＷ逡逑无论是在三阶非线性效应物理机制的探索上，还是在通信、医学、传感等应用方逡逑面都具有极大的优势。图１－２给出了典型的绝缘体上娃波导（Ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｏｎ邋ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，逡逑ＳＯＩ）的横截面示意图和三维扫描电子显微图。逡逑逦＞）邋、逡逑（ａ）邋Ｍｌ！逡逑９０ｊ邋ｕｎｄｅｆ邋ｄａｄｃｉｉｇ逡逑图１－２硅基绝}闾宀ǖ嫉模ǎ幔┖峤孛媸疽馔己停ǎ猓┤璧缱酉晕⑼煎义辖昀矗停危字械娜追窍咝孕вΦ玫搅斯惴旱难芯浚绻璨ǖ迹郏矗常矗担荨⑹义嫌⒉ǖ迹郏矗叮莺偷瑁郏矗罚莶ǖ贾械模樱校汀Ｕ庑┭绣辰峁砻鳎谙嗤氖淙牍β氏拢义霞父隼迕壮さ墓璨ǖ疾姆窍咝韵嘁瓶梢杂爰该壮さ模校茫葡啾饶狻＃玻埃埃纺辏桑澹祝义希龋螅椋澹璧热搜绣沉斯璨ǖ贾校兀校投苑擅肼龀宓挠跋欤郏矗福荩冢保靛澹恚椎氖淙牍β氏率靛义舷至耍罚舻南辔弧＃玻埃埃赌辏模伲澹茫瑁铮榈热搜芯苛肆蛳祷锛剐尾ǖ贾杏桑兀校鸵鸬腻义喜ǔぷ唬郏矗梗荩冢靛澹悖沓さ牟ǖ贾惺迪至隋澹保板澹睿矸段У牟ǔぷ唬对陡哂诠庀酥绣义系慕峁＃玻埃埃的辏龋疲酰耄酰洌岬热搜绣沉斯枘擅撞ǖ贾械模疲祝停郏担ǎ荩谥挥校保担福悖礤义铣さ墓枘擅撞ǖ贾惺迪至耍常靛澹洌碌淖畲笞恍省＃玻埃埃衬
本文编号：2834172
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