狭缝波导的非线性特性与应用研究

发布时间：2018-02-08 22:06

  本文关键词： 狭缝波导结构 色散调控 非线性光学 四波混频 波长转换 超连续谱 双狭缝微环谐振器 光频梳　出处：《华中科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着人类科技的高速发展,互联网快速走进大众生活,人们的生活也越来越信息化。随之,人们对信息的需求也逐渐变大,特别是对信息的交换速度要求也随之越来越高,对信息容量要求也越来越大。然而,光通信网络以其独特的性能(包括大容量、高速率、传输损耗低、抗干扰能力强),可以满足人们对通信容量及信息交换速度的需求。在这些高速大容量光通信中,光信号处理起着关键的作用,如光信号的放大、再生、高速光脉冲的产生与整形、波长转换和多信道光源产生等等。近年来,人们发现基于光子集成器件可以容易地实现以上光信号的处理,不仅光子集成器件的功耗低、成本低,而且光子集成器件的尺寸小、能量集中,有利于利用其中的非线性效应实现各种功能。本论文论中,研究了狭缝波导在色散和非线性方面的调控特性,并对狭缝波导中的非线性特性和相关应用做了研究。具体基于硫化砷-二氧化硅材料组成的双狭缝直波导及双狭缝微环结构,分别研究了宽带无色波长转换和宽带平坦光频梳产生的特性;基于有机材料(对甲苯磺酸盐)-硅材料组成的单狭缝直波导结构,研究了倍频程相干超连续谱产生的特性。主要的研究成果如下：(1)结合麦克斯韦方程,并利用软件仿真分析狭缝波导的工作原理,根据波导中模式的分布特性来深入分析其在色散分布和非线性方面的调控原理,为进一步波导设计及参数优化提供的理论依据和技术支持。(2)提出了一种新型的全光宽带无色的波长转换方案。该方案利用双狭缝结构来进行色散优化,可以在很宽的光谱范围内使二阶色散β2达到很低的值(0～-13 ps2/km),实现宽带的波长转换。基于以上优化的色散参数和四波混频效应,可以实现3-dB转换带宽为1200 nm的波长转换。由于在宽的带宽内具有较低的二阶和四阶色散,能够较好地满足相位匹配条件,当泵浦波长从2200 nm变换到2800 nm时,其3-dB转换带宽都可以保持在1200 nm附近。这些结果表明,基于色散优化的双狭缝直波导,不仅是一个理想的宽带波长转换器,而且还可以实现对泵浦波长无敏感性。在波长转换器方面,具有很大的潜在应用价值。(3)设计了由有机材料对甲苯磺酸盐(PTS,p-toluene sulphonate)作为狭缝区材料的单狭缝直波导,通过优化结构参数,单狭缝直波导不仅具有高的非线性系数,而且还具有较平坦的色散。在720 nm带宽内其色散系数D变化范围为0-56 ps/(nm·km)。基于优化的色散参数,当输入脉冲为飞秒脉冲时,中心波长为1.6 μm,相应的非线性系数高达4200／(W·m),通过仿真可以获得倍频程超连续谱,光谱波长覆盖1108 nm至2488 nm的功率波动在-34 dB水平。我们还进一步分析了超连续谱的相干度,发现在整个倍频区内具有高的相干性。此倍频程高相干的超连续谱可以用在光谱学和频率测量方面,而且此波导结构还可以用在近红外的非线性应用中。(4)提出了一种新的双狭缝微环谐振腔结构,此双狭缝微环由AS2S3和Si02材料组成,通过优化波导结构参数,得到了超平坦且低的色散曲线,在1150 nm波长变化范围内相应的色散系数D变化范围为0～3.8 ps/(nm·km)。同时,还研究分析不同结构参数对色散裁剪的影响,仿真结果表明通过改变中间和底层的AS2S3高度,可以调整整个色散曲线的起伏；而且色散曲线的斜率及零色散点可以通过改变波导结构的宽度及底层Si02厚度来调节。进一步,基于优化双狭缝微环波导,并结合Lugiato-Lefever(L-L)方程,仿真成功得到了超平坦且宽的光频梳,最终的光频梳光谱分布从1855nm至3010 n1m1,相应地能量波动范围仅在7-dB内。超平坦且宽的光频梳在通信及中红外方面有很多潜在的应用价值。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN252

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本文编号：1496383