幾類光波導(dǎo)中的非線性光學(xué)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用探索.pdf

1、非線性光學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用的一門科學(xué)。激光出現(xiàn)以來(lái)，非線性光學(xué)得到了快速和持續(xù)的發(fā)展，已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)研究的重要組成部分。一方面，通過(guò)光與物質(zhì)的非線性相互作用，為人們探測(cè)和認(rèn)識(shí)物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提供了非常有效的工具；另一方面，利用光與物質(zhì)的非線性相互作用，又為人們對(duì)光子進(jìn)行操控和處理提供了可行的手段，并促成了全光信息處理技術(shù)的誕生和發(fā)展。與此同時(shí)，隨著材料技術(shù)和微納加工技術(shù)的進(jìn)步，各種適用于非線性光學(xué)的新材料、新結(jié)構(gòu)層出不窮，不

2、斷為非線性光學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生和應(yīng)用提供新平臺(tái)、新機(jī)制和新方法，推動(dòng)非線性光學(xué)蓬勃發(fā)展。
　　本文對(duì)幾種類型的光波導(dǎo)，即高非線性光纖，硅基納米光子晶體波導(dǎo)，以及硅基微環(huán)諧振腔中多種非線性光學(xué)效應(yīng)的基本物理機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，并就非線性效應(yīng)在全光信息處理技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，主要工作和創(chuàng)新內(nèi)容如下：
　　1.本文的第一部分是關(guān)于硅基慢光光子晶體波導(dǎo)中，在自由載流子效應(yīng)的作用下，光學(xué)孤子脈沖產(chǎn)生與傳播的系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究。主要內(nèi)容包括

3、：（1）利用高靈敏度交叉頻率分辨光學(xué)開關(guān)系統(tǒng)（XFROG：Cross-Correlated Frequency Resolved Optical Gating），首次實(shí)驗(yàn)測(cè)得了自由載流子效應(yīng)在慢光光子晶體中的s4增強(qiáng)（s為慢光系數(shù)），并進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和證明；(2)利用XFROG系統(tǒng)，首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了由自由載流子色散效應(yīng)（FCD：Free-carrier dispersion）引起的孤子加速現(xiàn)象，在長(zhǎng)度為1.5mm的慢光光子晶體中，

4、寬度為2.3 ps的輸入脈沖在FCD的作用下最多超前了2.6 ps；（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高峰值功率脈沖在硅基慢光光子晶體中由FCD主導(dǎo)的頻譜不對(duì)稱展寬，觀測(cè)到能量為7 pJ，頻譜寬度為12.5 nm，時(shí)間寬度為780 fs的脈沖在通過(guò)1 mm的光子晶體波導(dǎo)后，頻譜向短波長(zhǎng)方向展寬了25.1 nm；（4）首次研究了慢光增強(qiáng)的FCD效應(yīng)對(duì)孤子色散波（切連科夫輻射）的影響，證明了 FCD趨向于使色散波與孤子頻譜重合；（5）利用基于全光傅立葉變換的

5、實(shí)時(shí)頻譜測(cè)試技術(shù)，首次測(cè)量了FCD誘發(fā)孤子頻譜展寬的高穩(wěn)定性，在頻譜展寬的邊緣，光譜抖動(dòng)方差僅為3.4×10-8。（6）首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硅基納米線波導(dǎo)中，由自由載流子非線性效應(yīng)導(dǎo)致的相干多波混頻過(guò)程（FCWM：free-carrier induced wave-mixing），首次展示了FCWM過(guò)程的幾個(gè)重要特性，即邊帶功率的頻率不對(duì)稱性，以及產(chǎn)生混頻邊帶功率與入射光頻率失諧的直接相關(guān)性，并給出了詳細(xì)的理論分析。作者認(rèn)為，上述研究結(jié)果為進(jìn)

6、一步探索硅基波導(dǎo)中的自由載流子效應(yīng)及其潛在應(yīng)用提供了重要的參考。
　　2.本文第二部分是關(guān)于光學(xué)微環(huán)諧振腔中參量克爾光頻率梳產(chǎn)生與鎖模機(jī)制的系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究。主要內(nèi)容包括：（1）利用Lugiato-Lefever equation(LLE)理論模型詳細(xì)分析了在克爾光梳條件下，通過(guò)耗散腔孤子實(shí)現(xiàn)光梳鎖模的基本原理，并首次分析了耗散腔孤子可能受到的幾種本征擾動(dòng)；（2）首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用泵浦相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)克爾光梳的主動(dòng)相位鎖定和飛秒

7、脈沖產(chǎn)生的方案，實(shí)驗(yàn)中采用平均功率為200mW的相位調(diào)制泵浦（190MHz調(diào)制頻率），在直徑為400μm的氮化硅微環(huán)諧振腔中得到了頻譜寬度大于300nm，模式數(shù)目大于300個(gè)的穩(wěn)定相位鎖定光梳，在時(shí)域測(cè)得了寬度小于200fs的脈沖，并通過(guò)LLE模型對(duì)泵浦調(diào)制實(shí)現(xiàn)光梳主動(dòng)相位鎖定的機(jī)制進(jìn)行了深入分析；（3）首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在具有正常色散的微環(huán)諧振腔中，通過(guò)等效帶通濾波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光梳鎖模和超短脈沖產(chǎn)生的新機(jī)制，得到了脈沖寬度為74 fs的

8、鎖模脈沖，打破了鎖模脈沖通常只能在反常色散波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)的限制，并通過(guò)LLE模型進(jìn)行了深入的理論分析；（4）通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證實(shí)了硅基微環(huán)諧振腔中的雙泵浦熱光效應(yīng)對(duì)微環(huán)中FWM過(guò)程的顯著影響，首次指出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同步泵浦掃描方案可以在硅基微環(huán)中得到最高的FWM轉(zhuǎn)換效率。
　　3.本文的第三部分是關(guān)于光纖中非線性效應(yīng)在全光信號(hào)處理技術(shù)中的應(yīng)用。主要工作包括:（1）提出了利用四波混頻效應(yīng)（FWM：Four-wave mixing）實(shí)現(xiàn)

9、全光幅度整形的優(yōu)化機(jī)制，通過(guò)設(shè)置理想工作點(diǎn)，使色散導(dǎo)致的線性相位失配與非線性相位失配充分配合，進(jìn)而使FWM過(guò)程中泵浦光與閑頻光之間的能量傳遞函數(shù)表現(xiàn)出增強(qiáng)的幅度再生特性，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了幅度再生信號(hào)消光比較再生前最高提升360％，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)提升290%，接收靈敏度提高3.0 dB；（2）利用高非線性光纖中FWM效應(yīng)首次實(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)制信號(hào)（FSK：frequency-shifted keying）的3輸入可重構(gòu)全光邏輯單元，通過(guò)合理地設(shè)置

10、 FSK信號(hào)的波長(zhǎng)，遍歷地演示了3個(gè)20Gb/s FSK信號(hào)的所有8種邏輯操作，邏輯輸出信號(hào)的消光比均在10dB以上；（3）首次提出了采用光纖中FWM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)跳頻/擴(kuò)時(shí)二維光碼字的全光波長(zhǎng)相干接收機(jī)制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了碼重為3，碼長(zhǎng)為6的光碼接收，通過(guò)對(duì)誤碼率的理論計(jì)算表明，波長(zhǎng)相干接收機(jī)制的綜合誤碼性能較傳統(tǒng)方案大為提高；（4）構(gòu)建了基于二維光正交碼（MOOC：multiple optical orthogonal code）光標(biāo)簽的光