光子晶體慢光與物質的相互作用.pdf

1、傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中,光與物質的相互作用在光放大器、激光器和頻率轉換器等方面有著非常廣泛的應用。但是這些器件通常需要比較長的增益介質,而且需要較高的抽運功率,因此如何提高集成光子器件的集成度和功耗成了大家共同考慮的一個問題,慢光研究的開始和發(fā)展給出了解決這一問題的一個思路。本論文研究了幾種光與物質相互作用機制,通過理論分析和數(shù)值計算,證明了慢光可以提高光參量增益、增強三次諧波強度以及增強四能級離子系統(tǒng)的有源增益。因而慢光可以有效的降低所

2、需抽運功率或者縮短增益介質長度,這對于推動大容量光傳輸系統(tǒng)以及集成光子器件的發(fā)展具有重要意義。本論文的主要研究內(nèi)容如下：論文第一章為緒論,首先介紹了光子晶體、光學非線性和光放大器的基本原理和研究進展,然后給出了慢光的理論基礎和應用價值,為后文的研究工作做了理論鋪墊。在第二章中我們推導了非線性光子晶體線缺陷波導中抽運光群速度與光參量放大增益的理論模型。理論結果表明,慢光抽運可以增強光參量放大效應。為獲得相同的增益,當波導長度不變時,慢光波

3、導所需的抽運光功率可以減少為普通波導的(vgn/c)2,當抽運光功率不變時,慢光波導所需的長度可以減少為普通波導的(vgn/c)2,其中n為普通波導的材料折射率,vg為慢光波導的群速度,c為真空中的光速。數(shù)值計算結果驗證了我們的理論預測。第三章我們從理論和數(shù)值兩個方面對光子晶體中的三次諧波進行討論。我們的理論模型主要考慮了色散和群速度對于三次諧波強度的影響,然后我們利用時域有限差分方法進行了數(shù)值仿真,數(shù)值結果和理論模型吻合得非常好。從仿

4、真中,我們觀察到了三次諧波沿著波導的周期性分布,同時也證明了慢光可以增強三次諧波。第四章討論了如何在MIT開發(fā)的有限差分時域方法開源軟件(MEEP)的基礎上,修改了相應的C++源代碼,使其可以完成對稀土摻雜系統(tǒng)的時域仿真。第五章我們用布洛赫-弗洛凱機制和電磁場耦合的諧振子半經(jīng)典理論,證明了當群速度降低時,離子系統(tǒng)和外場之間的相互作用將得到加強,從而增加有源介質增益。然后我們通過對光纖光柵數(shù)值仿真,證明了我們的理論預測。在我們的模擬中,慢