【摘要】：隨著現(xiàn)代光子學領域的快速發(fā)展,微納光子學由于其集成度高、光場束縛能力強、光功率密度大等優(yōu)點,在光信號產生、光信息傳輸/通信、生物和化學傳感、光場調控/成像等領域受到了廣泛的關注。非線性光學波長轉換是擴寬激光頻譜的重要手段,也在信息科學、材料科學等方面有非常廣泛的應用。非線性轉換過程的相位匹配條件則是實現(xiàn)高效光學波長轉換的關鍵。得益于微納尺度對光場的強約束能力,微納尺度的光波導是未來低功耗、高集成非線性光學波長轉換的理想器件。然而在波導器件的非線性光學波長轉換過程中,由于材料色散的存在,孤立的單波導結構難以實現(xiàn)光波的基模之間的相位匹配。以光學二倍頻為例,波導中常利用模式色散法實現(xiàn)基頻光光波基模與倍頻光高階模之間的相位匹配。而波導中基頻光基模與倍頻光高階模在空間分布上存在巨大的差異,直接導致了非線性光學波長轉換的模式重疊積分非常小,相應的非線性轉換效率很低。本文創(chuàng)新提出利用耦合的非線性光波導結構實現(xiàn)基頻光基模與倍頻光基模之間的相位匹配,極大地增加了非線性光學波長轉換的模式重疊積分,從而顯著提升非線性波長轉換的效率。本文以二階非線性光學波長轉換過程為例,通過建立耦合光波導的非線性光學波長轉換耦合模方程,厘清了耦合非線性光波導中的相位匹配條件,深入研究了耦合非線性光波導中二次諧波產生過程(ω_2=2_1)的相位匹配條件及影響因素,構建了一整套耦合光波導結構實現(xiàn)非線性光學波長轉換的相位匹配理論。具體的工作如下:1.基于耦合非線性光波導的模式理論,首次獲得了耦合非線性光波導中二階非線性光學波長轉換的完整的六個相位匹配條件。2.在弱耦合近似條件下,建立耦合非線性光波導中光學二次諧波產生的耦合模方程。在低轉換效率的近似條件下對該方程進行求解,得到對稱耦合光波導中光學二次諧波產生的三個相位匹配條件。并基于以上物理模型,本文詳細研究了耦合非線性光波導中波導耦合系數(shù)、泵浦光的相位因素、泵浦光的幅度因素等對光學二次諧波產生的影響。3.本文進一步利用數(shù)值分析方法(四階Runge-Kutta方法)求解高轉換效率條件下耦合非線性光波導中光學二次諧波產生的非線性波長轉換耦合模方程,并對數(shù)值計算結果展開了深入的討論,進行理論模型有效性的驗證。4.以氧化鋅微納波導結構為例,對比研究了單波導結構和耦合非線性光波導結構中二階非線性光學波長轉換的相位匹配條件。本文發(fā)現(xiàn)基于單波導結構只能實現(xiàn)基頻光的基模與二次諧波的高階模的相位匹配,相應的非線性波長轉換的模式重疊積分較低;而基于耦合波導結構,可以實現(xiàn)基頻光的基模與二次諧波的基模的相位匹配,對應的非線性波長轉換的模式重疊積分比單波導結構的大6個數(shù)量級。本文基于耦合的非線性光波導結構,實現(xiàn)了基頻光光波基模與倍頻光基模之間的相位匹配,突破了傳統(tǒng)模式色散法中模式空間分布差異巨大的限制,極大增加了基頻光與倍頻光之間的有效模式重疊,發(fā)展了一套可集成、低能耗、高效率的非線性光學波長轉換的光子器件的新方法,極大地提高了非線性光學波長轉換的效率,將成為拓展未來相關器件研究及應用的一個重要方向。
【圖文】：

華南理工大學碩士學位論文中實現(xiàn)了橫向發(fā)射的光學二倍頻波長轉換[33, 37, 38]，并成功構建了一系列可集成的超高靈敏度超短脈沖脈寬測量器件，如圖 1-1 所示。目前，人們已經(jīng)在 GaSe 納米帶微光纖中實現(xiàn)了低能耗、高效率的光學二次諧波波長轉換，并構建了可測量超短脈沖的脈寬、色散等信息的自相關儀，該平臺的泵浦光閾值可低至幾個飛焦量級[33, 37, 38]。

華南理工大學碩士學位論文實現(xiàn)了橫向發(fā)射的光學二倍頻波長轉換[33, 37, 38]，，并成功構建了一系列可集成的超高度超短脈沖脈寬測量器件，如圖 1-1 所示。目前，人們已經(jīng)在 GaSe 納米帶微光纖現(xiàn)了低能耗、高效率的光學二次諧波波長轉換，并構建了可測量超短脈沖的脈寬等信息的自相關儀，該平臺的泵浦光閾值可低至幾個飛焦量級[33, 37, 38]。圖 1-1 （a）單根納米線波導中橫向二倍頻波長轉換示意圖[37]；（b）GaSe 納米帶微光纖自相關儀示意圖[38]。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O437

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 沈元壤;;非線性光學五十年[J];物理;2012年02期

相關博士學位論文 前1條

1 虞華康;納米線波導的非線性光學效應及應用研究[D];浙江大學;2013年

相關碩士學位論文 前4條

1 肖璇;基于準相位匹配雙波長及寬帶倍頻特性的研究[D];南京郵電大學;2018年

2 金岸;周期性二維微納光學結構的制備[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

3 畢新英;微結構光纖相位匹配及頻率變換的研究[D];燕山大學;2016年

4 黃克己;平行光學納米線間的倏逝波耦合特性研究[D];浙江大學;2007年

本文編號：2697200