中紅外硅基環(huán)形諧振腔中若干非線性效應(yīng)及其應(yīng)用研究.pdf

1、中紅外激光通常指波長為2-20μm的激光。一方面，生物和化學(xué)中許多重要分子基團(tuán)的振動或轉(zhuǎn)動能級在此波段內(nèi)，同時(shí)3-5μm和8-13μm波段又是大氣中的兩個透明窗口。因此中紅外波段在光譜分析、空間遙感、污染監(jiān)測和激光對抗等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，幾十年來，人們對光學(xué)信息處理進(jìn)行了深入的研究，特別是對大規(guī)模集成光學(xué)的研究更是近年來的熱點(diǎn)之一。硅由于其可與CMOS兼容、易于集成等優(yōu)勢引起了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。但是在1.1μm～2.

2、2μm的波段，雙光子吸收效應(yīng)及自由載流子吸收效應(yīng)極大的制約了硅基器件的應(yīng)用，特別是在輸入信號功率較大或頻率較高時(shí)的應(yīng)用。而在中紅外波段，由于沒有雙光子吸收的影響，硅成為人們研究光信息處理的首選材料。
　　 基于以上兩點(diǎn)，本論文緊密圍繞中紅外激光與硅基光學(xué)展開，以硅基環(huán)形諧振腔為主要研究對象。我們首先在第二章中介紹了環(huán)形諧振腔的基本理論及制作方案，然后提出了若干具有重要應(yīng)用的光子學(xué)器件。
　　 在中紅外硅基光學(xué)的研究中，首

3、要問題是光源的產(chǎn)生。本論文中我們發(fā)展了級聯(lián)拉曼激光器的理論，在第三章中提出了一種在硅基環(huán)形腔中基于四級受激拉曼散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)3427nm中紅外激光輸出的方案。我們用數(shù)值分析的方法討論了該拉曼激光器的輸入輸出特性，研究了自由載流子壽命、諧振腔長度、輸入輸出耦合比等參量對結(jié)果的影響。在此過程中，我們發(fā)現(xiàn)了此激光器中的飽和輸入現(xiàn)象。最后我們通過對此現(xiàn)象的分析，首創(chuàng)了一種級聯(lián)雙環(huán)拉曼器結(jié)構(gòu)，成功克服了該現(xiàn)象的影響，最終實(shí)現(xiàn)了功率更高、更穩(wěn)定的中紅

4、外激光輸出。
　　 在光信息處理過程中，信號單向?qū)ㄆ骷蔷哂兄匾獞?yīng)用的基本元件。我們在第四章中提出了一種基于雙環(huán)諧振腔的中紅外全光二極管，非互易導(dǎo)通率可大于20dB。該方案的基本原理是不同光強(qiáng)的輸入激光通過不同強(qiáng)度的自相位調(diào)制效應(yīng)造成微環(huán)諧振腔諧振頻率不同程度的紅移。在這一章中，我們優(yōu)化了硅基懸空波導(dǎo)的橫截面積以達(dá)到最佳單向?qū)ㄐЧ?我們提出了波長追蹤法來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)微環(huán)諧振腔工作狀態(tài)，克服了實(shí)驗(yàn)環(huán)境及輸入激光波長漂移對結(jié)果的影響

5、;我們分析了線性傳輸損耗、輸入信號功率以及光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)對單向?qū)ㄌ匦缘挠绊憽?br>　　 第五章中我們對中紅外光學(xué)頻率梳在硅基微環(huán)諧振腔中的若干特性進(jìn)行了分析，構(gòu)建了中紅外光學(xué)頻率梳在硅基環(huán)形諧振腔中傳播的數(shù)值模型。利用該模型我們深入研究了光學(xué)頻率梳在微環(huán)諧振腔中的參量振蕩等非線性動力學(xué)機(jī)制，分析了頻率梳產(chǎn)生的閾值、帶寬、能量轉(zhuǎn)化的效率以及輸入輸出耦合比對結(jié)果的影響。我們發(fā)現(xiàn)泵浦信號自相位調(diào)制與交叉相位調(diào)制之間的差異制約了頻率梳產(chǎn)生