中紅外硅基環(huán)形諧振腔中若干非線性效應及其應用研究.pdf

1、中紅外激光通常指波長為2-20μm的激光。一方面，生物和化學中許多重要分子基團的振動或轉動能級在此波段內，同時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用價值。另一方面，幾十年來，人們對光學信息處理進行了深入的研究，特別是對大規(guī)模集成光學的研究更是近年來的熱點之一。硅由于其可與CMOS兼容、易于集成等優(yōu)勢引起了各國科學家的廣泛關注。但是在1.1μm～2.

2、2μm的波段，雙光子吸收效應及自由載流子吸收效應極大的制約了硅基器件的應用，特別是在輸入信號功率較大或頻率較高時的應用。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，本論文緊密圍繞中紅外激光與硅基光學展開，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用的光子學器件。
　　 在中紅外硅基光學的研究中，首

3、要問題是光源的產生。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實現3427nm中紅外激光輸出的方案。我們用數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果的影響。在此過程中，我們發(fā)現了此激光器中的飽和輸入現象。最后我們通過對此現象的分析，首創(chuàng)了一種級聯(lián)雙環(huán)拉曼器結構，成功克服了該現象的影響，最終實現了功率更高、更穩(wěn)定的中紅

4、外激光輸出。
　　 在光信息處理過程中，信號單向導通器件是具有重要應用的基本元件。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，非互易導通率可大于20dB。該方案的基本原理是不同光強的輸入激光通過不同強度的自相位調制效應造成微環(huán)諧振腔諧振頻率不同程度的紅移。在這一章中，我們優(yōu)化了硅基懸空波導的橫截面積以達到最佳單向導通效果;我們提出了波長追蹤法來實時調節(jié)微環(huán)諧振腔工作狀態(tài)，克服了實驗環(huán)境及輸入激光波長漂移對結果的影響

5、;我們分析了線性傳輸損耗、輸入信號功率以及光學雙穩(wěn)態(tài)效應對單向導通特性的影響。
　　 第五章中我們對中紅外光學頻率梳在硅基微環(huán)諧振腔中的若干特性進行了分析，構建了中紅外光學頻率梳在硅基環(huán)形諧振腔中傳播的數值模型。利用該模型我們深入研究了光學頻率梳在微環(huán)諧振腔中的參量振蕩等非線性動力學機制，分析了頻率梳產生的閾值、帶寬、能量轉化的效率以及輸入輸出耦合比對結果的影響。我們發(fā)現泵浦信號自相位調制與交叉相位調制之間的差異制約了頻率梳產生