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中红外波段在空间光通信、激光雷达、激光制导、遥感等方面具有巨大应用潜力,但目前中红外光学技术和器件还不成熟,特别是集成型中红外光子器件基本空白。作为中红外波段和通信波段的桥梁,中红外频谱变换是借助通信波段的成熟技术发展中红外波段器件和应用的核心关键技术。与其他传统的非线性材料相比,硅材料具有更高的非线性系数和更好的集成性,并且其通光光谱覆盖了整个通信波段和中红外波段,因此本论文以实现高性能中红外频谱变换为目标,优化设计了新型的硅基复合波导结构并实验实现了中红外频谱变换。文章主要由下面几个部分构成:1、介绍了一个适用于传统硅基波导结构的非线性标量传输模型。首先回顾了非线性波导中一系列重要的非线性效应,并推导各个非线性参数之间的关系,然后在弱导近似下给出了标量非线性耦合波方程。随后根据这个标量方程,以实现中红外宽带高效频谱变换为目标,对悬空脊形硅波导进行了设计优化。2、建立了一个适用于新型硅基复合结构波导的非线性全矢量传输模型。论文这个部分所设计的新型硅基复合波导具有复杂的亚波长结构,并且构成波导的材料之间折射率相差较大,不能满足弱导近似的条件,难以用标量非线性理论进行准确分析。基于全矢量非线性薛定谔方程(VNSE,Vectorially-based Nonlinear SchrodingerEquation),在强导条件下,重新定义了标量方程里的一系列非线性参数,并利用洛伦兹互易定理与微扰理论,把色散效应、线性与非线性损耗、非线性效应作为微扰项,得到了类似于标量模型的复振幅全矢量耦合波方程。随后根据这个矢量方程,设计优化了两种可实现中红外波段宽带高效频谱变换的硅基复合结构波导,并提出了品质因数(FOM,FigureofMerit)来对波导的性能进行评估。3、使用硅波导在中红外波段进行实验,设计方案对硅波导的线性损耗特性与非线性频谱变换的性质进行了测试,并将实验数据与仿真结果进行对比。最后分析了实验方案中存在的不足,并提出改进的办法。