光学超晶格是一种人工非线性材料,其二阶非线性系数受到周期性调制。以周期性极化铌酸锂(PPLN)为代表的光学超晶格以其大的非线性系数,成熟的制作工艺,在非线性光学器件中扮演着重要的角色,其主要包括:频率转换器(倍频,和频,差频,参量振荡),光开光,滤波器,光隔离器等等。然而PPLN或其他常用的光学超晶格都是单轴或双轴晶体,因此偏振的本征模式是线偏振的,为了满足位相匹配关系,要求入射激光为一确定的线偏振态。因此非偏振光进入光学超晶格中前需要先转化为偏振光才能实现有效的非线性过程,这样增加了器件的复杂性,同时也损耗了入射光的能量。本文主要的科学意义是研究了基于铌酸锂光学超晶格(PPLN)实现偏振无关的倍频器和隔离器,将主要在光纤系统中有较大的应用前景。本论文的主要成果如下:(1)提出了两种新型偏振无关倍频器的模型。第一种为消偏正交准位相匹配倍频模型,用消偏器对非偏振基频光消偏,使得基频光进入晶体后寻常光(o光)分量的强度与非寻常光(e光)分量的强度大致相等,再同时利用两块c轴正交放置的PPLN晶体对基频光的o分量和e分量进行O型倍频(e-ee),这样倍频光强将不依赖入射光偏振态。并且我们在实验上验证了这一思路的可行性。第二种模型为畴壁切伦科夫倍频模型,非偏振态的基频光沿晶体c轴入射,在晶体中不发生双折射现象,因此倍频光功率只是正比于入射基频光功率的平方,而与其偏振态无关。(2)提出了三种偏振无关的光隔离器。第一种偏振无关隔离器是基于带缺陷的PPLN同时满足低阶的I型匹配(e-oo)和高阶的O型匹配实现对任意线偏光的隔离,该隔离器为全光隔离器,不需要外加磁场或电场。第二种偏振无关隔离器是基于带缺陷的PPLN同时满足偏振耦合和倍频位相匹配条件实现对任意偏振光的双向可调隔离,通过调节外加电场和入射光强,可以使得任意偏振态光入射下隔离度都能从-1调节到1。第三种偏振无关隔离器是基于分段PPLN的反向和频过程实现对任意偏振态信号光的隔离,而且对于弱信号光入射,隔离效果依然明显。