中红外波段的光学研究是当前科学技术研究中非常引人关注的领域,因为它涉及到国防、工业、环保和自由空间通讯等行业的重要应用。传统的中红外器件受到响应速度、工作温度与器件加工等方面的限制,不能满足对器件高速化、集成化和产业化的需求。本论文中,作者通过对硅基非线性的研究,提出了通过加载直流电场引入等效二阶非线性效应实现波长二倍频以及通过结构渐变补偿传输损耗引起的非线性相位变化来提高四波混频效率的方案,为解决中红外器件的信号探测这一关键问题提供了新的途径。硅材料是现代微电子工业的基石。而近年来的研究发现,硅所具备的良好的三阶非线性使它也能够在全光高速信息处理等方面发挥出重要作用。同时,由于硅材料在微纳加工和器件集成方面有着其他材料无法比拟的优势,因而以硅材料为基础的硅基光子学也被视为最有前景的研究领域。硅波导是硅基光子学的基础性元件,它不仅可以作为连接各个光学器件的无源桥梁,也可以作为进行非线性过程的有源场所。硅波导拥有较小的有效模场面积,配合上硅本身较大的非线性极化率,使得硅波导能产生较高的有效非线性系数,从而实现较强的非线性过程。本论文中,作者对硅波导中非线性相位匹配以及传播过程进行了深入的研究,具体设计了两种模式匹配的中红外非线性硅波导,并通过数值计算,模拟了所设计的波导中的非线性转化过程:(一)体块硅中没有本征的二阶非线性极化率,所以传统硅基光子学无法实现二阶非线性效应。本论文中,通过在硅波导两侧加上金属电极,在硅波导上施加一个极强的直流电场,将硅原本较高的三阶非线性极化率转化为一个等效的二阶非线性极化率,从而在硅波导中产生二阶非线性效应。并通过相位匹配与模式匹配的方法,具体设计了一个能够实现将2400nm左右的中红外信号转化到1200nm左右的近红外信号的倍频过程的硅波导。通过对非线性传播方程的数值计算,得到所设计的硅波导的倍频过程的效率。对结果的分析显示这种方法不仅能够实现较高的倍频转化效率,而且它还具有传统二阶材料不具备的显著的功率相关的相位匹配过程与转化过程。(二)在硅波导的四波混频过程中,损耗是限制有效作用长度的主要因素。本论文中通过在波导中引入渐变的结构来补偿传播过程中由损耗引起的泵浦功率变化而导致的非线性相位的变化。这种方法能够在较长的传播距离满足相位匹配条件,从而极大地增加有效作用长度,提高四波混频转化效率。我们还通过增加设计自由度的方法,设计出实际加工可行的结构渐变四波混频硅波导,实现了从3789nm的中红外信号向1550nm的通信波段转化。非线性传播方程的数值计算结果证明了这种渐变波导的四波混频转化效率要比普通波导高出30dB以上。