论文部分内容阅读
非线性光学是研究光与物质相互作用的一门科学。激光出现以来,非线性光学得到了快速和持续的发展,已经成为现代光学研究的重要组成部分。一方面,通过光与物质的非线性相互作用,为人们探测和认识物质的内在结构和性质提供了非常有效的工具;另一方面,利用光与物质的非线性相互作用,又为人们对光子进行操控和处理提供了可行的手段,并促成了全光信息处理技术的诞生和发展。与此同时,随着材料技术和微纳加工技术的进步,各种适用于非线性光学的新材料、新结构层出不穷,不断为非线性光学效应的产生和应用提供新平台、新机制和新方法,推动非线性光学蓬勃发展。本文对几种类型的光波导,即高非线性光纤,硅基纳米光子晶体波导,以及硅基微环谐振腔中多种非线性光学效应的基本物理机制进行了深入的研究,并就非线性效应在全光信息处理技术中的应用进行了探索,主要工作和创新内容如下:1.本文的第一部分是关于硅基慢光光子晶体波导中,在自由载流子效应的作用下,光学孤子脉冲产生与传播的系统性基础研究。主要内容包括:(1)利用高灵敏度交叉频率分辨光学开关系统(XFROG:Cross-Correlated Frequency Resolved Optical Gating),首次实验测得了自由载流子效应在慢光光子晶体中的s4增强(s为慢光系数),并进行了详细的理论分析和证明;(2)利用XFROG系统,首次实验观测到了由自由载流子色散效应(FCD:Free-carrier dispersion)引起的孤子加速现象,在长度为1.5mm的慢光光子晶体中,宽度为2.3 ps的输入脉冲在FCD的作用下最多超前了2.6 ps;(3)实验验证了高峰值功率脉冲在硅基慢光光子晶体中由FCD主导的频谱不对称展宽,观测到能量为7 pJ,频谱宽度为12.5 nm,时间宽度为780 fs的脉冲在通过1 mm的光子晶体波导后,频谱向短波长方向展宽了25.1 nm;(4)首次研究了慢光增强的FCD效应对孤子色散波(切连科夫辐射)的影响,证明了FCD趋向于使色散波与孤子频谱重合;(5)利用基于全光傅立叶变换的实时频谱测试技术,首次测量了FCD诱发孤子频谱展宽的高稳定性,在频谱展宽的边缘,光谱抖动方差仅为3.4×10-8。(6)首次实验验证了硅基纳米线波导中,由自由载流子非线性效应导致的相干多波混频过程(FCWM:free-carrier induced wave-mixing),首次展示了FCWM过程的几个重要特性,即边带功率的频率不对称性,以及产生混频边带功率与入射光频率失谐的直接相关性,并给出了详细的理论分析。作者认为,上述研究结果为进一步探索硅基波导中的自由载流子效应及其潜在应用提供了重要的参考。2.本文第二部分是关于光学微环谐振腔中参量克尔光频率梳产生与锁模机制的系统性基础研究。主要内容包括:(1)利用Lugiato-Lefever equation(LLE)理论模型详细分析了在克尔光梳条件下,通过耗散腔孤子实现光梳锁模的基本原理,并首次分析了耗散腔孤子可能受到的几种本征扰动;(2)首次提出并实验验证了利用泵浦相位调制来实现克尔光梳的主动相位锁定和飞秒脉冲产生的方案,实验中采用平均功率为200mW的相位调制泵浦(190MHz调制频率),在直径为400μm的氮化硅微环谐振腔中得到了频谱宽度大于300nm,模式数目大于300个的稳定相位锁定光梳,在时域测得了宽度小于200fs的脉冲,并通过LLE模型对泵浦调制实现光梳主动相位锁定的机制进行了深入分析;(3)首次提出并实验验证了在具有正常色散的微环谐振腔中,通过等效带通滤波效应实现光梳锁模和超短脉冲产生的新机制,得到了脉冲宽度为74 fs的锁模脉冲,打破了锁模脉冲通常只能在反常色散波导中实现的限制,并通过LLE模型进行了深入的理论分析;(4)通过大量的实验测试,证实了硅基微环谐振腔中的双泵浦热光效应对微环中FWM过程的显著影响,首次指出并实验验证了同步泵浦扫描方案可以在硅基微环中得到最高的FWM转换效率。3.本文的第三部分是关于光纤中非线性效应在全光信号处理技术中的应用。主要工作包括:(1)提出了利用四波混频效应(FWM:Four-wave mixing)实现全光幅度整形的优化机制,通过设置理想工作点,使色散导致的线性相位失配与非线性相位失配充分配合,进而使FWM过程中泵浦光与闲频光之间的能量传递函数表现出增强的幅度再生特性,在实验中实现了幅度再生信号消光比较再生前最高提升360%,信号品质因数提升290%,接收灵敏度提高3.0 dB;(2)利用高非线性光纤中FWM效应首次实现了频率调制信号(FSK:frequency-shifted keying)的3输入可重构全光逻辑单元,通过合理地设置FSK信号的波长,遍历地演示了3个20Gb/s FSK信号的所有8种逻辑操作,逻辑输出信号的消光比均在10dB以上;(3)首次提出了采用光纤中FWM效应实现跳频/扩时二维光码字的全光波长相干接收机制,通过实验验证了码重为3,码长为6的光码接收,通过对误码率的理论计算表明,波长相干接收机制的综合误码性能较传统方案大为提高;(4)构建了基于二维光正交码(MOOC:multiple optical orthogonal code)光标签的光分组交换(OPS:optical packet switching)实验系统,该系统完整地演示了一个核心节点和三个边缘节点的OPS网络交换功能,验证了MOOC作为光分组标签的可行性,可作为OPS交换网络的备选方案。