光纤纳米线耦合器中二次谐波产生的研究

论文摘要

近年,光学元器件朝着小型化与集成化的方向蓬勃发展。光纤纳米线作为普通光纤微型化的产物,由于其低传输损耗,低插入损耗以及强倏逝场等光学特性,受到了研究者的青睐。尤其是在非线性光学领域,由于光纤纳米线能够将光场束缚在极小的区域内,极大地增强光场功率密度,使得光纤纳米线迅速成为研究热点。本文主要聚焦于光纤纳米线中二次谐波产生过程相位匹配技术的研究。我们首次将基于耦合补偿的准位相匹配方法引入到了光纤纳米线体系中。从理论,仿真与实验三个方面系统地研究了光纤纳米线对称与非对称耦合器中基于耦合补偿的准位相匹配方法。本文具体的研究内容如下:(1)光纤纳米线对称耦合器中二次谐波的产生。我们从描述光纤纳米线对称耦合器中二次谐波产生过程的四波耦合方程出发,推导了对称耦合器中二次谐波产生的相位匹配条件,发现基频光和倍频光的耦合系数能够补偿相位失配。随后,我们通过仿真计算了相位匹配波长与构成对称耦合器的光纤纳米线直径的关系。尺寸越小的耦合器具有越大的耦合系数,能够补偿更大的相位失配,因此具有更短的相位匹配波长。我们提出了制备光纤纳米线耦合器的新型工艺,在此基础上,我们制备了由两根直径为650 nm的光纤纳米线构成的对称耦合器来验证我们的理论计算。实验结果表明,该耦合器在泵浦光波长为1014 nm时实现了准位相匹配,二次谐波产生效率比构成耦合器的单根光纤纳米线在同一波长处提高了4个数量级,并且该波长与我们理论预测的匹配波长一致。此外,我们还发现,实现了准位相匹配的二次谐波具有高达24 dB的偏振消光比。这也是光纤纳米线耦合器中基于耦合补偿的准位相匹配方法特有的偏振性质。(2)光纤纳米线非对称耦合器中二次谐波的产生。在非对称耦合器中,由于波导失配也会影响耦合器中等效强度光栅的周期,因此波导失配量也能够补偿基频光和倍频光的相位失配。本文首先解析求解了非对称耦合器中二次谐波产生过程的四波耦合方程,总共得到了 12个不同的基于耦合补偿的准位相匹配条件。这12个相位匹配条件中有6个条件可以在波导失配为0时转化为对称耦合器中的那3个准位相匹配条件,另外6个条件只有在非对称耦合器中才能有效地实现二次谐波高效率的产生。随后,我们研究了非对称耦合器的波导失配对其相位匹配能力以及匹配后二次谐波产生效率的影响。我们发现,非对称耦合器的不对称度的增加一方面能够使得耦合器可以补偿更大的相位失配,另一方面又会降低匹配后二次谐波的产生效率,因此在实际使用中需要衡量非对称耦合器波导失配的大小。最后,我们进行了初步的验证性实验。实验中制备了一个由两根直径为700 nm±20 nm的光纤纳米线构成的非对称耦合器。该耦合器在泵浦光波长为1128 nm时实现了效率最高的二次谐波产生,这与理论预测一致。然而,其它的二次谐波增强峰的位置与理论预测的匹配波长不能够一一对应,因此实验方面有待进一步研究。(3)耦合器中准位相匹配波长的调谐。由于耦合系数会参与相位匹配过程,因此我们调节耦合系数的大小就能够使得不同波长实现相位匹配。为了实现最大范围的准位相匹配波长的调谐,我们提出了改变耦合器中两根光纤纳米线的间距来大范围调谐相位匹配波长的方法。理论上,这种方法能够将波长从耦合器的准位相匹配波长调节至单根光纤纳米线的模间相位匹配波长处。在一个由两根直径为700 nm±5 nm的光纤纳米线构成的非对称耦合器中,随着两根光纤纳米线间距从0 nm增加至450 nm,相位匹配波长可从886 nm调谐至1388 nm,波长调谐范围大于500 nm。耦合器能够提供越大的相位补偿,基于耦合补偿的准位相匹配波长与单根光纤纳米线的模间相位匹配波长相差就越大,改变两根光纤纳米线间距的方法就能够实现越大范围的波长调谐。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 光纤纳米线概述
•     1.1.1 光纤纳米线的制备工艺
•     1.1.2 光纤纳米线的基本特性
•     1.1.3 光纤纳米线的非线性应用
•   1.2 光纤中的二次谐波产生
•     1.2.1 普通单模光纤
•     1.2.2 光纤纳米线
•   1.3 准位相匹配方法概述
•   1.4 论文结构与内容
•   参考文献
• 第二章 光纤纳米线中表面二次谐波的产生
•   2.1 光纤纳米线的模式特性
•   2.2 表面二次谐波产生理论
•   2.3 光纤纳米线的制备
•     2.3.1 绝热条件
•     2.3.2 制备过程的模型
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 光纤纳米线对称耦合器中二次谐波的产生
•   3.1 基于耦合补偿的准位相匹配理论
•   3.2 准位相匹配条件仿真
•   3.3 器件制备与测试
•     3.3.1 耦合器制备
•     3.3.2 实验验证
•   3.4 本章小结
•   参考文献
• 第四章 光纤纳米线非对称耦合器中二次谐波的产生
•   4.1 不对称耦合器中准位相匹配理论
•   4.2 相位匹配与效率仿真
•   4.3 实验结果
•   4.4 匹配波长的调谐
•   4.5 本章小结
•   参考文献
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 攻读硕士期间学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴光兴

导师: 徐飞

关键词: 光纤纳米线,二次谐波,耦合器,准位相匹配,波长调谐

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京大学

分类号: TN253

总页数: 98

文件大小: 6398K

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