基于正常色散氮化硅非线性集成光波导的平坦光频率梳研究

论文摘要

具有高重复频率的宽带相干平坦光频率梳在波分复用相干光通信系统、光学任意波形生成、光精密测量等领域具有重要的应用,是非线性光学领域的研究热点。光频率梳由高功率光脉冲经过高非线性光波导通过色散和非线性效应共同作用产生极大的频谱展宽,是由一系列间隔均匀并且彼此之间相位关系固定的频率分量组成。高功率输入光脉冲位于氮化硅波导正常色散区域时,通过自相位调制（SPM）和光波分裂（OWB）效应,时域脉冲宽度和频域频谱均会展宽和平坦化,并保持良好的相干性。基于氮化硅非线性集成光波导有望实现小体积的集成化光频率梳。本文主要针对氮化硅光波导的色散调控和基于氮化硅的1550nm波段高重复频率、宽带平坦相干光频率梳产生的优化设计展开了深入的研究,主要研究内容和创新性工作为:（1）对光脉冲在非线性光波导不同色散区域由于色散和非线性效应共同作用引起的时域和频域演化进行理论分析。利用COMSOL和MATLAB进行联合仿真,经由调控氮化硅波导的结构参数,对Strip波导、单Slot波导和双Slot波导三种不同氮化硅多模光波导结构的TE基模色散特性曲线进行优化设计,同时研究了弯曲半径对色散特性曲线的影响,为光频率梳的产生提供具有理想正常色散和非线性参数的高功率限制因子氮化硅光波导。（2）提出了基于奇偶超模理论的非对称氮化硅双Strip波导,在1550nm波段实现大的正常色散或反常色散值。探究了波导高度,Strip波导宽度,Strip波导间隔等参数对超模色散特性曲线的影响。通过色散调控,在1550nm波段得到了较大反常色散值,可用于光频率梳中的光脉冲压缩。（3）提出了基于氮化硅非线性集成光波导的宽带相干平坦光频率梳的实现方案。高重复频率脉冲光源通过高功率EDFA放大经过三段优化设计的氮化硅集成光波导,基于啁啾脉冲压缩、自相位调制与光波分裂等非线性效应,实现了 3dB平坦度带宽范围约40nm-60nm的宽带相干平坦光频率梳。探究了不同输入脉冲形状、初始啁啾,脉冲宽度、脉冲峰值功率、波导二阶色散、波导三阶色散等不同参数对光频率梳产生的影响。

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致谢

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 光频率梳概述

1.2 光频率梳的实现方案与研究进展

1.3 实现光频率梳频谱展宽的非线性材料

1.4 本论文的主要研究内容

2 脉冲光信号在波导中的特性

2.1 非线性薛定谔方程

2.1.1 麦克斯韦方程组

2.1.2 广义非线性薛定谔方程

2.1.3 非线性薛定谔方程数值求解

2.2 色散和非线性对传输特性的影响

2.2.1 群速度色散效应

2.2.2 自相位调制效应

2.2.3 四波混频

2.3 不同传输区域的色散和非线性效应

2.3.1 正常色散中的光波分裂

2.3.2 反常色散中的光孤子效应

2.4 本章小结

3 氮化硅波导的色散调控

3.1 近零正常色散氮化硅波导色散调控

3.2 正常色散平坦氮化硅波导的色散调控

3.3 基于超模理论的非对称双芯氮化硅波导

3.3.1 奇偶超模理论

3.3.2 优化设计

3.4 本章小结

4 基于氮化硅的高重复频率平坦光频率梳

4.1 平坦光频率梳的实现方案

4.1.1 平坦光频率梳系统结构

4.1.2 平坦光频率梳产生的时频演化过程

4.2 不同参数对光频率梳的影响

4.2.1 输入脉冲波形对光频率梳的影响

4.2.2 输入脉冲峰值功率对光频率梳的影响

4.2.3 输入脉冲宽度对光频率梳的影响

4.2.4 波导传输长度对光频率梳的影响

2对光频率梳的影响'> 4.2.5 二阶色散β₂对光频率梳的影响

3对光频率梳的影响'> 4.2.6 高阶色散β₃对光频率梳的影响

4.2.7 输入脉冲初始啁啾对光频率梳的影响

4.3 光频率梳的相干性

4.4 本章小结

5 结论

5.1 论文研究总结

5.2 前景展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁雪琳

导师: 冯素春

关键词: 平坦光频率梳,氮化硅集成光波导,正常色散,自相位调制,光波分裂,耦合模

来源: 北京交通大学

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: 北京交通大学

分类号: TN252

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.000651

总页数: 89

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