基于光子晶体光纤的亚波长光波导制备与非线性特性的研究

With the progress of fabrication technology and the increasing requirement of photoelectron devices on the fast response time, high sensitivity, and low power depletion, it has a crucial meaning on the development and integration of nanometer photoelectron devices to fabricate and study on the subwavelength core photonic crystal fiber(SCPCF). Here, with the new principle and technology in the nanometer field, the dynamic model in the process of fabrication on SCPCFs will be established, and the related theory is studied to solve the foresee of the arts and crafts when the SCPCFs with different structures are directly drawn. And the enhancement mechanism of light field and the rotary non-symmetry of modes are taken into account, and the conventional nonlinear Schr?dinger equation(NLSE) is modified by combining the quantum and boundary effects to establish the exact theory model for analyzing the new nonlinearity phenomenon and mechanism when the short pulses are propagated in the SCPCF. Moreover, the SCPCFs with the optimal structures are fabricated,and the propagation dynamics of short pulses in the SCPCF are experimentally studied to achieve the remarkable depression of geometrical optical nonlinearity on the Raman soliton self-frequency shift effect at the near-infrared wavelengths. Finally, the pump pulses with different powers and working wavelengths are coupled into the core region of SCPCF so as to achieve the effective promotion of geometrical optical nonlinearity on the new frequency spectra generated in the range of the ultraviolet to visible wavelengths, and the wavelength-tunable ultrashort pulse sources are obtained.

随着制备工艺的不断进步和对光电子器件快反应速度、高灵敏度和低功耗等的需求增加，制备和研究亚波长量级(<1μm)芯径的光子晶体光纤(SCPCF)对纳米尺寸光电子器件的研制与集成化具有至关重要的意义。 本课题拟采用纳米领域的新原理和新技术，建立制备SCPCF的动力学模型，表征相关的工艺理论,解决不同结构SCPCF直接拉制工艺的可预知性；考虑SCPCF中光场增强机制和模式的旋转非对称性，结合量子与边界效应，修正传统的非线性薛定谔方程(NLSE)，建立能够准确分析短脉冲在SCPCF中传输时所呈现的非线性新现象和新机理的理论模型；优化设计和制备SCPCF，实验研究短脉冲在SCPCF中的传输动态，实现几何光学非线性对近红外波段拉曼孤子自频移效应的显著抑制；将不同功率和工作波长的泵浦脉冲耦合进SCPCF的芯区中，实现几何光学非线性对紫外至可见光波段产生的新频谱的有效促进，获得波长可调节的超短脉冲源。

制备和研究亚波长芯径的光子晶体光纤(PCF)对纳米尺寸光电子器件的研制与集成化具有至关重要的意义。本项目主要研究亚波长芯径PCF的制备与非线性。我们一方面修正非线性薛定谔方程，初步建立了能够分析短脉冲在其中传输时非线性动态的理论模型；另一方面制备了亚波长芯径的PCF，并利用其进行了非线性实验。也开展了硅基波导非线性、全光模数转换的研究。. PCF非线性：(1)首次基于级联的四波混频(FWM)，在430至472 nm的波长范围内高效地产生了反斯托克斯波。(2)利用内模相位匹配技术，在可见光和近红外波段获得了反斯托克波斯和斯托克斯波，转换效率可达21和16%。(3)基于FWM，首次在中红外波段产生了斯托克斯波，其转换效率和带宽可达26%和33 nm。(4)基于高阶孤子分裂，在中红外波段同时产生了多个稳定的基孤子，可调谐波长范围超过400 nm。(5)利用表面非线性偏振，在近紫外波长产生了二次谐波，输出功率可达520 nW。(6)基于FWM，在可见光和近红外波段产生了可调节的反斯托克斯和斯托克斯波，将其应用于CARS显微谱学。(7)利用掺镱 PCF，基于FWM效应，在可见光范围内高效地产生了可调节的反斯托克斯波。硅波导非线性：(1)首次建立了一种同时考虑时间反转和时延特性的分数阶微环微分器理论模型。(2)提出了基于微环内逆喇曼散射的可调分数阶微分器方案。(3)提出了基于单周期光栅结构的参量波长转换方案，仿真实现了-12.8 dB的转换效率和331 nm的转换带宽。(4)利用硅-有机物混合的水平槽型波导，在C波段实现了增强的调制不稳定性。全光模数转换：(1)首次提出了基于硅纳米晶波导的2-bit全光量化方案。(2)提出了全光两级级联量化方案，在采用8个量化信道的情况下，仿真得到的信噪比和有效量化比特率分别为33.58 dB和5.28-bit。. PCF和硅波导非线性、以及其在全光模数转换的应用研究，将有效地推动可小型化、集成化的光通信和光信息处理器件的进步和发展。随着PCF、硅基光子技术的不断进步，我们的相关研究成果有望为高速全光信号处理技术和超快光子学及其相关领域的研究开辟新的路径。