二维非线性光子晶体中宽带二阶级联效应的研究

Broadband frequency conversion technique is critical for a variety of applications in all-optical conversion as the development of optical communications, ultra-short pulsed frequency conversion and so on. Nonlinear quadratic effect based on the second-order nonlinear susceptibility provides an effective way in the realization of all-optical conversion. By quasi-phase matching in periodic and quasi-periodic nonlinear photonic crystal, frequency conversion efficiency can be dramatically enhanced except with a limitation in broadband tunablity for multiple frequency conversions. While as the other side, it was showed that random nonlinear photonic crystals presented a large potential for simultaneously multiple frequency conversion with amounts of possession in continuous spectral space, but with pretty lower conversion efficiencies limited for further applications.. In this work, we will demonstrate new spacial modulation schemes of second-order susceptibility in two dimensional nonlinear photonic crystals combining periodic and disordered optimization of nonlinear photonic structures. The dependence of cascading effects on the spacial distribution in nonlinear photonic crystals will be dramatically studied, as an example of detailed study of effectively broadband triplet frequency conversion and optical polarization modulation based on simultaneous frequency up-conversion and down-conversion. By the detailed studies of these two applications, the theoritical model between the effectively broadband cascading effect and the spacial modulation scheme will be established with an effective balance between bandwidth and efficiency. These research results will provide a new way for the designing of broadband optical devices.

随着全光通信、超短脉冲频率变换技术的发展，超宽带可调谐频率变换技术在全光转换方面的应用日益重要。基于材料二阶非线性的级联效应是实现全光转换的一种有效手段。采用周期、准周期非线性光子晶体的准相位匹配技术可以大大提高频率转换的效率, 却很难实现宽带范围内频率变换的连续调谐性；研究表明在无序结构的非线性光子晶体中, 连续的频谱空间分布为宽带范围内多个频率变换提供了可能,然而频率变换过程中极低的转换效率限制了它的进一步应用。.本工作通过引入新的二维非线性光子晶体空间结构分布，即通过对结构分布周期性和无序性的有效结合和优化, 深入研究二维非线性光子晶体空间结构分布对宽带二阶级联效应产生的影响，如宽带级联三倍频效应、基于频率上转换和下转换的基频光偏振开关，建立起宽带有效的级联频率变换与晶体空间结构分布的理论模型，有效地实现频率变换过程中效率与带宽的平衡，为宽带可调谐光子器件的研究提供新的途径。

随着全光通信、超短脉冲频率变换技术的发展，宽带可调谐频率变换技术在全光转换方面的应用日益重要。基于材料二阶非线性的级联效应是实现全光转换的一种有效手段。采用周期、准周期非线性光子晶体准相位匹配技术可大大提高频率转换的效率, 却很难实现频率变换的连续调谐性；无序结构非线性光子晶体可实现宽带频率变换,然而极低的转换效率限制了它的进一步应用。为解决上述问题，本项目主要是通过理论设计在材料中有效地引入二阶非线性极化率的周期性和无序性调制，实现级联频率变化过程中频谱带宽和转换效率的控制。. 首先设计研究了一种二维空间结构调制的非线性光子晶体，在晶体的横向方向（y方向）二阶非线性系数呈周期或准周期分布，该方向可提供周期或准周期分布的倒格矢量频谱空间；在晶体的纵向方向（x方向）二阶非线性系数呈无序性调制，无序程度由平均长度a及色散系数决定，此方向可提供连续的倒格矢量频谱空间。此结构实现了二阶非线性系数周期性和无序性的空间调制，而调谐带宽和转换效率却不能独立控制，而是相互制约。. 随后，我们优化设计了一种短程有序非线性光子晶体结构，它是由一系列长度为L的准周期极化铁电畴结构段（数量为N）和任意长度的单畴结构（数量为N）交替构成。准周期结构参数的选择是由基频光中心波长实现级联过程中的相位匹配条件决定。准周期极化段的长度L决定了此结构中实现级联频率变换的频谱带宽和转换效率。相对于极化段，任意长度的单畴结构仅对谐波场有相位贡献，对场振幅的影响可忽略不计。以级联三次谐波为例，当基频光在此短程有序非线性结构中传播时，理论分析和数值模拟表明：当极化结构段的个数N足够大时，级联三次谐波的强度与N平方成正比，三次谐波的调谐带宽由极化结构段的长度L决定。此结果可理解为：由于无序畴结构的引入，场在多个极化结构段之间的作用变为非相干叠加，此非相干叠加只会影响谐波场传播的强度，而不会影响其频谱调谐宽度。此结论同样适用于级联频率上转换和下转换过程（如全光偏振开光）。自此，我们实现了级联频率转换过程中转换效率和调谐带宽两个参数的独立控制，为宽带可调谐光子器件的研究提供了新的途径。此短程有序结构的设计思想不仅适用于本项目，同时对于如宽带可调谐二次谐波产生、级联四次谐波产生等非线性频率变化过程均适用，即通过改变有序极化结构段的具体排列形式，即可实现不同频率转换过程中调谐带宽和转换效率的独立控制。