二維非線性光子晶體中寬頻二階級聯效應的研究

《二維非線性光子晶體中寬頻二階級聯效應的研究》是依託太原理工大學，由王文杰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：二維非線性光子晶體中寬頻二階級聯效應的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王文杰
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

隨著全光通信、超短脈衝頻率變換技術的發展，超寬頻可調諧頻率變換技術在全光轉換方面的套用日益重要。基於材料二階非線性的級聯效應是實現全光轉換的一種有效手段。採用周期、準周期非線性光子晶體的準相位匹配技術可以大大提高頻率轉換的效率, 卻很難實現寬頻範圍內頻率變換的連續調諧性；研究表明在無序結構的非線性光子晶體中, 連續的頻譜空間分布為寬頻範圍內多個頻率變換提供了可能,然而頻率變換過程中極低的轉換效率限制了它的進一步套用。.本工作通過引入新的二維非線性光子晶體空間結構分布，即通過對結構分布周期性和無序性的有效結合和最佳化, 深入研究二維非線性光子晶體空間結構分布對寬頻二階級聯效應產生的影響，如寬頻級聯三倍頻效應、基於頻率上轉換和下轉換的基頻光偏振開關，建立起寬頻有效的級聯頻率變換與晶體空間結構分布的理論模型，有效地實現頻率變換過程中效率與頻寬的平衡，為寬頻可調諧光子器件的研究提供新的途徑。

結題摘要

隨著全光通信、超短脈衝頻率變換技術的發展，寬頻可調諧頻率變換技術在全光轉換方面的套用日益重要。基於材料二階非線性的級聯效應是實現全光轉換的一種有效手段。採用周期、準周期非線性光子晶體準相位匹配技術可大大提高頻率轉換的效率, 卻很難實現頻率變換的連續調諧性；無序結構非線性光子晶體可實現寬頻頻率變換,然而極低的轉換效率限制了它的進一步套用。為解決上述問題，本項目主要是通過理論設計在材料中有效地引入二階非線性極化率的周期性和無序性調製，實現級聯頻率變化過程中頻譜頻寬和轉換效率的控制。首先設計研究了一種二維空間結構調製的非線性光子晶體，在晶體的橫向方向（y方向）二階非線性係數呈周期或準周期分布，該方向可提供周期或準周期分布的倒格矢量頻譜空間；在晶體的縱向方向（x方向）二階非線性係數呈無序性調製，無序程度由平均長度a及色散係數決定，此方向可提供連續的倒格矢量頻譜空間。此結構實現了二階非線性係數周期性和無序性的空間調製，而調諧頻寬和轉換效率卻不能獨立控制，而是相互制約。隨後，我們最佳化設計了一種短程有序非線性光子晶體結構，它是由一系列長度為L的準周期極化鐵電疇結構段（數量為N）和任意長度的單疇結構（數量為N）交替構成。準周期結構參數的選擇是由基頻光中心波長實現級聯過程中的相位匹配條件決定。準周期極化段的長度L決定了此結構中實現級聯頻率變換的頻譜頻寬和轉換效率。相對於極化段，任意長度的單疇結構僅對諧波場有相位貢獻，對場振幅的影響可忽略不計。以級聯三次諧波為例，當基頻光在此短程有序非線性結構中傳播時，理論分析和數值模擬表明：當極化結構段的個數N足夠大時，級聯三次諧波的強度與N平方成正比，三次諧波的調諧頻寬由極化結構段的長度L決定。此結果可理解為：由於無序疇結構的引入，場在多個極化結構段之間的作用變為非相干疊加，此非相干疊加只會影響諧波場傳播的強度，而不會影響其頻譜調諧寬度。此結論同樣適用於級聯頻率上轉換和下轉換過程（如全光偏振開光）。自此，我們實現了級聯頻率轉換過程中轉換效率和調諧頻寬兩個參數的獨立控制，為寬頻可調諧光子器件的研究提供了新的途徑。此短程有序結構的設計思想不僅適用於本項目，同時對於如寬頻可調諧二次諧波產生、級聯四次諧波產生等非線性頻率變化過程均適用，即通過改變有序極化結構段的具體排列形式，即可實現不同頻率轉換過程中調諧頻寬和轉換效率的獨立控制。