1、近年來，芯層與絕緣層有較大折射率差的SOI光學(xué)波導(dǎo)作為光電集成的一種理想平臺已引起業(yè)界關(guān)注，并對其理論和實驗的研究也日趨繁榮。和常規(guī)的光纖波導(dǎo)相比，受SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料特性的影響，SOI具有更強的非線性克爾效應(yīng)和受激拉曼散射效應(yīng)等非線性光學(xué)特性和自身材料所決定的雙光子吸收、自由載流子吸收以及自由載流子色散等非線性過程。 本文在結(jié)合光信號在SOI光學(xué)波導(dǎo)中的理論和實驗報道的基礎(chǔ)上，進一步研究了時間持續(xù)僅有皮秒和飛秒量級的超快光脈

2、沖在SOI波導(dǎo)中所經(jīng)歷的各種線性和非線性過程，并利用這些非線性現(xiàn)象所表現(xiàn)的函數(shù)功能探索和設(shè)計了各種應(yīng)用模型。 在歸納分析了SOI對光信號處理的研究進展的基礎(chǔ)上，進一步完善了超快脈沖在脊形硅波導(dǎo)中演變時所滿足的線性和非線性傳輸方程，在此非線性方程中包括波導(dǎo)線性損耗、群速度色散和三階色散等線性效應(yīng)；同時也包含了自相位調(diào)制、簡并雙光子吸收、自由載流子吸收和自由載流子色散等非線性過程；當(dāng)雙光場在波導(dǎo)中傳輸時，脈沖之間的交叉相位調(diào)制、非簡

3、并雙光子吸收和受激拉曼散射效應(yīng)等非線性效應(yīng)也被考慮。針對傳輸方程不能進行解析求解的情況，介紹了經(jīng)典的分步傅立葉方法和四階龍格-庫塔方法對傳輸方程進行數(shù)值計算的具體過程。但在一定條件下，根據(jù)合理的假設(shè)，也得到了解析結(jié)果來觀察超快脈沖在波導(dǎo)中的動態(tài)演變。研究結(jié)果表明，在忽略色散效應(yīng)下，當(dāng)雙光子吸收起支配地位時，皮秒脈沖的時域和頻譜寬度分別被展寬和壓縮；當(dāng)自由載流子吸收增強時，皮秒脈沖后沿的能量將被吸收，在時域和頻譜上分別表現(xiàn)為被壓縮和展寬，

4、而且脈沖的對稱性被破壞；另外，自由載流子色散雖然對脈沖的時域不產(chǎn)生影響，但它將使脈沖的頻譜迅速拓展。當(dāng)脈沖在時間持續(xù)上縮短到飛秒量級時，色散對脈沖的改變將必須考慮，首次發(fā)現(xiàn)了在聯(lián)合色散和各種非線性效應(yīng)下，強脈沖在波導(dǎo)演變過程中將發(fā)生光波分裂現(xiàn)象，當(dāng)入射脈沖確定時，發(fā)生光波分裂后的脈沖特征強烈依賴于色散參量的正負和強弱。 當(dāng)多波長超快脈沖在波導(dǎo)中傳輸時，脈沖之間將發(fā)生交叉相位調(diào)制、交叉非簡并雙光子吸收、受激拉曼散射和四波混頻等非線

5、性過程，在不同的條件下，將具有不同的非線性過程起主導(dǎo)作用。受交叉相位調(diào)制作用的影響，強泵浦脈沖將改變?nèi)跣盘柮}沖的頻譜，在聯(lián)合色散效應(yīng)后，弱信號脈沖在時域上的波形也將發(fā)生顯著改變。應(yīng)用此原理，設(shè)計了信號脈沖壓縮模型和基于馬赫-曾德爾干涉儀的光開關(guān)模型。研究結(jié)果表明，在較大的脈沖走離效應(yīng)下，信號脈沖也能得到有效壓縮，但是受三階色散的影響，壓縮后的脈沖有一定的基座。在開關(guān)模型中，通過改變控制脈沖的能量，可以對開關(guān)窗口進行控制，當(dāng)控制脈沖增加到

6、足夠高的能量時，在開關(guān)窗口得到的輸出脈沖由于干涉將形成超短脈沖序列。應(yīng)用脈沖之間的非簡并雙光子吸收過程，探索出了對受自由載流子吸收作用而形成的自壓縮脈沖進行壓縮整形的新方案，通過調(diào)節(jié)脈沖之間的初始時延和控制脈沖的能量，可以優(yōu)化自壓縮脈沖的質(zhì)量；另外，應(yīng)用此效應(yīng)，也實現(xiàn)了超快脈沖對連續(xù)光場的全光調(diào)制和超快邏輯非門的操作，在光調(diào)制過程中，發(fā)現(xiàn)了色散和初始啁啾都將改變所形成的調(diào)制暗脈沖的調(diào)制深度。在兩脈沖的中心頻率失諧滿足拉曼共振條件時，實現(xiàn)

7、了泵浦脈沖向信號脈沖的能量轉(zhuǎn)移，在信號脈沖獲得足夠高的能量后，將發(fā)生泵浦消耗，增益水平得到抑制，泵浦脈沖也由于走離效應(yīng)和泵浦消耗形成不對稱雙峰結(jié)構(gòu)，應(yīng)用受激拉曼散射過程探索和設(shè)計了超快邏輯與門操作、高速雙向全光波長轉(zhuǎn)換和飛秒脈沖產(chǎn)生的應(yīng)用模型。研究發(fā)現(xiàn)，與門脈沖的質(zhì)量與波導(dǎo)長度和入射能量等密切相關(guān)；控制原始信號波與兩連續(xù)波之間的頻率失諧，實現(xiàn)由單信道到雙信道的雙向波長轉(zhuǎn)換；采用超快暗脈沖與連續(xù)波之間的受激拉曼散射效應(yīng)，得到了脈沖時域?qū)挾?/p>