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基于受激拉曼绝热通道转移技术的光波导间能量耦合研究

基于受激拉曼绝热通道转移技术的光波导间能量耦合研究

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作者：刘锦锋陕西师范大学

学位级别：硕士

波导间的能量耦合是一个非常实用且不断发展的、全新的研究领域,它涉及光学、导波学、量子力学、信息学、集成光学、通信技术学等许多领域。随着激光、纳米、光纤、计算机等技术的发展,波导之间的耦合逐渐从理论走向实验,从实验走向应... 详细信息

波导间的能量耦合是一个非常实用且不断发展的、全新的研究领域,它涉及光学、导波学、量子力学、信息学、集成光学、通信技术学等许多领域。随着激光、纳米、光纤、计算机等技术的发展,波导之间的耦合逐渐从理论走向实验,从实验走向应用。近年来随着量子一光学类比的发展,耦合波导之间的光能量转移和多能级原子系统之间的布居转移的类比得到了大量的研究,特别是受激拉曼绝热通道转移技术的在波导中的应用,使得波导之间的能量转移的效率大大提高,同时也使得波导之间的光能量转移问题成为一个非常热门的课题。波导之间的能量转移是一个宏观的物理现象,而能级之间的布居转移是一个微观的物理现象,因而波导之间的能量转移和多能级原子系统之间的布居转移的类比,直接将的宏观的物理现象与微观的物理现象相联系,为人们通过宏观手段研究微观现象提供的很好的典范。本文不仅从理论上提出了各种波导系统在不同耦合系数下的能量转移情况,而且通过实际的波导设计,模拟出了各种耦合情况下波导中的能量转移,为实际的波导应用提供了很好的理论支持。由于波导间耦合问题与量子力学中的许多物理问题相类似,许多宏观的现象可以通过量子力学给出很好的解释。本文的研究主要分以下三个部分第一部分,类比朗道一齐纳（Landau-Zener）隧穿效应,研究了两个弯曲波导系统满足的波动方程,并利用数值解法得到了两个弯曲波导相互耦合时模式振幅随空间的演化规律;通过对所得结果的分析,得出波导之间的耦合是由于波导折射率的变化所引起;通过对波导在不同耦合系数情况下能量转移的研究,发现波导之间的耦合系数决定了波导之间的能量转移,因而可以通过调节波导的耦合系数来控制能量在波导之间的转移。在分析上,独特地采用了布洛赫矢量法来分析波导之间的能量转移,使得分析结果更加清晰、明了。第二部分,基于三能级系统的布居转移技术一受激拉曼绝热通道,研究了三个波导系统在绝热条件下,光能量在边界波导之间的转移情况。首先,通过设计两个延时的反常耦合系数,实现了能量在三个波导系统的边界波导之间的完全转移,并且在能量转移过程中,中间的波导几乎没有被激发。其次,通过及时的关闭耦合通道,实现了能量在两个边界波导之间的平均分配,在此过程中,中间的波导依然没有能量的滞留。通过延长最末波导和它相邻波导之间的耦合,实现了能量在最初波导中的回流。最后,通过设计一对周期的耦合系数实现了能量在两个边界波导之间的循环转移,即实现了能量在不同波导的不同位置处的转移。在这部分中不仅从理论上分析了不同耦合系数下能量的转移情况,更重要的是通过对三个波导的设计,模拟出了波导间能量转移的实验结果,而且理论和模拟结果吻合的很好;由于在能量的转移过程中,中间的波导没有被激发,从而大大提高了能量转移的效率。第三部分,采用了一种新的解法一拉格朗日解法,得到了阵列波导的基模振幅随空间的演化规律,并在绝热演化条件下得到了基模振幅的解析解。在一对延时耦合系数的调制下,研究了能量从一侧的边界波导全部转移到另一侧边界波导的情况。这种方法虽然可以实现阵列波导中的能量在边界波导之间的完全转移,但是在能量转移的整个过程中,中间的奇数波导中仍然会有少量能量的暂时停留。尽管能量的停留是暂时的、并且是很少量的,但是这些少量的能量会通过辐射产生损失,从而影响能量转移的效率。本文通过设计三个延时的耦合系数来调制阵列波导,不仅实现了能量在边界波导之间的转移,而且在整个过程中,中间的所有波导在任何时刻均没有能量的停留,这样大大提高了能量转移的效率。文章还详细讨论了的波导折射率和介质折射率的差值大小,以及波导的粗细对波导耦合距离的影响;在这部分的最后还研究了周期耦合系数调制下,能量在阵列波导的边界波导中的循环转移。在这部分中,通过对阵列波导间耦合的研究,进行了实际的波导的设计,并模拟出了不同耦合情况下阵列波导间能量的转移,其模拟结果与理论完全吻合,为实际中波导的应用提供了很好的依据。需要强调的是本部分中讨论的阵列波导只限于波导阵列是奇数的情况,并且所有的能量转移是基于阵列波导系统的演化满足绝热限制。

关键词：波导耦合朗道—齐纳隧穿光能量转移布洛赫矢量

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