题目：光信息器件的非线性光传输特性与应用研究

光学及光电子技术的发展带动了一批新型光子器件的产生，而这些新型器件所带来的新的光学性能和功能为光电信息系统技术的发展提供了新的动力。随着设计理论与方法的改进、加工方法与能力的提升，光子器件的集成度日益提高、尺度不断缩小，由此带来了一系列新的物理现象和效应，为研究实现特定信息处理功能的光子器件提供了新的途径。除了传统的衍射、透射等线性光学效应外，针对和频、差频、参量放大等二阶非线性效应和四波混频、双光子吸收（Two-Photon Absorption, TPA）等三阶非线性效应的研究成果也不断涌现，为光通信、光传感等光信息领域的长足进步奠定了基础。

本论文的研究内容从非线性效应在光通信系统中的应用到集成光子器件结构对光学非线性效应的影响再到微纳光子结构的特殊光学效应，从不同侧面和角度对全光再生、TPA和超透射（Extraordinary Optical Transmission, EOT）现象等一些近年来的光子技术的研究热点进行了探索。

随着各类先进调制格式不断的应用于光通信系统中，电域再生渐渐不能满足日益提高的通信速率和带宽。全光再生器件的出现克服了电域再生的不足，使全光通信系统成为现实，成为确保光通信系统传输质量的重要方法。TPA可以提高光谱分辨率，在光电、医药、生物等领域发挥了重要作用，同时在光逻辑门、单光子光源等方向具有良好的研究前景，因此高双光子吸收率的光学器件具有重要的研究价值。EOT现象自上世纪末被发现以来，引起了广泛的关注，针对EOT现象的研究对亚波长光学器件的设计和实现集成光路具有重要的理论指导意义。

本论文首先面向光通信系统中应用全光再生器件的再生效果，在研究了国际最新的几种主要的高速全光信号再生方法的基础上，着重研究了基于相位敏感放大（Phase-Sensitive Amplification, PSA）的（差分）四相制相移键控（(Differential) Quadrature Phase-Shift Keying, (D)QPSK）信号全光再生器件在长距离光通信系统中的应用方法和性能特性。文中详细论述了该再生方法的原理、再生器的架构以及再生器的实现形式，经过分析发现通过在传输链路的特定位置加入全光再生器，能够显著提升传输性能，通过数值仿真验证了单通道40 Gb/s RZ-DQPSK通信系统中使用该再生器进行再生的再生效果。研究结果表明，以BER=10-12为标准，使用该再生器可以使光通信系统的传输距离从1000 km提高至2000 km以上。

随后本论文基于国际上波导结构中增强双光子吸收的已有研究现状，研究了采用介质狭缝波导结构增强TPA及其性能分析。文中详细论述了消除多普勒效应双光子吸收（Doppler-Free TPA）的实现方法、介质狭缝波导的场分布特性以及针对铷原子吸收波长的波导材料选择。本论文通过理论计算得出了介质狭缝波导中入射场与出射场的数值关系，并通过数值仿真，验证了SiC/SiO2狭缝波导中TPA的增强效果。500 μm的SiC/SiO2狭缝波导可以实现由TPA引起的超过4%的功率衰减。

此外，本论文还在周期性金属狭缝阵列结构EOT现象的研究中取得了一定的成果。本论文在对比单一周期金属狭缝阵列结构和双周期金属狭缝阵列结构透射特性的基础上，分析了双周期结构中金属/介质界面上的衍射谐振现象，并提出了基于双周期结构的双波段透射滤波结构。文中通过理论计算和数值仿真详细描述了双周期结构中的电磁场分布和能流方向，证明了双周期结构中的衍射谐振可以使透射峰分裂，并且使分裂后的透射峰实现独立调节。在不影响太赫兹波段透射峰的情况下，在红外波段形成两个独立的透射峰，其透射率分别达到55%和35%。并通过高矮狭缝透射场的叠加实现相邻透射峰之间超过30dB的隔离度。