何静++周伟林

摘 要： 为探究硅基纳米波导中自由载流子吸收效应对皮秒脉冲整形的影响，采用改进的分步傅立叶法和四阶龙格库塔法，分析了脉冲峰值功率、脉冲宽度等参数对波导中自由载流子吸收系数和脉冲波形演变的影响，并对不同峰值功率下脉宽为100ps脉冲的波形演变进行了数值模拟。数值模拟表明，脉冲宽度不变时，峰值功率越大，波导中载流子吸收系数变化越快，脉冲波形演变也越明显； 当脉冲峰值功率为50W时，在短短6mm的传输距离中，脉冲经历了快速展宽和压缩过程，其脉冲宽度最大为，展宽比为44%；最小为，脉冲压缩比达36.1%。

关键词： 皮秒脉冲； 硅基纳米波导； 自由载流子吸收； 脉冲整形

中图分类号：TN929.11 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）03-04-04

Numerical simulation for pico-second pulse shaping in silicon nanometer waveguide

He Jing1， Zhou Weilin1，2

（1. School of Computer and Information Engineering， Hunan Business College， Changsha， Hunan 410205， China；

2. School of Optical and Electronic Information， Huazhong University of Science and Technology）

Abstract： To explore the effect of free carrier absorption （FCA） on pico-second pulse shaping in silicon nanometer waveguide， the combination of improved step-split Fourier and four-order Runge Kutta method is adopted. The influences of peak power and width of pulse upon the FCA and pulse waveform evolution are analyzed， and the pulse waveform evolution of 100Ps pulse with different peak powers is simulated numerically. The numerical simulations show that， when the pulse width unchanged， the more the peak power is， the more quickly the FCA coefficient changes， and the more strongly the pulse evolutes. When the pulse peak power is 50W， in a 6mm short transmission distance， pulse has experienced rapid broadening and compression process. The maximum pulse broadening and compression are found to be 1.44T0p and 0.6392T0p， the corresponding broadening and compression rates are 44% and 36.1% respectively.

Key words： pico-second pulse； silicon nanometer waveguide； FCA； pulse shaping

0 引言

硅基纳米波导中的双光子吸收和自由载流子吸收效应均具有非常强的瞬态特性，同时，由于双光子吸收和自由载流子吸收的相对时延特性，从而引起了传输脉冲光功率和形状的改变 [1-3]，使得它们在皮秒脉冲整形上具有独到的应用。然而，探求硅基纳米波导中的自由载流子密度的定量变化情况异常复杂，需要对非线性传输方程和速率方程进行联合求解。本文采用改进的分步傅立叶法和四阶龙格库塔法对硅基纳米波导中皮秒脉冲传输所满足的非线性传输方程及速率方程进行联合数值求解。数值模拟了硅基纳米波导中皮秒脉冲传输的脉冲整形过程，分析了脉冲功率、脉冲宽度等参数对脉冲整形的影响。……