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新型复合波导结构太赫兹发射器的设计


Design of a novel complex structure GaAs
waveguide THz emitter







学科专业：光电子技术
研 究 生：李睿
指导教师：杨天新 教授







天津大学精仪学院
二零一零年六月
独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的
研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表
或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
作了明确的说明并表示了谢意。


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签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日
摘 要
用中心波长为 1550nm 的超短脉冲光纤激光器作为激励源，以光整流为机理
的产生太赫兹辐射的器件中，太赫兹的转换效率很低，一般只有 10-5~10-4。为了
提高太赫兹辐射的转换效率，我们设计了一种新型的复合波导结构太赫兹发射
器。这个发射器用 1550nm 的光脉冲泵浦产生光整流效应时，可以满足相位匹配
条件。然而，即使满足了相位匹配条件，由于量子效率低，单循环器件中 THz
的转换效率仍然很低。
由此可见泵浦光的能量中只有非常小的部分完成了产生太赫兹的转换，并且
泵浦光的光子损耗和吸收损耗很小，所以我们可以通过循环利用泵浦光的方法来
进一步达到提高转换效率的效果。因为 GaAs 的色散参量较大，泵浦光在通过我
们设计的波导时，由于色散效应，发生了严重的脉冲展宽（100fs 展宽为 143fs）。
因此对泵浦光进行色散补偿成为了对其再利用的关键。
本文选择了半导体激光器对超短脉冲进行色散补偿，并通过 GRIN 棒透镜进
行半导体激光器和波导结构太赫兹发射器之间的耦合。详细来说，本文主要包括
以下几个方面的工作：
1 在色散理论基础上，分析泵浦光在波导结构 THz 发射器发生的色散效应，
以及色散补偿的关键。
2 在详细分析了光整流过程产生 THz 波的波导器件的基础上，给出了色散补
偿的方案，提出了采用半导体激光器补偿通过该器件的光脉冲色散，使得光对
THz 的转换效率进一步提升。并介绍了半导体激光器的色散补偿作用。
3 为了将波导结构 THz 发射器和半导体激光器耦合起来，本文通过对折射率
渐变棒透镜进行了理论分析与比较，选择了横向应用方式的 GRIN 棒透镜将尺寸
差别较大的波导结构和半导体激光器进行匹配耦合的系统，可实现芯层厚度为
145 微米的 THz 波导结构与常规半导体激光器双向耦合。