与传统的分立光电光处理技术相比,光子集成芯片降低了网络成本和复杂性,被认为是满足未来通信网络发展需求的最有前途的技术。SOI(Silicon-on-insulator)作为一种新型的硅基光电子材料,它与现有硅基大规模集成电路工艺完全兼容,从而成为硅光子学的重点研究内容。其中,硅线波导作为光子集成芯片的重要元件之一,其亚微米尺寸结构对光场有较强的限制能力,能够实现非线性光子信息处理功能。本论文依托国家973项目“超快非线性光控光机理及全光2R/3R再生集成芯片研究”,开展硅线波导中四波混频效应的理论研究,主要工作内容如下:1.采用四阶龙格-库塔法计算了硅线波导中导波光的四波混频耦合模方程,分析了单模传输条件下硅线波导结构的色散特性和光吸收损耗(线性传输损耗、双光子吸收、载流子吸收)对简并四波混频闲频光功率的影响,它们分别与总相位失配因子的线性和非线性项相关。计算表明,增加硅线波导宽度或减小高度会使色散曲线下移;对于传输损耗较大的硅线波导,增加泵浦功率或减小波导长度有利于获得优化的输出闲频光功率;双光子吸收和自由载流子吸收效应会导致泵浦光功率衰减,从而改变非线性相位失配因子大小和四波混频效率。综合考虑上述因素,选择硅线波导的宽高尺寸分别为500 nm和250 nm,并采用FDTD方法进行了仿真验证,其模式分布和色散曲线与数值计算结果一致。2.计算了矩形截面硅线波导中数据泵浦四波混频的功率转移函数(PTF)的特性,分析了它的饱和点、传号(Mark)阈值点、空号(Space)阈值点等特性。计算表明,对于本文的参数取值情形(硅线波导长度1.2~2.0 cm、辅助光波长1500~1580 nm、线性传输损耗0.5~4 dB/cm),基于硅线波导结构的2R再生器可提供约4.5 dB的消光比提升效果,其中有效载流子寿命应大于2.5 ns。3.研究了硅线波导中非简并四波混频参量放大过程的相敏特性。根据输入-输出相位转移曲线,定义了能够定量评价相位压缩性能的参数,包括输入-输出相位抖动容限和相位压缩效率,可用于分析传号,空号等多个相位状态的压缩性能。讨论了泵浦光功率、信号光-闲频光功率比、信号光波长、波导长度和损耗等参数对相位压缩性能的影响。计算表明,当泵浦光功率为700 mw、信号光-闲频光功率比为6 dB时,可得到优化的相位再生效果,可为下一步开展相关实验研究提供理论指导。