片上高质量、高压缩比的光脉冲压缩是实现集成超短脉冲源的理想选择,对非线性光子学和光谱学具有重要的意义。光脉冲压缩技术在许多领域有着重要的应用,包括光通信、非线性光学显微镜、超连续谱及频率梳的产生等。目前已知的几种非线性脉冲压缩方案均存在一定的不足之处。在反常色散区,利用高阶孤子的演化可以在压缩脉冲时不使用光栅对,但是被压缩的脉冲伴随着明显的基座,而且压缩因子不高。在色散渐减光纤中的绝热孤子压缩能够提供高压缩因子,并且没有明显的基座产生,但是所需光纤长度较长,在许多系统中因为紧凑性和成本的要求不希望使用过长的光纤。同绝热孤子压缩比较,自相似脉冲压缩能够在更短的非线性介质中实现无基座、高压缩因子脉冲压缩。之前对自相似脉冲压缩的研究主要集中在光子晶体光纤(Photonic crystal fiber,PCF)和硫族化物波导中对通信波段的脉冲进行压缩,而对中红外波段自相似脉冲压缩的研究很少。本文针对PCF和硫族化物波导中自相似脉冲压缩方案中存在的不足,采用简单的锥形硅波导,研究中红外波段的自相似脉冲压缩,深入研究了自相似脉冲压缩过程中的影响因素。利用压缩后的脉冲产生了高相干、倍频程的超连续谱。本文的主要内容及取得的创新性研究成果如下:1.介绍了硅波导的光学特性和基于非线性光纤光学的几种光脉冲压缩技术,并分析和比较了这些脉冲压缩技术。介绍了超连续谱的研究现状。2.推导了脉冲在非线性介质中传输需要遵守的广义非线性薛定谔方程,给出了广义非线性薛定谔方程的两种常用数值解法。分析了脉冲在非线性介质中传输时非线性和色散效应对脉冲传输的影响。3.设计了一种简单的沿传输方向色散指数渐减的反向锥形硅脊型波导,并将其应用于自相似脉冲压缩,仿真研究了中红外波段理想情况和非理想情况下基阶孤子的自相似脉冲压缩。当考虑高阶色散、高阶非线性、损耗和克尔非线性参量的变化时,中心波长位于2490 nm,1 ps的输入脉冲在5.1 cm波导的传输距离中被成功地压缩到了 57.29 fs,压缩因子为17.46。我们证明了与损耗和变化的非线性参量相比,高阶色散和高阶非线性对脉冲压缩过程的影响更小。我们还研究了在所设计的锥形波导中二阶孤子的脉冲压缩,中心波长位于2490 nm处半高全宽为1 ps的输入脉冲在2.09 cm波导的传输距离中被压缩到了72.58 fs。4.超连续谱的产生是脉冲压缩产生的超短脉冲的重要应用之一。本文中设计了一种简单的直硅波导用于超连续谱的产生,中心波长为2490 nm、峰值功率为100 W、半高全宽为57.29 fs的输入脉冲在2.06 mm长的波导中产生了-40 dB、带宽为1851 nm的高相干、超过1个倍频程的超连续谱。我们还研究了不同因素对超连续谱产生的影响。本文利用硅波导在中红外波段良好的光学特性,仿真研究了基阶孤子的自相似脉冲压缩及其在超连续谱产生中的应用。本文的研究成果有望为获得中红外波段非线性光子学和光谱学的片上超短脉冲源提供有效的解决方案。