慢波增強(qiáng)的光纖非線性效應(yīng)及其傳輸性能研究.pdf

1、光纖非線性放大是基于光纖非線性效應(yīng)來放大光信號(hào)的技術(shù)，其中傳統(tǒng)的光纖參量放大器需要比較長(zhǎng)的光纖作增益介質(zhì),而且需要較高的泵浦功率。本論文提出使用慢光驅(qū)動(dòng)（泵浦）增益介質(zhì)——雙周期性超結(jié)構(gòu)光纖,可以大大加強(qiáng)泵浦波和信號(hào)光與增益介質(zhì)的非線性相互作用,從而提高信號(hào)增益,或在相同增益的條件下所需要的泵浦功率降低,或在相同增益和泵浦功率的條件下所需要的增益介質(zhì)長(zhǎng)度縮短，這對(duì)于推動(dòng)大容量光傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)以及集成光子器件的發(fā)展具有重要意義。然而，慢光

2、傳輸往往伴隨著明顯的色散效應(yīng)，作用在傳輸脈沖上使其發(fā)生展寬甚至失真。本文提出利用超結(jié)構(gòu)光纖的非線性特性，使脈沖以慢光孤子的形式在光纖中無色散傳輸，并且能夠通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)或光源功率對(duì)光脈沖的時(shí)延進(jìn)行調(diào)節(jié)，這對(duì)于慢光超短脈沖在未來寬帶長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章為緒論，首先介紹了光纖光放大器（FOPA）的研究發(fā)展和基本原理，重點(diǎn)分析了單泵浦FOPA的參量增益；然后給出了光子晶體的概念、

3、理論基礎(chǔ)和應(yīng)用價(jià)值，為后文的研究?jī)?nèi)容以及創(chuàng)新工作做了理論鋪墊。 第二章的研究對(duì)象為傳統(tǒng)的光纖參量放大器，首先為單泵浦FOPA建立了數(shù)學(xué)模型，并在模型中計(jì)入了拉曼效應(yīng)；然后設(shè)計(jì)了以FOPA為中繼放大器的WDM長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)仿真。在仿真中，通過調(diào)節(jié)光纖跨距以及中繼放大器的個(gè)數(shù)來改變傳播距離，并且采用端對(duì)端均衡來改善系統(tǒng)性能。在保證系統(tǒng)傳輸特性得到滿足的條件下得出傳播距離最長(zhǎng)且傳播特性最佳的光纖跨距長(zhǎng)度，最后對(duì)三種放大器（F

4、OPA、EDFA、FRA）在WDM長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中的性能做了比較。 第三章的研究對(duì)象是在普通光纖的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的雙周期非線性超結(jié)構(gòu)光纖，通過使用平面波展開法和時(shí)域有限差分法對(duì)其非線性特性的表征之一——三次諧波產(chǎn)生過程（THG）進(jìn)行仿真計(jì)算，并將把仿真結(jié)果與均一材料制成的普通光纖進(jìn)行比較。然后在一些基本的假設(shè)條件下探索了超結(jié)構(gòu)光纖中THG過程的數(shù)學(xué)模型并分析對(duì)其產(chǎn)生作用的各種參數(shù)。最后分析了超結(jié)構(gòu)光纖在 THG 過程中的頻率轉(zhuǎn)換效率

5、和THG效率。 第四章首先對(duì)第三章中所設(shè)計(jì)的雙周期非線性超結(jié)構(gòu)光纖的參量放大增益建立了數(shù)學(xué)模型。然后對(duì)其信號(hào)參量增益進(jìn)行了仿真數(shù)值計(jì)算和數(shù)學(xué)模型探索，并與普通光纖和單周期的光子帶隙結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行了比較。最后對(duì)周期光纖的輸入端設(shè)計(jì)了Taper結(jié)構(gòu)，將其與作為增益介質(zhì)的非線性周期性結(jié)構(gòu)耦合起來，以此改善慢光在非線性周期性結(jié)構(gòu)中反射較大的問題。 第五章考慮到制備的可行性，首先對(duì)第三、第四章中所采用的超結(jié)構(gòu)光纖做出了設(shè)計(jì)調(diào)整，提出

6、了新的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，以求在缺陷模上找到群速度足夠小的頻率點(diǎn)。然后對(duì)超結(jié)構(gòu)光纖中傳輸?shù)墓夤伦舆M(jìn)行了時(shí)域仿真，以觀察脈沖時(shí)延和時(shí)寬，并對(duì)非線性系統(tǒng)和線性系統(tǒng)中的脈沖傳輸形態(tài)進(jìn)行比較，從而說明超結(jié)構(gòu)光纖可以支持光孤子在其中無色散傳輸。 第六章對(duì)全文的結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了未來的研究重點(diǎn)。 本論文中的理論分析和仿真結(jié)果均表明：當(dāng)缺陷微腔中的耦合效應(yīng)以及慢光效應(yīng)對(duì)參量增益帶來的正面影響在一定程度上超過波矢失配給增益帶來