基于高非線性光纖的多級(jí)四波混頻效應(yīng)及其應(yīng)用研究.pdf

1、四波混頻(FWM)是光纖中最重要的非線性效應(yīng)之一，利用它可以產(chǎn)生很多新的頻率分量。因此，它在光通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，比如光參量放大，透明的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，光量子信息處理，光時(shí)分復(fù)用(OTDM)，全光抽樣器，全光限幅器等。我們針對(duì)高非線性光纖(HNLF)中的自相位調(diào)制(SPM)、交叉相位調(diào)制(XPM)以及FWM效應(yīng)做了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并將這些效應(yīng)應(yīng)用于新型濾波器設(shè)計(jì)、2R再生以及全光超寬帶(UWB)產(chǎn)生和傳輸?shù)?。最重要的是，我們還發(fā)

2、現(xiàn)了HNLF中的“相位鉗位”效應(yīng)，利用它實(shí)現(xiàn)了非相關(guān)光波的相位鎖定。全文內(nèi)容如下：
　　 (1)研究了基于多級(jí)四波混頻(MFWM)耦合波方程的基本物理機(jī)制。從基本的簡(jiǎn)并和非簡(jiǎn)并FWM的耦合波方程出發(fā)，研究了耦合波方程的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了MFWM耦合波方程的物理機(jī)制。其次，推導(dǎo)出了非等距、多抽運(yùn)情形下的線性相位匹配因子的計(jì)算公式。
　　 (2)研究了MWFM的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。利用耦合波方程分析了MFWM的模式競(jìng)爭(zhēng)

3、機(jī)制，在實(shí)驗(yàn)上證明了模式數(shù)和輸入光波功率的關(guān)系，并且總結(jié)了MFWM過程中各光波之間的能流規(guī)律。其次，討論了當(dāng)輸入功率相等或者近似相等時(shí)，MFWM中模式C的空間穩(wěn)定性。通過引入哈密頓量(Hamiltonian)和曼麗-羅(Manley-Rowe)關(guān)系，導(dǎo)出了描述光波之間能量流動(dòng)大小的相平面。通過分析相平面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，奇點(diǎn)類型和奇點(diǎn)的存在條件，研究了輸入光波和邊帶光波之間的能量流動(dòng)大小。最后，通過研究哈密頓(Hamilton)系統(tǒng)中的勢(shì)能和

4、動(dòng)能，進(jìn)一步分析了Hamilton系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 (3)研究了基于HNLF的2R再生效應(yīng)。利用耦合波方程研究了衛(wèi)星光的靜態(tài)特性，導(dǎo)出了描述衛(wèi)星光在光纖中演化的解析表達(dá)式。其次，模擬了描述衛(wèi)星光和信號(hào)光功率關(guān)系的特征曲線，它符合2R再生器的傳輸函數(shù)曲線特點(diǎn)，通過優(yōu)化輸入光波長(zhǎng)和功率以及光纖長(zhǎng)度，得到了理想的2R再生傳輸函數(shù)曲線。最后，研究了2R再生器的動(dòng)態(tài)特性，成功地實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星光的再整形和再放大，不僅抑制了衛(wèi)星光的基座和頂

5、部的自發(fā)輻射(ASE)噪聲，而且還提高了品質(zhì)因子(Q值)和消光比(ER)。
　　 (4)研究了基于HNLF的新型陷波濾波器。通過耦合波方程，在設(shè)定不同的參數(shù)時(shí)，得到了不同性能的陷波濾波器光譜圖。通過優(yōu)化某些參數(shù)來提高陷波濾波器的濾波能力。在實(shí)際應(yīng)用中，只需將泵浦光和信號(hào)光波長(zhǎng)間隔調(diào)小，并調(diào)節(jié)泵浦光功率的大小，以實(shí)現(xiàn)最佳的相位匹配條件，從而達(dá)到濾除某個(gè)特定光波的目的。
　　 (5)研究了基于HNLF的相位鎖定效應(yīng)。本章

6、首先引入了相位鉗位效應(yīng)概念，通過它實(shí)現(xiàn)了非相關(guān)光波之間的相位鎖定。在理論上，從耦合波方程導(dǎo)出了輸出光波相位的解析表達(dá)式，并且在忽略FWM項(xiàng)時(shí)，使得任意兩個(gè)光波之間的相位差恒定。其次，拓展了拍頻理論，導(dǎo)出了N束光波之間拍頻時(shí)的自相關(guān)跡函數(shù)和功率譜密度(PSD)函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)上，利用兩個(gè)方案，分別驗(yàn)證了兩個(gè)和三個(gè)非相關(guān)光波之間的相位鎖定現(xiàn)象，并且從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了拍頻信號(hào)的穩(wěn)定性與輸入光功率和偏振態(tài)之間的關(guān)系。
　　 (6)研究了

7、基于光纖光參量放大器(FOPA)結(jié)構(gòu)的UWB信號(hào)的產(chǎn)生。利用基于HNLF的光參量衰減效應(yīng)和增益過飽和效應(yīng)，設(shè)計(jì)出三種實(shí)現(xiàn)UWB信號(hào)產(chǎn)生的方案。其中第一個(gè)方案是利用單抽運(yùn)FOPA模型，實(shí)現(xiàn)了單通道的UWB信號(hào)的產(chǎn)生。第二個(gè)方案是利用兩段HNLF而組成的基于單抽運(yùn)FOPA的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了六通道極性反轉(zhuǎn)的UWB信號(hào)的產(chǎn)生。第三個(gè)方案是利用雙抽運(yùn)的FOPA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙通道的UWB信號(hào)產(chǎn)生。
　　 (7)研究了UWB-over-fib