光致折射率势垒下色散波频谱可控机制研究

摘要

面对光纤通信系统向超高速、超大容量、超长距离发展的需求牵引，如何深刻理解超短脉冲在光纤中的非线性传输特性及规律已成为非线性光学的研究热点之一。
　　超短脉冲在传输中，受到群速度色散、高阶色散、自相位调制、交叉相位调制、喇曼自频移、双折射以及增益（损耗）等诸多效应的作用及影响，同时输入脉冲的诸多参数也使得其传输过程更加复杂。其中，超短脉冲在非线性介质中传输时受到高阶色散和非线性效应微扰，而向外辐射能量，即色散波，并且其产生以及调控是众多非线性光学现象的重要产生根源。孤子释放共振色散波的过程本身就是一个线性散射事件，而孤子是一个移动散射体，它产生与激光脉冲相同速度移动的折射率“势垒”。对于散射来说，散射体可以是来自激光脉冲本身（自散射过程）或者另一弱的探测脉冲（感应散射过程）的光。对于自散射过程，孤子与自感应的折射率变化相互作用，依据与介质的色散相关的相位匹配关系，自散射进入新的输出模式。对于互散射情形，强孤子感应的折射率势垒对弱色散波形成类似模拟的“光学视界”，将入射弱色散波散射到新的光学模式。本论文着眼于在光致折射率势垒下，色散波频谱控制方面的研究，并探讨其潜在的应用前景及实现方式，主要工作概括如下:
　　第一，基于波包自感应折射率变化以及与光纤的色散周期调制相关的准动量，研究了多色散波产生的条件以及调制参数对调制不稳定性的影响，获得了影响多边带色散波产生的特性及规律。首先，考虑在两个不同色散区域内光脉冲的传输特性，推导了管理多色散波产生的准相位匹配条件。数值仿真表明，它可准确地预测新生多色散波边带的频率位置。其次，研究了群速度色散的调制参数（平均色散、调制幅度、周期等）对调制不稳定性的影响。在强色散管理情形中，常规调制不稳定性边带将可被抑制，同时周期调制感应的不稳定性边带发生分裂，其物理机制归因于不完美的相位匹配过程。由调制不稳定性产生的亮孤子序列受到色散周期调制微扰后，将释放多色散波边带，而它们的频率位置仍可由单一孤子情形下的相位匹配条件来预测。
　　第二，基于交叉相位调制的互感应效应，通过强孤子脉冲与弱色散波脉冲碰撞实现光学视界区域内光频率的控制，发现弱色散波（探测波）到新的光频率脉冲（闲频波）的转换过程是可逆的。针对弱探测波与亮孤子/暗孤子之间相互作用的两种情形，推导了管理这个可逆性频率转换过程的统一分析公式，得到的相位匹配条件可很好地预测新生闲频波的频率位置，其与孤子与色散波的频率一起可共同决定光学视界区域的范围。此外，光频转换效率与探测波的频率密切有关，且实现完美的转换过程在现实条件下是不可能的。利用连续波的级联四波混频效应证实了这一可逆性频率转换过程，揭示其背后的物理机理是级联布拉格散射。
　　第三，基于光纤光学视界模拟的基本理论，研究了初始彼此远离的两个孤子组成的孤子阱的形成，以捕获入射色散波，并获得了控制碰撞感应色散波的特性及规律。与初始群速度匹配的两个孤子形成孤子型波导结构情形不同，入射色散波将分裂成众多子脉冲，且几乎完全捕获在孤子阱内。但是由于参数变化所致“孤子镜面”的反射作用退化，先前捕获的小脉冲最终将绝大部分逃离孤子阱。频域上，捕获的色散波频谱也发生显著变化，先被窄化，然后展宽开来。另外，入射色散波诱导两孤子碰撞还可能导致新的色散波产生。通过一系列数值仿真，发现调整入射色散波的峰值功率或者时域脉宽是调控两孤子碰撞发生的位置以及孤子阱内新的色散波产生的两种有效手段。该研究为复杂超连续谱产生期间多孤子打结现象提供一种可能解释。
　　第四，基于黑洞或者白洞视界模拟，研究了色散波脉冲接近折射率突变的移动时域边界时，发生类似于空间边界处光束折射和反射的时域等效形式，而并不需要光学非线性的现象。介质的色散曲线对色散波脉冲反射和折射的频移起着决定性作用。当时域边界折射率改变量足够大时，可能对入射色散波形成阻塞视界。利用两个这样有效时域边界，可将光脉冲俘获在有限时域间隔内。在靠近介质的零色散波长时，依据不同的三阶色散符号，时域边界处入射色散波脉冲可能发生时域上的双折射和双反射现象。考虑介质色散曲线的负频率分支，阻塞视界处入射色散波可能共振散射到两个蓝移频率模式，将有机会把超连续谱产生推进到越来越短的波长位置。

目录

声明

摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 光学孤子与共振辐射

1．2．1 光学孤子

1．2．2 共振辐射

1．2．3 负频率共振辐射

1．3 视界的光纤光学模拟

1．3．1 基本简介

1．3．2 研究进展

1．4 本文主要研究内容及基本框架

第2章 光脉冲非线性传输的基本理论与数值方法

2．1 引言

2．2 光脉冲线性传输

2．2．1 光纤模式

2．2．2 色度色散

2．3 光脉冲的非线性传输

2．3．1 克尔效应

2．3．2 自相位调制与交叉相位调制

2．3．3 四波混频和调制不稳定性

2．4 传输方程

2．4．1 非线性薛定谔方程

2．4．2 耦合模方程

2．5 级联四波混频

2．6 传输方程的数值模拟方法

2．6．1 分步傅里叶算法

2．6．2 四阶龙贝格库塔算法

2．7 小结

第3章 基于色散振荡光纤的多色散波边带产生

3．1 引言

3．2 色散振荡光纤的基本特性

3．3 光脉冲泵浦实现多共振色散波边带

3．3．1 反常色散区内泵浦

3．3．2 正常色散区域内泵浦

3．4 连续光泵浦实现多共振辐射

3．4．1 基于震荡色散的调制不稳定性的理论推导

3．4．2 光纤色散调制参数对边带增益谱的影响

3．4．3 由亮孤子序列产生多色散波边带

3．5 小结

第4章 光学视界区域内探测波与闲频波频率的可逆性转换

4．1 引言

4．2 模型和理论分析

4．3 基于孤子——探测波碰撞的可逆性频率转换过程

4．3．1 亮孤子与弱探测波相互作用情形

4．3．2 暗孤子与弱探测波相互作用情形

4．3．3 探测波与闲频波之间频率转换的统计特性

4．3．4 探测波与闲频波之间频率转换效率的讨论

4．4 级联四波混频解释可逆性频率转换过程

4．5 小结

第5章 孤子阱内色散波的俘获和控制

5．1 引言

5．2 理论模型

5．3 结果与讨论

5．3．1 俘获入射色散波的孤子阱形成

5．3．2 孤子阱内操控碰撞色散波的产生

5．4 小结

第6章 光与有效移动色散介质相互作用的阻塞视界

6．1 引言

6．2 有效移动色散介质中脉冲传输的简单模型

6．3 视界处的时域折射和反射

6．4 阻塞视界的形成

6．5 三阶色散对阻塞视界的影响

6．5．1 时域双折射

6．5．2 时域双反射

6．6 阻塞视界中负频率共振色散波的实现

6．7 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间已发表与待发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间参与的科研项目