光子晶体光纤中色散斜率对孤子谱隧穿的影响研究

摘要

超连续谱产生是在非线性介质里传输的超短脉冲受到介质色散效应和丰富的非线性现象的共同影响，脉冲频谱展宽的物理现象。近年来，随着光子晶体光纤的发明，超连续谱的研究出现了全新的机遇。利用光子晶体光纤结构的可控性，我们能得到多个零色散波长的光纤，从而在超连续谱生成过程中产生孤子谱隧穿(SST)效应。当光谱域的飞秒孤子受到不均匀的群速度色散(GVD)，会发生隧穿这种物理现象。SST效应可以理解为，当存在一个色散势垒，也就是光纤中两个反常GVD区域的中间夹有一个正常GVD区域时，并且满足孤子相位匹配条件时，处于短波长反常GVD区域的光孤子以色散波的形态穿过中间的正常GVD区域(即势垒区域)，到达长波长反常GVD区域而形成一个新的孤子态。本论文在广义非线性薛定谔方程的基础之上，数值研究了三个零色散波长的光子晶体光纤中色散斜率对SST效应的产生和演变的影响，其主要成果包括：　　(1)分析光子晶体光纤中孤子谱隧穿效应的产生条件和具体过程。首先对麦克斯韦方程组进行推导，得到光脉冲信号在光纤中传输的基本方程，即广义非线性薛定谔方程，然后对该方程采用分步傅里叶算法求解，同时介绍了一种用于研究光脉冲时频特性的交叉相关频率分辨光学开关技术。通过建立数值模型仿真分析了孤子和色散波的传输特性以及它们之间复杂的相互作用，同时详细分析了SST效应的产生条件和具体过程。　　(2)研究色散斜率影响孤子谱隧穿效应的产生特性和规律。通过在一组具有不同色散斜率大小的三零色散波长光子晶体光纤中泵浦飞秒脉冲，从时域和频域的角度比较SST效应的变化过程，分析了SST效应产生过程中各频谱分量的能量变化情况。较大的色散斜率不利于孤子隧穿，会出现泄露色散波，其短暂存储能量的特性将有可能应用于通信安全领域;而适当减小色散斜率能促进孤子谱隧穿，有利于获得更宽的超连续谱。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 光子晶体光纤概述

1.2.1 光子晶体光纤的特性

1.2.2 光子晶体光纤的分类及导光原理

1.3 课题研究背景

1.3.1 孤子及色散波的国内外研究进展

1.3.2 超连续谱的国内外研究进展

1.3.3 孤子谱隧穿效应的研究进展及应用价值

1.4 本论文的内容及框架

第 2 章 光子晶体光纤中光传输的数值模型及理论基础

2.1 引言

2.2 光脉冲在光纤中传输的理论模型

2.2.1 广义非线性薛定谔方程

2.2.2 对称分步傅里叶算法求解广义非线性薛定谔方程

2.2.3 交叉相关频率分辨光学开关技术

2.3 非线性效应对超连续产生的影响和作用

2.3.1 色散效应产生的脉冲展宽以及三阶色散的作用

2.3.2 自相位调制

2.3.3 交叉相位调制

2.3.4 受激喇曼散射

2.3.5 四波混频

2.3.6 自变陡

2.4 本章小结

第 3 章 光子晶体光纤中孤子谱隧穿效应的研究

3.1 引言

3.2光孤子及色散波

3.2.1 理想状态下高阶孤子的传输特性

3.2.2 高阶孤子分裂及色散波产生

3.2.3 色散波相位匹配条件及其与孤子间相互作用

3.3 孤子谱隧穿效应的产生和特点

3.3.1 孤子谱隧穿效应产生条件

3.3.2 孤子隧穿具体过程

3.4 本章小结

第 4 章 色散斜率影响孤子谱隧穿效应产生特性的研究

4.1 引言

4.2 数值研究模型

4.3 色散斜率对孤子及色散波之间的影响

4.4 不同色散斜率对孤子谱隧穿效应的影响

4.4.1 色散斜率对孤子谱隧穿效应中各光谱分量变化的影响

4.4.2 色散斜率对 B-DW 和隧穿孤子的能量转化率的影响

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读硕士学位期间已发表的论文