光子晶体光纤中受激布里渊散射与四波混频技术研究

论文摘要

近年来,光子晶体光纤（PCF）技术取得很大的进展。PCF设计灵活,具有无休止单模特性、奇异的色散特性和高非线性的特点,通过合理的设计,PCF的非线性比普通单模光纤的非线性高一到两个数量级。因此,人们对PCF中的非线性进行了大量的研究。受激布里渊散射（SBS）是光纤中重要的非线性效应,它具有阈值低、易发生的特点,使得SBS在光通信系统中既有积极的作用,又有消极的作用。SBS可用做光纤布里渊激光器和放大器,这是其积极的方面。相反,对于光纤中其它的非线性效应,如四波混频（FWM）,SBS的发生会减弱FWM的效率,这时需要考虑抑制SBS。本论文从利用SBS和抑制SBS两个角度,分别研究了PCF中的SBS和FWM。论文首先分析了以PCF为增益介质的光纤布拉格光栅F-P（Fabry-Perot）腔中稳态SBS的模型。在考虑PCF损耗的条件下,具体研究了光纤布拉格光栅F-P腔的透射功率、反射功率与输入泵浦波功率的关系;仿真了光纤布拉格光栅F-P腔中的泵浦波和斯托克斯波的功率分布;模拟计算了PCF长度对光纤布拉格光栅F-P腔中SBS阈值的影响。在上述理论研究的基础上,提出了一种新型的以PCF为增益介质的基于光纤布拉格光栅F-P腔的双频布里渊激光器,利用25 m长的高非线性PCF和两个光纤布拉格光栅构成F-P腔,作为布里渊激光器的谐振腔,这种腔结构有益于提高布里渊激光器的转换效率,降低布里渊激光器的阈值。论文研究的布里渊激光器的阈值为35 mW,当输入泵浦波功率为130 mW时,激光器的转换效率为18%。与已报道的PCF布里渊激光器相比,论文利用最短的PCF实现了最低阈值的PCF双频布里渊激光器。在光通信系统中,信号需要通过微波调制到光信号上进行传输,所以微波信号的产生非常重要。论文提出了一种新型的基于PCF双频布里渊激光器的微波发生器,通过选择具有一定反射谱的光纤布拉格光栅,可以使PCF布里渊激光器仅产生一阶斯托克斯波,抑制高阶斯托克斯波的产生,泵浦波和一阶斯托克斯波的频率差落在微波的频率范围内,可以通过泵浦波和一阶斯托克斯波混频得到微波信号。当输入泵浦波功率为57 mW、泵浦波波长在1550 nm附近时,得到了带宽为3 MHz、频率为9.78 GHz的微波信号。与已报道的基于PCF布里渊激光器的微波信号发生器相比,本论文在更低的泵浦波功率下产生了微波信号。在用光纤链路传输微波的系统中,微波信号需要调制到光载波上,然后通过光纤进行传输,这需要解决光载波抑制的问题。论文在理论研究光纤环中SBS模型的基础上,设计了一种新型的基于PCF中SBS的光载波滤波器。滤波器由两个环行器和一段PCF组成的光纤环构成,这种光纤环结构有效地降低了PCF中SBS的阈值,PCF的高非线性可以减小光纤环中的光纤长度。滤波器利用25 m长的高非线性PCF作为布里渊增益介质,当输入光载波功率为70 mW时,微波光子信号获得了3.38 dB的射频增益,有效地减少了滤波后的微波光子信号的光载波功率,实现滤波器中心波长和光载波波长的自动匹配。光通信系统中相位调制信号研究的发展,要求合适的波长转换技术作为支撑,FWM由于对光纤中克尔非线性效应的迅速反应而满足全光系统中波长转换的要求。在色散平坦的PCF中,FWM的相位匹配条件更容易得到满足,有益于提高FWM的波长转换带宽。因此,论文提出了一种基于高非线性色散平坦PCF中FWM的波长转换器。PCF中出现SBS会降低FWM的效率,论文在研究SBS的基础上,通过选取合适的泵浦源抑制了PCF中的SBS,实现了100 nm的波长转换带宽,接近利用PCF中FWM实现波长转换的最大带宽。实验证明,这种波长转换器可以同时完成多路信号的波长转换。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英汉缩略语表
• 符号表
• 图表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 光子晶体光纤
• 1.1.1 光子晶体光纤的导光机制
• 1.1.2 光子晶体光纤的制备
• 1.2 光子晶体光纤中非线性效应的应用研究进展
• 1.2.1 光子晶体光纤中的自相位调制
• 1.2.2 光子晶体光纤中的交叉相位调制
• 1.2.3 光子晶体光纤中的四波混频
• 1.2.4 光子晶体光纤中的受激拉曼散射
• 1.2.5 光子晶体光纤中的受激布里渊散射
• 1.3 论文主要内容和章节安排
• 1.3.1 论文主要内容
• 1.3.2 取得成果
• 1.3.3 章节安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 光纤中的三阶非线性效应
• 2.1 非线性光学的物理基础
• 2.2 光脉冲在光纤中的传输
• 2.2.1 光纤中光脉冲传输的基本方程
• 2.2.2 包含受激非弹性散射的光脉冲传输方程
• 2.3 光纤中的相位调制
• 2.3.1 光纤中的自相位调制
• 2.3.2 光纤中的交叉相位调制
• 2.4 光纤中的四波混频
• 2.5 光纤中的受激拉曼散射
• 2.6 光纤中的受激布里渊散射
• 2.6.1 受激布里渊散射的物理过程
• 2.6.2 布里渊增益系数
• 2.6.3 光纤中受激布里渊散射的耦合方程
• 2.6.4 光纤中SBS增益特性的分析计算
• 2.6.5 光纤中的布里渊阈值
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于光纤布拉格光栅F-P腔的PCF双频布里渊激光器
• 3.1 光纤布拉格光栅F-P腔内受激布里渊散射理论模型建立
• 3.2 数值计算和讨论
• 3.2.1 光纤布拉格光栅F-P腔的反射功率和透射功率
• 3.2.2 光纤布拉格光栅F-P腔内泵浦波和一阶斯托克斯波的功率分布
• 3.2.3 F-P腔内PCF的SBS阈值与PCF长度的关系
• 3.3 基于光纤布拉格光栅F-P腔的PCF双频布里渊激光器
• 3.3.1 PCF双频布里渊激光器的实验装置与理论转换效率
• 3.3.2 PCF双频布里渊激光器的输出功率与实验转换效率
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于PCF双频布里渊激光器的微波发生器
• 4.1 全光微波信号的产生
• 4.2 基于PCF双频布里渊激光器的微波发生器
• 4.2.1 PCF双频布里渊激光器应用于产生微波信号的原理
• 4.2.2 影响微波信号功率的因素
• 4.2.3 9.78 GHz微波信号的产生
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于光子晶体光纤中受激布里渊散射的光载波抑制
• 5.1 光纤链路传输微波信号系统中的微波信号调制原理
• 5.2 光纤环滤波的原理与分析
• 5.3 光载波滤波器的实验研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 色散平坦光子晶体光纤中四波混频的研究
• 6.1 影响四波混频效率的因素
• 6.2 基于光子晶体光纤中四波混频的波长转换
• 6.2.1 单信号输入的波长转换
• 6.2.2 两路信号输入的波长转换
• 6.3 飞秒脉冲在光子晶体光纤中的四波混频实验研究
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 个人简历