光子晶体光纤中非线性参量过程增益特性的研究

论文摘要

光子晶体光纤(PCF)自从1996年问世,至今已经有十多年的历史,和普通光纤相比,它具有一系列明显的优势。PCF的零色散点可以向短波方向调节,而普通色散位移光纤只能向长波方向调节,这一特点使得它可以很方便的应用于钛宝石激光器的工作波段;除此以外,因为光子晶体光纤的包层和纤芯具有统一的材料,这使得它可以被设计成近似无限单模特性,而普通光纤的单模范围却要小得多;另外,光子晶体光纤可以设计成非常小的纤芯面积,所以它的非线性系数要比普通光纤要高出一个数量级。在量子通信领域,光子纠缠特性的研究也已经成为热点。以前人们都是采用晶体作为增益介质,由于光纤耦合损耗小,增益距离长等优势,现在已经引起了人们的广泛关注。将光子晶体光纤用来产生纠缠光子对,这是近年来兴起的新的科研方向,并且已经在实验室取得了显著的成果。纠缠的光子对来自光纤中三阶非线性引起的参量过程,因此研究PCF中的参量过程及其与各种控制参数的关系是十分必要的。本文的主要工作是:一、推导了简化的非单色光四波混频增益表达式,通过对反常色散区和零色散点附近的四波混频增益曲线进行分析。说明了窄带宽的脉冲具有较好的增益对称性,所以在实验中应该优化选择脉冲带宽。并且我们将不同泵浦波长情况下得到增益的实验结果和理论计算值比较,发现二者具有较好的一致性。二、讨论了拉曼散射对四波混频的影响,得到了四波混频增益和拉曼散射的比值(信噪比)与光子晶体光纤的色散斜率、有效纤芯面积、零色散波长以及泵浦光中心波长的关系曲线,分析了它们的变化规律,提出了有利于高效产生纠缠光子对的参数组合。三、推导了四波混频的频谱函数以及相位匹配函数,通过分析光纤的零色散斜率和非线性系数以及泵浦光波长对二者的影响,找到了相位匹配的最佳位置,并且总结了二者随不同参数的变化趋势,为纠缠实验提供了理论依据。四、基于多极化方法的多极子软件分析了光子晶体光纤的结构参数对高阶色散系数的影响,并且研究了不同的高阶色散系数如何影响四波混频的增益曲线。在上述研究的基础上设计了一种光子晶体光纤,该光纤可以避免拉曼散射的影响,同时可以实现较大范围的调谐。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体光纤的特性
• 1.1.1 光子晶体光纤概况
• 1.1.2 光子晶体光纤的分类和导光原理
• 1.1.3 光子晶体光纤的特性
• 1.2 光子晶体光纤的应用
• 1.2.1 利用光子晶体光纤产生多信道超短脉冲源
• 1.2.2 超连续谱的产生
• 1.2.3 基于光子晶体光纤的参量放大器 （OPA）
• 1.2.4 光子晶体光纤振荡器与放大器
• 1.2.5 光子晶体光纤光子纠缠源
• 1.3 本论文的主要工作和创新点
• 第二章 光子晶体光纤中四波混频增益特性的研究
• 2.1 光纤中的四波混频原理
• 2.2 非单色光泵浦的四波混频增益特性
• 2.2.1 反常色散区的增益特性
• 2.2.2 零色散点附近的增益特性
• 2.3 四波混频效应的实验研究
• 2.3.1 实验结果的分析
• 2.3.2 光子晶体光纤中的级联四波混频现象
• 2.4 小结
• 第三章 光子晶体光纤中四波混频与拉曼散射信噪比特征的研究
• 3.1 拉曼散射增益特征
• 3.2 四波混频与拉曼散射增益曲线和信噪比
• 3.3 信噪比与各种控制参数的变化关系
• 3.3.1 改变光子晶体光纤的色散斜率
• 3.3.2 改变光子晶体光纤的有效纤芯面积
• 3.3.3 改变光子晶体光纤的零色散波长
• 3.3.4 改变泵浦光的波长
• 3.4 小结
• 第四章 800nm 波段纠缠光子对频谱特性的研究
• 4.1 频谱函数的推导
• 4.2 光子晶体光纤参数对于联合频谱函数的影响
• 4.2.1 光纤的零色散斜率对联合频谱函数的影响
• 4.2.2 光纤的非线性系数对联合频谱函数的影响
• 4.3 泵浦光参数对于联合频谱函数的影响
• 4.4 小结
• 第五章 光子晶体光纤中高阶色散效应对四波混频增益的影响
• 5.1 光子晶体光纤结构参数对高阶色散系数的影响
• 5.2 高阶色散系数对四波混频增益的影响
• 5.3 宽调谐范围光子晶体光纤的设计
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢