（光学专业论文）光子晶体光纤中spm和xpm的两种应用研究.pdf

北京邮电大学硕十学位论文 光子晶体光纤中s p n 和x p m 的两种应用研究 摘要 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，p c f ) 由于具有结构可 控的灵活性和新颖的传输特性而成为近年来国内外研究的热点。光子 晶体光纤具有极强的非线性特性，它在超连续谱产生及参量放大器、 光纤激光器、光纤光栅、光开关等光纤器件制作方面有非常广泛的应 用前景，并且有可能对非线性光纤光学的发展起更加重要的推动作 用。因此，对于光子晶体光纤中的各种非线性效应自相位调制 ( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、四波混频效应、受激拉曼散射和受激布 里渊散射等的理论研究和实验分析便具有相当重要的意义，可为基于 非线性效应的光纤器件的研制提供理论基础。 本论文主要内容如下： 1 ) 本论文在国内外现有成果的基础上，对光子晶体光纤中的s p m 和x p m 效应及其应用进行了研究。介绍了光子晶体光纤的非线性特性 及其应用研究背景，说明了本论文研究的重要意义。 2 ) 利用光子晶体光纤的自相位调制和交叉相位调制效应实现孤子 自俘获，并基于分步傅里叶方法，利用m a t i a b 仿真分析了在光子晶 体光纤的反常色散区，光子晶体光纤的特性参数如群速度失配因子、 三阶色散、自陡峭因子和脉冲内拉曼散射因子对孤子自俘获效应的影 响。这对于研究设计一种新型微结构光纤用于产生优良的孤子自俘获 效应具有重大意义，基于此效应可以实现高速的全光开关。 3 ) 基于双折射光子晶体光纤的脉冲俘获现象实现全光开关，通过 改变信号脉冲串之间的时间间隔控制全光开关的阈值功率，可以达到 th z ；基于光子晶体光纤构成非线性光纤环镜，利用光子晶体光纤中 的自相位调制效应，不加入控制脉冲实现光开关。研究表明高非线性 光子晶体光纤的非线性系数越大、长度l 越长，开关的性能也就越 好，并且该光开关具有降低噪声和脉冲整形的功能；基于高非线性光 子晶体光纤构成非线性光纤环镜，使用平行排列的3 3 光纤耦合器， 利用光子晶体光纤中的交叉相位调制效应使反向传输的两路信号光 产生非线性相移，从而实现了双端口输出光开关。此光开关可用于实 现开关信号检测、时钟提取和信号处理等功能，是实现双环全光缓存 北京邮电人学硕上学位论文 器的基础。 关键词：光子晶体光纤、s p m 、x p m 、光开关、孤子自俘获、非线性 北京邮电大学硕上学位论文 i n v e s t i g a t i o no nt w da p p l i c a t i o n so fs e l fp h a s e m o d u l a t l 0 na n dc r o s s p h a s em o d u l a t i o ni np h o t o n i c c r y s t a lf i b e r s a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) b e c o m e sr e s e a r c h h o t s p o tb e c a u s eo f i t s f l e x i b i l i t y o ft h ec o n t r o l l a b l es t r u c t u r ea n dn o v e lt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c sr e c e n t l y p c fh a sh i g h l yn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c h h a sv e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ep r o d u c t i o no ff i b e r - o p t i c d e v i c e ss u c ha ss u p c r c o n t i n u u mg e n e r a t i o n 、p a r a m e t r i ca m p l i f i e r 、f i b e r l a s e r 、f i b e rb r a g gg r a t i n g 、o p t i c a ls w i t c h i n ga n ds oo n ，a n di tm a y b e p l a y m o r ei m p o r t a n tp a r ti nt h ed e v e l o p m e n to fn o n l i n e a rf i b e ro p t i c s s ot h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fs e l fp h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) ，c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) ，f o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) ， s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n ga n ds t i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n gh a v e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ，i tc a l lp r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt 1 1 e d e v e l o p m e n to ff i b e r - o p t i cd e v i c e sb a s e do nn o n l i n e a re f f e c t ， t h e p a p e rm a i n l yi n v o l v e st h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 ) b a s e do nh o m ea n da b r o a dr e s e a r c hr e s u l t s s p ma n d mo f p c fa r er e s e a r c h e d t h ep c fn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n di t sa p p l i c a t i o n r e s e a r c hb a c k g r o u n da r ei n t r o d u c e d ，t h e s i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e ri s e x p l a i n e d 2 ) s o l i t o ns e l f - t r a p p i n gi sr e a l i z e du s i n gt h es p ma n dx p mo fp c f , a n dt h ei n f l u e n c eo fp c fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c ha sg r o u pv e l o c i t y m i s m a t c hf a c t o r , t h i r d - o r d e rd i s p e r s i o n ，t h es t e 印f a c t o ra n dp u l s ew i t h i n t h er a m a ns c a t t e r i n gf a c t o ro ns o l i t o ns e l f - t r a p p i n gi sr e s e a r c h e du s i n g m a t l a bb a s e do ns p l i t s t e pf o u r i e rm e t h o di nt h ea n o m a l o u sd i s p e r s i o n r e g i m eo fp c et h i sr e s e a r c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c ha n d d e s i g nan e wt y p eo fm i c r o s t r u c t u r ef i b e ru s e dt op r o d u c ea ne x c e l l e n t e f f e c to fs o l i t o ns e l f - t r a p p i n g ，w h i c hc a nb eu s e dt or e a l i z eh i g hs p e e d 北京邮电大学硕士学位论文 a l l - o p t i c a ls w i t c h i n g 3 ) a l l o p t i c a ls w i t c h i n gi sr e a l i z e db a s e do ns o l i t o nt r a p p i n go f b i r e f r i n g e n tp c fa n d i t st h r e s h o l d p o w e rc a nr e a c ht h zt h r o u g h c h a n g i n gt h et i m el a gb e t w e e ns i g n a lp u l s e s o p t i c a ls w i t c h i n gi sr e a l i z e d b ys p mo fp c fw i t h o u tc o n t r o lp u l s ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss w i t c h w h i c hh a sl o w e rn o i s ea n dp u l s es h a p i n gf u n c t i o nb e c o m e sb e r e ra s n o n l i n e a rc o e f f i c i e n t “o fp c f b i g g e ra n dp c fl e n g t hl o n g e r d u a l p o r t o u t p u to fo p t i c a ls w i t c h i n gi sa c h i e v e du s i n gp a r a l l e la r r a yo f3 3 o p t i c a lf i b e rc o u p l e ra n dx p m o fp c fb a s e do nn o n l i n e a ro p t i c a ll o o p m i r r o r t h i ss w i t c hc a nb eu s e di nr e a l i z i n gs w i t c h i n gs i g n a ld e t e c t i o n ， c l o c ke x t r a c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n gf u n c t i o n sa n di sa l s ot h eb a s i co f d o u b l e r i n ga 1 1 o p t i c a lb u f f e r k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , s e l fp h a s em o d u l a t i o n ，c r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ，o p t i c a ls w i t c h i n g ，s o l i t o ns e l f - t r a p p i n g ，n o n l i n e a r i t y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：_ 二砬l 篷互l 一日期：一j 盗錾j 址一一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盘蹈 导师签名：企查塾 日期：迦嗥鱼竺一 日期： 型皇拿：兰：! 兰 l 北京邮电人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b 瓯p c f ) 由于具有结构可控的灵活性和新 颖的传输特性而成为近年来国内外研究的热点。而且光子晶体光纤具有极强的非 线性特性，它在超连续谱产生及参量放大器、光纤激光器、光纤光栅、光开关等 光纤器件制作方面有非常广泛的应用前景，并且有可能对非线性光纤光学的发展 起更加重要的推动作用。可以预料，随着对p c f 本身的各种特性以及非线性效 应的更加深入研究，p c f 将进一步展示出传统光纤无法比拟的优越性，而这些非 线性效应也将会有更加广泛深入的应用。 光开关在全光网络系统中起着重要作用，它广泛应用于光层的路由选择、波 长选择、光交叉连接以及自愈保护等。而利用高非线性光子晶体光纤的自相位调 制( s p m ) 、交叉相位调制( ，m ) 等效应可以制成高速全光开关。波长变换 器是未来光网络中光路由和光交换的基础。通过波长变换器，可以将波长全局分 配变为本地分配，实现波长的再利用，从而大大提高波长利用率，有效解决光交 叉连接( o x c ) 中的波长竞争以及动态路由选择等问题。光波长变换有多种方 法，如利用光的交叉相位调制或四波混频等非线性效应。而光子晶体光纤的高非 线性特性，使其能够更好地应用于波长变换器。具有大的非线性系数的光子晶体 光纤有利于各种非线性效应的发生，其中一种典型应用就是光谱超连续展宽。所 谓光谱超连续展宽( s u p e rc o n t i n u u m , s c ) 是指当一束强度极大的超短光脉冲通 过非线性材料后，出射光谱中产生许多新的频率成分，谱宽度远远大于入射光脉 冲的谱宽，即在传输时只要很短的光纤就能得到很宽的输出光谱，这是一种新的 光谱展宽机理。这几年已经有不少报道光子晶体光纤的超连续谱产生的实验了， 比如2 0 0 4 年初，b l a z ep h o t o n i c 公司在传统的微芯片激光器基础上优化设计出新 型的p c f ，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤上产生宽带输出，光谱亮 度超过太阳的一万倍。b l a z e 表示利用微芯片激光器和p c f 可获得高性能光源， 将会取代l a m p 和超高亮度l e d 等传统的宽带光源。而美国r o c h e s t e r 大学的 z h u 等人利用丹麦c r y s t a lf i b e ra s 公司的具有低双折射、高非线性的p c f 获了 6 0 0 1 0 0 0 n m 的超连续谱【1 1 。超连续谱技术在光纤通信的光谱响应测试中都有广 泛的应用，另外还可以用于光学相干断层成析( o c t ) 成像，光学频率测量，多 光子光谱显微镜以及光纤传感，光开关领域高功率p c f 激光器等众多领域方面。 在光纤中传输的两个光脉冲发生碰撞时，彼此间会相互作用。在单模高双折射光 l 北京邮电大学硕，l - 学位论文 纤的反常色散区中，自相位调制和交叉相位调制的共同作用可以消除由双折射所 引起的两偏振分量间的走离效应，每个偏振分量通过移动自己的频率使得两个偏 振方向的群速差为零，最终以相同的群速度向前传播，这就是所谓的孤子自俘获 效应。利用光子晶体光纤中的交叉相位调制效应可以实现孤子自俘获效应，并用 于实现超快全光开关，位于反常色散区的孤子脉冲把位于正常色散区的高重复率 的信号脉冲串解复用，实现了光开关【2 训。 通过理论和实验的研究，人们发现光子晶体光纤中光场能被高度局域集中， 从而可以极大地提高非线性光学相互作用的效率。因此，对于光子晶体光纤中的 各种非线性效应自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、四波混频 效应、受激拉曼散射和受激布里渊散射等的理论研究和实验分析便具有相当重要 的意义，可为基于非线性效应的光纤器件的研制提供理论基础。本文主要基于光 子晶体光纤中的自相位调制s p m 和交叉相位调制x p m 进行研究。 1 2p c f 的非线性及应用研究 光子晶体光纤( p c f ) 的概念最早是在1 9 9 2 年由s t j r u s s e l l 等人提出的， 并于1 9 9 6 年s t j r u s s e l l 和他的组员k n i g h tj c 等人在实验室成功制造出第一根 具有p c 结构的光纤。从光子晶体的概念出发，光子晶体光纤( p c f ) 是一种带 有线缺陷的二维光子晶体，即光纤包层是空气和脚的周期结构，周期常数为波 长量级；光纤纤芯是破坏这种周期结构的缺陷。纤芯可以是空气也可以是固体硅， 纤芯材料不同导光原理也不同。p c f 是一种新型的光波导，通常由单一介质构 成、并由在二维方向上紧密排列而在第三维方向( 光纤的轴向) 保持不变的波长 量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。 高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的实 心硅纤芯中传输。通过选择相应的纤芯直径，零色散波长可以选定在可见光和近 红外波长范围( 6 7 0 n m 8 8 0 n m ) ，使得这些光纤特别适合于采用掺钛蓝宝石激光 或n b ”泵浦激光光源的超连续光发生器。光子晶体光纤非线性效应可达 2 4 5 ( w k m ) ，可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中超连续光发生器。 光子晶体光纤克服了传统光纤光学的限制，为许多新的科学研究带来了新的 可能和机遇。尽管现在只有- - d 部分研究小组能够制造这种光子晶体光纤，但是 极快的发展速度和非常有效的国际间科学合作使光子晶体光纤在许多不同领域 中的应用获得快速发展。利用光子带隙结构可以解决光子晶体物理学中的一些基 本问题，如局域场的加强、控制原子和分子的传输、增强非线性光学效应、研究 电子和微腔、光子晶体中的辐射模式耦合的电动力学过程等。同时，实验和理论 2 北京邮电大学硕士学位论文 研究结果都表明，光子晶体光纤可以解决许多非线性光学方面的问题，产生宽带 辐射、超短光脉冲，提高非线性光学频率转换的效率，用于光交换等。不难想象， 不久的将来我们还会发现光子晶体光纤更多的性质，更多的应用领域。包层中空 气孔构成的微结构使得光子晶体光纤具有不同于而且优于传统光纤的很多特性， 以超连续光谱的产生、光孤子效应、频率变换为代表的非线性特性的研究构成了 当前光子晶体光纤研究领域的一大热点。可以预料，随着对光子晶体光纤本身的 各种特性以及非线性效应的更加深入研究，光予晶体光纤将展示出传统光纤无法 比拟的优越性，而这些非线性效应也将会有更加广泛深入的应用。 光纤非线性效应的研究和应用是光纤研究中最重要的领域之一。在光纤通信 中，利用光纤的非线性效应已研制出了光纤激光器、光开关、光纤放大器和波长 变换器等非线性光纤装置。 光纤非线性效应的强弱可以用光纤的非线性系数来表示。传统光纤的非线性 系数比较小，一般为1 旷1 k i n - 1 左右，而光子晶体光纤的非线性系数可以达到传 统光纤的1 0 一l o o 倍 5 1 ，这样，用长度比普通光纤短得多的p c f 就可以产生足够 强的非线性效应。对于一般的非线性光纤装置，如果用普通光纤大约需要几公里 长，而用高非线性p c f 仅需几十米，甚至更短【孓暑1 。因此利用高非线性光子晶体 光纤可以获得小巧、紧凑的光通信装置。 下面介绍光子晶体光纤非线性效应中的自相位调制、交叉相位调制、四波混 频、受激拉曼散射和受激布里渊散射效应。 1 自相位调制 非线性的存在导致介质的折射率与入射光的光强有关，使得光在传播过程中 其相位受到一个与自身光强相关的调制，我们把这种调制称为自相位调制 ( s p m ) 。 设入射脉冲为 a c z ，d2j p o e - 眈坨u ( z ，丁) 式( 1 1 ) 式中的p o 表示脉冲的峰值功率，t 2 一z7 心表示延时系中的时间变量， u ( z ，f ) 为归一化振幅。把上式代入脉冲传输的基本方程【9 1 得 i o u 一互1 虿f 1 2 万0 2 u + 似。俐u 式( 1 2 ) 式中f 2 l r o 表示归一化时间，r o 表示脉冲半宽度。 当色散项比较小的时候，从上式可以得到由于m o f s 的非线性产生的相移为 = u 2 ( o ，聊昂扣砒) 2 警k 加3 ) 北京邮电大学硕十学位论文 式中k = 1 y 昂为非线性长度；b2 ( i - e - a l ) 口为有效长度，由于m o f s 的损耗，它比实际距离l 要小。考虑到u ( o ，t ) 的最大值为l ，所以最大的非线 性相移为 ， = = y p o l 4 式( 1 _ 4 ) 从式( 1 3 ) 可以看出，非线性相移与t 有关，这一与时间有关的相移对时 间的导数就是由自相位调制导致的频率偏移，即 面：一监：一垃旦i u ( 0 列2 a 丁 k a r | 、。 式( 1 5 ) 由上式可见，对脉冲前沿，o u ( o ，r ) i a t 0 ，砌 o ，频率红移，产生下 啁啾。对脉冲后沿，a i u ( o ，r ) r o t o ，频率蓝移，产生上啁啾。在传 输距离较长、初始脉冲功率较大时，渤明显大于脉冲的初始谱宽，从而导致信 号传输过程中频谱的展宽。 当色散项比较大时，m o f s 中的色散和非线性对脉冲的传输同时影响。在正 常色散区，色散与非线性作用的效果相同，即对脉冲前沿，产生下啁啾，对脉冲 后沿，产生上啁啾，因此色散与非线性共同作用会加速脉冲的展宽。在反常色散 区，色散与非线性作用效果相反，即对脉冲前沿，色散产生上啁啾，对脉冲后沿， 色散产生下啁啾，因此，色散产生的啁啾与非线性产生的啁啾会部分抵消或完全 抵消。当完全抵消时，脉冲在时域和频域上都不展宽，形成孤子。 利用自相位调制产生的非线性相移制作光开关是自相位调制最重要的应用 之一。p c t r o p o u l o s 等人于2 0 0 1 年首次利用微结构光纤的自相位调制效应，制作 了光开兴，其实验装置如图1 1 所示。当脉冲“l 进入时，由于自相位调 制效应，频谱被展宽，并与输出端的可调滤波器的频谱窗口重合，从而输出另一 个波长的光脉冲。当“0 脉冲进入时，不产生显著的自相位调制效应，没有光 透过滤波器。由此可见，这种装置可实现信号的再生和全光开关。 4 北京邮电大学硕士学位论文 图l l 基于自相位调制效应的全光开关【1 0 1 2 交叉相位调制 ， 当光子晶体光纤中传播不同频率的光波时，介质的折射率与所有光波的光场 都有关系，因此，某一特定频率的相位不但与自身的光场有关，还与其它频率的 光场有关。这种相互作用称为交叉相位调制( x p m ) 。当频率分别为q 和的 两束光进入光子晶体光纤时，由于非线性作用使频率为哗的光波产生的相移为 舻2 心( p r + 2 p 3 一，) ( f = 1 2 ) 式( 1 6 ) 式中表示频率为q 的光波的光功率。上式中的第一项为自相位调制产生的 相移，第二项为交叉相位调制产生的相移。易见，交叉相位调制产生的相移是自 相位调制产生相移的两倍。 2 0 0 2 年， s h a r p i n g 等人利用光子晶体光纤的交叉相位调制效应制成了一种 高速全光开关【l l 】，其实验装置如图1 2 所示。实验中，泵浦和信号光是同步的光 脉冲，工作在1 5 5 1 r i m 波段，波长间隔为5 1 5 n m ，脉宽分别为4 9 p s 和2 8 p s 。 泵浦脉冲经过e d f a 放大器放大后，通过一带通波分复用器与信号脉冲汇合， 由于光程匹配，经过复用器后泵浦和信号脉冲是重叠的，然后重叠脉冲进入 s a g n a c 环镜，该s a g n a c 环镜由偏振分束器和一段5 8 m 长的高非线性m o f 构成。 在光路上需要对信号光和泵浦光分别进行偏振控制，使得信号光进入s a g n a c 环 镜后被等分成传播方向相反的两路，泵浦光进入s a g n a c 环镜后只在一个方向上 传播。通过环镜的两臂时，由于交叉相位调制效应，与泵浦光传播方向相同的信 号光中会产生一个相移，从而使两路信号光产生一定的相位差。通过改变泵浦光 的能量可以调整相移的大小，由此可以改变光纤输出的大小，实现光的开关效应。 输出的信号光和泵浦光在反向通过复用器时分离，最后信号光通过偏振控制器、 滤波器和检偏器后进入光探测器。 5 如 弦 盖鼯 陟一 仑 毫引 一 = 芦 l 嚣 北京邮电大学硕士学位论文 图1 - - 2 基于交叉相位调制效应的全光开判1 1 l 3 四波混频 四波混频( f w m ) 是最重要的三阶非线性参量过程之一。三阶极化强度矢 量可以写成 - - c o x 3 ! 脚式( 1 7 ) 设m o f s 中的光波是线偏振波，而且由频率分别为q 、吃、q 和红的四个 同向偏振波构成，那么m o f s 中的电场可以表示为 e 屯圭喜巨e x p ，( 肛哆f ) + c c 式( 1 8 ) 式中屈是频率为哆的光波的传播常数，c c 表示复共轭。把上式代入( 1 - 7 ) 式得 = 巳圭喜只c x p 鹏z 叫) + c c 式( 1 - 9 ) 式中的只是与频率哆相对应的三阶极化项，每一个只都包括很多项，如 只= 三氏艨卜1 2 匕+ 2 ( 吲2 + 吲2 + 吲2e 4 + 2 五 毛c x p ( 以) + 2 磊巨局e e x p ( 艘) 式( 1 1 0 ) 式( 1 1 0 ) 中 6 北京邮电大学硕上学位论文 幺= ( 届+ 屐+ 层一屈) z 一【q + 哆+ 鸭一q ) f 晓2 【屈+ 膨一展一屈) z 一【哆+ 哆一q q ) 式( 1 1 1 ) 从式( 1 1 0 ) 可以看出：式中的前四项是真正以蛾和以为频率和传播常数的 光波的三阶极化项，其中第一项为自相位调制项，第二、三、四项为交叉相位调 制项；而后两项为四波混频( f w m ) 项，显然，只有当相位因子和吃为零时， 才有显著的四波混频效应，这就是四波混频的频率条件和相位匹配条件，即 q = q + 哆+ 鸭 反= 屈+ 屐+ 属 q2 哆+ 哆一q p i = | p l 七p j p k 由式( 1 1 2 ) 的频率条件可见， 以满足，可以不予考虑。 式( 1 1 2 ) 式( 1 1 3 ) 吐与q 、哆和鸭相差甚大，其相位条件难 现在考虑式( 1 1 3 ) 中的一个特例，即 鸭+ q = q + 哆 层+ 屈= 届+ 屈 式( 1 1 4 ) 当上式成立时，可以实现显著的四波混频效应。若q2 哆( 这时的四波混频 称为简并的四波混频) ，匹配条件变为q2 2 0 6 一皑，2 a 。屈+ 屈，这种条件下 相位匹配条件最容易得到满足，所以这种四波混频也最容易实现。如一个频率为 啤的强泵浦光和一个频率为的信号光入射到m o f s 内时，由于四波混频效应， 会产生一个频率为吁2z 啤一致的混频光，且泵浦光的能量会转移到信号光和混 频光上，因而可以实现光的波长变换和参量放大。 应该指出：如果考虑到来自泵浦光非线性相位调制作用的影响，四波混频的 相位匹配条件应为 r = a p + 2 r p p = 0 上式中筇= 2 屏一屈一乃是相位失配因子，0 是泵浦光的功率。由于 筇= 屈q 2 式( 1 1 6 ) 其中厦= a 2 f l a a , 2 i 嘶，q = 纬一q = q 一绵。把上式代入式( 1 1 5 ) 得到 相位匹配条件为 履q 2 + 2 7 0 = o 7 北京邮电大学硕士学位论文 因为上式中的q 、7 和0 都是正值，所以只有在屈 o ，即反常色散区才能 满足相位匹配条件，使参量增益达到最大。 f r o m t l ：s a p p h i r e a n a l y z e r 图l 一3 研究m o f s 中四波混频现象的实验装置【1 2 1 2 0 0 1 年，s h a r p i n g 等人第一次用如图1 3 所示的实验装置在零色散波长为 7 5 0n m 的m o f s 中实现了相位匹配，并观察到了四波混频现象【1 2 】。当把峰值功 率为6 w 的泵浦光和信号光一起射入m o f s 时，可以测量到超过1 3 d b 的参量增 益，如图1 4 所示。 另外，文献【1 3 】还对连续波在小芯径m o f s 中的四波混频的稳定性进行了理论 研究，结果表明m o f s 具有传统光纤中不存在的二次四波混频峰，四波混频增益 的最大位置不仅取决于相位匹配，还与斯托克斯和反斯托克斯波的群速度有关。 文献【1 4 】又研究了空心光纤中的四波混频，研究结果显示：通过往空心光纤中充 气可以极大提高四波混频的效率。 北京邮电大学硕士学位论文 图1 4 在m o f 输出端四波混频的频详1 2 l 4 受激拉曼散射和受激布里渊散射 m o f s 中的自相位调制、交叉相位调制和四波混频等三阶非线性极化响应的 共同特点是能量和动量的交换仅发生在光子之间，在光场和介质之间无能量交 换。除此之外，在m o f s 中还存在着另一种重要的光与介质非线性相互作用的形 式，即受激非弹性散射，在这种散射过程中光与介质之间有能量和动量交换。在 m o f s 中有两类受激非弹性散射对光通信产生的影响比较大，一类是受激拉曼散 射( s r s ) ，另一类是受激布里渊散射( s b s ) 。 受激拉曼散射是物质分子对光子的散射过程，或者说是光子与分子谐振子的 相互作用过程。在散射过程中可以产生前后两个方向的斯托克斯光，在热平衡状 态下，产生前向斯托克斯光的概率要比产生后向斯托克斯光的概率大得多，也就 是说，前向斯托克斯光起决定性作用，而后向斯托克斯光在大多数情况下可以忽 略不计。因此拉曼散射可以将泵浦光的能量转移到长波长的光上，从而产生激光 或进行光信号的放大。 光信号放大的拉曼增益为 g ，：e x p f g , p o l 万一口三1 3 i 如k 式( 1 1 8 ) 式中的g 且是拉曼增益系数，是输入端的泵浦功率，勋偏振因子。从上式 可见，若用高非线性m o f s 作为非线性介质可以得到放大率远大于传统光纤的拉 0 i8pl墨nd蕾f莓曩正 北京邮电大学硕士学位论文 曼放大器。2 0 0 2 年3 月，y u s o 礴人利用图1 5 所示的试验装置，以1 5 3 6 n m 的高功 率光纤脉冲激光器作前向泵浦源，采用7 5 m 长、有效面积为2 8 5 心的高双折射、 高非线性m o f s 错l j 成了拉曼放大器【1 5 1 。当入纤泵浦峰值功率为6 7 w 时，测得的信 号增益达4 2 d b ，如图1 - 6 所示。 r f8 黼蛔孵 。” 图l 一5 拉曼放大器实验装置【1 5 1 受激布里渊散射类似于受激拉曼散射，但这种散射是光波与介质材料结构相 互作用的结果，所需的入射功率远低于受激拉曼散射所需的泵浦水平，一旦达到 受激布里渊散射阈值，绝大部分输入功率转化为后向斯托克斯光。受激布里渊散 射对光通信有有害的一面，但也可以利用受激布里渊散射实现光纤布里渊激光 器、窄带布里渊放大器和窄带光学滤波器等【1 6 , 1 7 。 l o 北京邮电大学硕上学位论文 w a v e i e n g m ( r i m ) 图l 一6 不同信号波长的拉曼增益和噪声指数【1 5 】 在光纤中传输的两个光脉冲发生碰撞时，彼此间会相互作用【墙】。在高双折射 传统单模光纤的反常色散区，自相位调制和交叉相位调制可以消除由双折射导致 的两正交偏振分量之间的走离效应，每个偏振分量改变其频率，使其群速度差为 零，而后两偏振分量以相同的速度沿光纤共同传输，这就是所谓的孤子自俘获效 应。1 9 8 9 年，i s l a m 等人在实验中首次观察到了孤子自俘获现射1 8 】。2 0 0 4 年， n i s h i z a w a 和g o t o 通过超短孤子脉冲的互作用发现了两种俘获现象，一种是普通 光纤中零色散波长附近的脉冲俘获【1 9 2 1 1 ；另一种俘获现象是双折射光纤中的脉冲 俘引2 2 1 。研究表明，基于该孤子自俘获效应可以实现光开关，2 0 0 3 年，利用零 色散波长附近的脉冲俘获现象实现超快全光开关的方法得到了证明【2 3 捌】，位于反 常色散区的孤子脉冲把位于正常色散区的高重复率的信号脉冲串解复用，实现了 光开关【2 卅。另外，通过在光子晶体光纤的空气孔中填充其它材料，也可以实现 光开关的功能。例如，在三角形光子晶体光纤的空气孔中填充高折射率的液晶， 可以形成光子带隙，利用液晶折射率随温度的改变调整带隙的频率范围，能够实 现光开关的功能。 目前，最理想可工作在光纤低损耗窗口( 1 2 0 0 1 6 0 0 n m 波段) 的光放大器 是光纤拉曼放大器。拉曼放大器以受激拉曼散射( s r s ) 作为产生增益条件的光 放大器，其增益大小与光纤的非线性系数成正比。对于基于普通光纤的拉曼放大 器，为了获得足够的增益需要几百米乃至几千米长的光纤。由于光予晶体光纤的 有效面积可以只有普通光纤的几十分之一，因而光子晶体光纤的非线性系数可比 传统光纤高1 0 1 0 0 倍，因此，若用高非线性的光子晶体光纤作为非线性介质可 一ap_)罄鑫复loz言e墨旺i m舄v世嘎。鼍b基品 北京邮电大学硕士学位论文 以开发出新一代短长度、紧凑、高效的光纤拉曼放大器。2 0 0 2 年3 月， y u s o f f 等人利用1 5 3 6 n m 的高功率光纤脉冲激光器做前向泵浦源，采用7 5 m 长、有效面 积为2 8 5 m 2 的高双折射高非线性p c f 制成了拉曼放大器【1 5 】。当入纤泵浦峰值功 率为6 7w 时，测得的信号增益达4 2 d b 。 同拉曼放大器和掺铒光纤放大器相比，参量放大器具有宽带平坦增益的优 点。要获得高增益和大带宽的参量放大器，需要满足的关键条件包括：泵浦功率 高、非线性系数高、光纤长度短、泵浦波长接近零色散波长和色散斜率低。其中， 高非线性系数是在保证高增益情况下减小光纤长度的前提，而光纤长度短和合适 的色散特性又是实现宽带放大的必要条件。光子晶体光纤中的高非线性以及可设 计的平坦和超平坦的色散特性，使得p c f 可以在更低的泵浦功率和更短的光纤 长度下得到和普通光纤相同的参量增益，同时具有更宽的增益带宽。2 0 0 1 年， s h a r p i n g 等人用零色散波长为7 5 0 r i m 的光子晶体光纤，实现了相位匹配，并在 光子晶体光纤中观察到了四波混频( f w m ) 现象【1 2 1 。当把峰值功率为6 w 的泵 浦光和信号光一起射入光子晶体光纤时，可以测量到超过1 3 d b 的参量增益。2 0 0 3 年，t a n g 等人使用长度只有1 2 5 m 的光子晶体光纤，在1 5 5 0 r i m 波长上实现了增 益斜率可达2 0 0 d b ( w k m ) 的参量增益放大器【2 5 】。在约3 0 n m 的带宽内获得了大 于2 0 d b 的增益，在完全相位匹配的位置获得了2 5 4d b 的最大增益。 波长变换器是未来光网络中光路由和光交换的基础。通过波长变换器，可以 将波长全局分配变为本地分配，实现波长的再利用，从而大大提高波长利用率， 有效解决光交叉连接( o x c ) 中的波长竞争以及动态路由选择等问题。光波长 变换有多种方法，如利用光的交叉相位调制或四波混频等非线性效应。光子晶体 光纤的高非线性特性，使其能够更好地应用于波长变换器。2 0 0 3 年，l e e 等人基 于光子晶体光纤p c f 的四波混频效应，做成了可调波长转换器，并获得了高效 的1 0 g b i t s 非归零码1 0 r i m 带宽的波长无误转换【2 6 1 。2 0 0 5 年，k w o k 等人利用交 叉相位调制效应，用一条长6 4 m 高非线性色散平坦光子晶体光纤构成的非线性 光纤环镜实现了宽带可调波长变换，波长变换范围为6 0 n m ，消光比达1 3 d b 以 卜f 2 7 】 lo 可见，利用光子晶体光纤的自相位调制和交叉相位调制可以实现高速的全光 开关，而且利用其高非线性可以制成增益系数较大的拉曼放大器和参量放大器， 利用光子晶体光纤的交叉相位调制或四波混频等非线性效应可以很好的实现波 长变换。因此研究光子晶体光纤的非线性特性具有重大意义。可以预料，随着对 光子晶体光纤的非线性效应的更加深入研究，光子晶体光纤将进一步展示出传统 光纤无法比拟的优越性，而这些非线性效应也将会有更加广泛深入的应用。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 本论文研究工作及结构安排 光子晶体光纤由于具有极强的非线性特性，它在超连续谱产生及参量放大 器、光纤激光器、光纤光栅，光开关等光纤器件制作方面有非常广泛的应用前景， 并且有可能对非线性光纤光学的发展起更加重要的推动作用。可以预料，随着对 p c f 本身的各种特性以及非线性效应的更加深入研究，p c f 将进一步展示出传统 光纤无法比拟的优越性，而这些非线性效应也将会有更加广泛深入的应用。 本论文在国内外现有成果的基础上，对光子晶体光纤中的s p m 和x p m 效应 及其两种应用进行了研究。本论文研究工作及结构安排为： 第一章绪论，首先介绍了光子晶体光纤的非线性特性及其应用研究背景， 说明了本论文研究的重要意义，接着总结主要研究工作和实践工作，最后说明了 本文结构。 第二章阐述了孤子自俘获效应的研究背景、意义和其实现的原理分析。基 于普通光纤中的耦合非线性薛定谔方程推导出光子晶体光纤中的孤子自俘获效 应理论模型，并利用分步傅里叶方法，m a t l a b 仿真分析了在光子晶体光纤的反常 色散区，光子晶体光纤的特性参数如群速度失配、色散、自陡峭和脉冲内拉曼散 射对孤子自俘获效应的影响。 第三章基于双折射光子晶体光纤中的脉冲俘获现象、自相位调制效应和交 叉相位调制效应实现全光开关。介绍了三种光开关实现原理和性能分析比较，第 一种是基于双折射光子晶体光纤的脉冲俘获现象实现全光开关；第二种是基于光 子晶体光纤的s p m 构成非线性光纤环镜，不加入控制脉冲实现全光开关；第三 种是基于光子晶体光纤构成非线性光纤环镜利用x p m 和3 x 3 耦合器实现双端口 输出光开关。 第四章总结和展望，对全文进行了简要总结，并进行了前景展望。 北京邮电大学硕十学位论文 第2 章基于p c f 的s p m 和x p m 实现孤子自俘获 2 1 孤子自俘获效应研究背景和意义 在光纤中传输的两个光脉冲发生碰撞时，彼此间会相互作用【1 8 】。在单模高 双折射光纤的反常色散区中，自相位调制和交叉相位调制的共同作用可以消除由 双折射所引起的两偏振分量间的走离效应，每个偏振分量通过移动自己的频率使 得两个偏振方向的群速差为零，最终以相同的群速度向前传播，这就是所谓的孤 子自俘获效应。1 9 8 9 年，i s l a m 等人在实验中首次观察到了孤子自俘获现象【l 引。 2 0 0 4 年，n i s h i z a w a 和g o t o 通过超短孤子脉冲的互作用发现了两种俘获现象，一 种是普通光纤中零色散波长附近的脉冲俘获【1 9 ，2 i 】；另一种俘获现象是双折射光纤 中的脉冲俘获瞄】。研究表明，基于该孤子自俘获效应可以实现光开关，2 0 0 3 年， 利用零色散波长附近的脉冲俘获现象实现超快全光开关的方法得到了证明 2 3 ，2 4 1 ， 位于反常色散区的孤子脉冲把位于正常色散区的高重复率的信号脉冲串解复用， 实现了光开关【2 刮。 p c f 由于具有结构可控的灵活性和新颖的传输特性而成为近年来国内外研 究的热点，就其双折射特性而言，它的模式双折射度比普通单模保偏光纤高一到 两个数量级。因此研究光子晶体光纤中的孤子自俘获现象变得更有意义。要想在 光子晶体光纤中实现孤子自俘获，需采用飞秒量级的初始脉冲入射，因此需要考 虑高阶非线性和高阶色散效应。本文理论分析光纤的孤子自俘获现象和双折射光 纤的脉冲俘获现象，仿真研究了光子晶体光纤的反常色散区，群速度失配因子万、 高阶色散对孤子自俘获效应的影响。 2 2 孤子理论发展 在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效应的相互作用，可产生一种引人 注目的现象一光学孤子。孤子又称孤立波，其在传播过程中能保持形状、幅度和 速度都不变，而且当两列波相撞后仍能保持不变。 孤子这个词最早是在流体力学中提出来的。1 8 3 4 年，美国科学家罗素观察到 这样一个现象：在一条狭窄的河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在 船头形成的一个孤立的水波迅速离丌船头，以每小时1 4 - 一1 5 k m 的速度前进，