（物理电子学专业论文）光子晶体光纤中超连续谱与纠缠光子对的研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文摘要 光子晶体光纤中超连续谱与纠缠光子对的研究 摘要 本文的研究包括了两部分：光子晶体光纤中超连续谱与纠缠光子 对的产生。由于光子晶体光纤具有诸多的优点，例如可调节的零色散 波长、高非线性，实验中我们采用了光子晶体光纤代替了传统光纤。 超连续谱可以用于多波长脉冲光源，在1 5 5 肛小波长处所产生的 超连续谱具有成为密集波分复用系统重要器件的潜力。此外，研究超 连续谱产生的物理机制也是一项十分有意义的理论工作。 纠缠光子源对于量子密钥分发系统至关重要。光纤中的四波混频 是产生量子关联光子源的一种好方法，因为此种方法产生的光子可以 有效地耦合进入传输光纤。基于上述，1 5 5 m 波长处的纠缠光子源 对于长距离的量子密钥分发系统是十分有意义的。 本论文的主要工作如下： 我们利用皮秒脉冲泵浦在正常色散光子晶体光纤中产生了超 连续谱。通过使用脉宽1 6 皮秒的掺铒光纤激光器在1 5 5 0 纳 米处泵浦，得到了处于红外波段的2 3 7 纳米的超连续谱。此 外通过数值求解非线性薛定谔方程，模拟了超连续谱产生的 过程。利用实验与数值计算结果讨论了超连续谱产生的物理 机制，得到了结论：在正常色散光子晶体光纤中，色散、相 位调制、四波混频和拉曼效应是产生超连续谱的决定因素而 不是高阶孤子劈裂效应。 我们利用四波混频效应，通过泵浦4 0 米长的色散平坦光子晶 体光纤获得了高品质、高速率的纠缠光子源。通过在1 5 5 0 纳 米处泵浦，我们分别在1 5 4 5 纳米和1 5 5 5 纳米处得到了信号 光与闲频光。此时系统的工作速率为1 4 3 k h z ，光子的符合与 偶然符合比为8 。这样的一个纠缠光子源可以运用到量子密钥 分发系统中，所产生的误码率为6 。 关键词：超连续谱纠缠光子对光子晶体光纤四波混频光纤通信 本论文由以下项目资助： 国家自然科学基金：6 0 5 7 8 0 4 3 ，6 0 3 7 8 0 1 1 北京邮电大学硕士学位论文摘要 北京市教委共建项目：x k l 0 0 1 3 0 6 1 7 北京邮电大学硕士学位论文 s t u d yo ns u p e r c o n t i n u u m a n de n 删g l e dp h o t o n p a i r sg e n e r 棚o ni n p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nc o v e r sb o t ht h es u p e r c o n t i n u u m ( s c ) a n de n t a n g l e d p h o t o n - p a i r sg e n e r a t i o ni np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) a sp c fh a ss e v e r a l a d v a n t a g e ss u c ha sa d j u s t a b i l i t yo fz e r o d i s p e r s i o nw a v e l e n g t hi n al a r g e r e g i o na n dh i g hn o n l i n e a rc o e f f i c i e n t ，w eu s ei tt og e n e r a t es ca n dc o r r e l a t e d p h o t o n - p a i r si n s t e a do fc o n v e n t i o n a lf i b e r d u et ot h ef a c t t h a t s u p e r c o n t i n u u m ( s c ) h a sa b i l i t y t o g e n e r a t e m u l t i w a v e l e n g t h c h a n n e lp u l s es o u r c e ，s cg e n e r a t i o na tr e g i m ec l o s et o1 5 5 1 tmh a st h e p o t e n t i a l t ob ea n i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n t od e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x e d ( d w d m ) o p t i c a l n e t w o r k s i n a d d i t i o n ， s t u d yo np h y s i c a lp r o c e s s e s u n d e r l i et h es cg e n e r a t i o ni sa l s oav e r y m e a n i n g f u lt h e o r e t i c a lw o r k e n t a n g l e dp h o t o np a i r s a r ev e r yi m p o r t a n tr e s o u r c e si nq u a n t u mk e y d i s t r i b u t i o n ( q k d ) s y s t e m f o u r w a v e m i x i n g ( f w m ) i no p t i c a lf i b e ri s a p r o m i s i n gc a n d i d a t ef o raq u a n t u mc o r r e l a t e dp h o t o n p a i r ss o u r c e ，b e c a u s e p h o t o n sg e n e r a t e df r o ms u c hs o u r c e sc a nb ec o u p l e di n t ot r a n s m i s s i o nf i b e r v e r ye f f i c i e n t l y a sm e n t i o n e da b o v e ，ap h o t o n p a i rs o u r c ea tt h e1 5 5 一所 b a n di se s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o rl o n g d i s t a n c eq k d s y s t e mo v e ro p t i c a lf i b e r n e t w o r k s t h er e s e a r c hw o r k si nt h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： w ed e m o n s t r a t e s u p e r c o n t i n u u m( s c )g e n e r a t i o n o fa n o r m a l d i s p e r s i o np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) u s i n gp i c o s e c o n d p u l s e e x c i t a t i o n i n e x p e r i m e n t a la n a l y s e s ，a2 3 7 一n mb r o a d b a n d i n f r a r e dc o n t i n u u mw a s g e n e r a t e dp u m p e d a t 1 5 5 0 n m ( n o r m a l 北京邮电大学硕士学位论文 d i s p e r s i o nr e g i m e ) b y1 6 一p sp u l s e sf r o ma ne r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r i na d d i t i o n ，w ec o n d u c t e dt h en u m e r i c a la n a l y s e so fs cb a s e do n g e n e r a l i z e dn o n l i n e a rs c h r s d i n g e re q u a t i o n t h er e s u l t sh a v eb e e n a p p l i e dt oi n v e s t i g a t i n gt h ed o m i n a n tp h y s i c a lp r o c e s s e su n d e r l i et h e g e n e r a t i o no ft h es cg e n e r a t i o n w ec o n c l u d et h a t d i s p e r s i o n ， s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) ，f o u r - w a v e - m i x i n g ( f w m ) a n dr a m a n s c a t t e r i n ga r et h ed e t e r m i n a n to fs cg e n e r a t i o nr a t h e rt h a nf i s s i o no f s o l i t o ni nn o r m a l d i s p e r s i o np c e w ed e m o n s t r a t eah i g hq u a l i t ya n dh i g hc o u n t i n gr a t es o u r c eo f c o r r e l a t e d p h o t o np a r i st h r o u g h f o u r - w a v e m i x i n g ( f w m ) b y p u m p i n ga4 0 md i s p e r s i o n - f l a r e n e dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) u s i n g1 5 5 0 n mp u m pp u l s e s ，w ed e t e c t e dc o r r e l a t e ds i g n a l ( 1 5 4 5 n m ) a n d i d l e r ( 1 5 5 5 n m ) p h o t o n s a tar a t eo f1 4 3k h zw i t ha c o i n c i d e n c e a c c i d e n t a lc o i n c i d e n c e ( c a ) c o n t r a s to f8 s u c ha s y s t e mc a nb eu s e da st h es o u r c eo fq u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o ns y s t e m w i t hab i te r r o rr a t e6 k e yw o r d s ：s u p e r c o n t i n u u m ( s c ) ，e n t a n g l e dp h o t o n - p a i r s ，p h o t o n i cc r y s t a l f i b e r ( p c f ) ，f o u rw a v em i x i n g ( f w m ) ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 5 7 8 0 4 3 ，6 0 3 7 8 0 11 ) a n db e i j i n ge d u c a t i o nc o m m i t t e ec o m m o nb u i l d f o u n d a t i o n ( n o x k l 0 0 1 3 0 6 1 7 ) 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：壶出兰 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一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：皇垒 导师签名： 犟生退 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超连续谱和纠缠光子对的研究背景 经过近4 0 年的迅猛发展，光纤通信已经从点到点通信向点到多点的全光高速密 集波分复用( d w d m ) 系统网络推进n 1 。而全光密集波分复用技术的近一步发展有赖于 新型光通信器件的应用。光通信系统对有源器件的性能提出了更高的要求，其中多波 长光源成为研究的热点之一。在众多多波长光源中，新型光纤中超连续谱( s c ) 光源 具有大均匀带宽、可灵活提取任意带宽的多个中心波长组分，高相干性能和高稳定性 等优点，具有极大的研究价值和实用潜力。 量子纠缠态广泛应用于量子隐形传态、量子密钥分发、量子密集编码、量子计 算、量子光刻等多个领域，对于量子信息科学的发展具有十分重要的意义，因而深 入讨论量子纠缠态的相关理论，研究纠缠态的产生和特性成为一种迫切的需要瞳1 。原 则上说，任何可以控制相互作用的量子系统之间都可以产生纠缠，但是对微观量子系 统进行可控操作并不容易，光子是最具可操作性的粒子之一，因而光子纠缠态的产生 成为人们关注的焦点，特别是1 5 5 0 n m 波段的纠缠光子和光纤的传输波段吻合，易于 和光纤耦合，可以通过光纤系统进行传输，这为量子信息技术和光纤通信结合提供了 广阔的空间，在推进量子信息实用化进程中至关重要。 1 1 1 超连续谱光源 近年来，对通信系统的传输容量提出了更高的要求，减小信道间隔和增加信道数 成为密集波分复用技术进一步发展的趋势。能同时发射几个波长的多波长光纤激光器 对波分复用系统十分重要。当前，d w d m 通信系统中使用的激光器都是分立的光源， 系统扩容时，每增加一个波长就需要对应一个激光器，而随着波长密集程度的不断提 高，多个激光器之间的波长间隔控制难度越来越大，使系统的成本大大提高，同时也 使系统的可靠性不能得到很好的保证。多波长光源不仅大大降低系统的运行成本，还 可以使网络实时监控变得简单易行。在众多多波长光源中，超连续谱( s c ) 光源具有 大均匀带宽、可灵活提取任意带宽的多个中心波长组分，高相干性和高稳定性等优点， 被广泛应用于t b i t sw d m o t d m 系统呻1 、光学相干断层成像阳。1 、光学频率测量口2 。加 等领域。 超连续谱是指强光束通过非线性光学材料时，出射光谱中产生许多新的频率成 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 份，导致光频谱宽度远大于入射光脉冲宽度。在此过程中多种非线性效应都对光谱展 宽有贡献，主要包括：光学介质中自聚焦、自相位调制、交叉相位调制、四波混频和 受激拉曼散射等。衡量s c 谱的两个重要参数是光谱带宽及其平坦性，为了获取宽带 平坦超连续谱，人们尝试了不同的超连续谱泵浦源和多种非线性介质。对于产生s c 谱的激光器有：超短脉冲激光器n 4 。埔1 ，q 开关激光器口7 。1 剐、甚至连续激光器n 螂1 。 目前，产生s c 谱的光纤主要有色散位移光纤乜卜2 削、锥形光纤乜蚴1 、光子晶体光纤 ( p c f ) 陟3 2 1 等，其中，单模光纤中产生s c 谱的技术已经比较成熟，p c f 中s c 谱的产 生是近年来的研究热点，研究表明使用p c f 可以产生宽带平坦的s c 谱。 1 1 2 纠缠光子对 ， 量子信息学是信息科学和量子力学相结合而形成的新兴交叉学科。1 9 3 5 年， e i n s t e i n 、p o d o l s k y 、r o s e n 发表的文章首先涉及了纠缠态，后来被称为e p r 佯谬。同 年，s c h r s d i n g e r 在他的著名文章中定义了纠缠态( e n t a n g l e ds t a t e ) 的概念。1 9 9 3 年，美 国科学家c h a r l e sh b e n n e t t 等首次提出量子隐形传态方案。近年来，纠缠光子对在 量子通信、量子计算、量子密码学等量子信息学科中扮演着重要角色，也被人们作为 量子信息源广泛研究。制备纠缠光子对已有多种方法，如q e d 、离子阱、量子点等。 对比这些方法，基于非线性光学频率变换产生纠缠光子对是目前最普遍采用的方法。 目前国内外关联光子纠缠对大多是利用b b o 晶体i i 型参量下转换产生。而利用晶体产 生的光子对，耦合入光纤的效率是很低的，这不利于长距离量子密钥的分发。为了提 高纠缠光子对的入纤效率，2 0 0 2 年f i o r e n t i n o 等人利用色散位移光纤，在三阶非线 性作用下通过四波混频的参数荧光过程产生了关联光子纠缠对3 。2 0 0 3 年美国 p r i n c e t o nn e c 研究所d o g a r i a 等人已经从实验上证实，可以利用光子晶体光纤产生 关联光子纠缠对，他们利用t i 蓝宝石激光器产生波长为8 3 1 n m 光脉冲为泵浦源，利 用4 m 光子晶体光纤，光脉冲脉宽2 p s ，重复频率8 0 m i - l z ，入纤功率8 m w ，得到信号光 和闲频光的复合率为1 0 6 秒口引。利用光子晶体光纤的优势，除有较大的非线性系数 以外，因它的零色散点可以在较大范围内变化，则可以根据需要，在较宽的波长范围 ( 从8 0 0 n m 到1 6 0 0 n m ) 产生关联光子纠缠对，以满足光通信系统的需要。 1 2 超连续谱和纠缠光子对的研究进展 1 2 1 超连续谱的研究进展 宽带相干光源的应用有利于提高光纤通信系统的容量，对具有宽带频谱的超连续 谱脉冲源来说，其光谱经阵列波导光栅切片后，可以提供多个超短脉冲波分复用光源。 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 先前的许多实验显示该光源具有良好的性能。但由于所用光纤的长度很长以及环境变 化会引起的输出脉冲不稳定，为避免这些问题，使用较短的光纤是十分必要的。为了 减小产生有效超连续谱所用的光纤嘶3 ，则必须增加光纤的非线性或者增加入射脉冲的 泵浦功率。最近的实验表明，光子晶体光纤的有效非线性系数在纯硅中可以提高到 7 0 w k m ，而在复合玻璃中在1 5 5 0 n m 波长处可以高达5 5 0 w k m 1 啪1 。该值是 普通色散位移光纤的2 0 和2 0 0 多倍，这使得利用很短的光纤产生超连续谱成为可能。 此外，通过在光子晶体光纤中引入非对称性结构，使得传输光的偏振态的保持成为可 能。这表明，光子晶体光纤已经展示在超连续谱的产生方面是一种有效的介质。 超连续效应在光子晶体光纤中的大多报道是在反常色散区进行泵浦，或者零色散 波长在可见光波长和红外波长区。大多数实验利用飞秒脉冲进行泵浦口7 蚓，这使得光 谱得到极大的展宽，从4 0 0 n m 到1 7 5 0 n m 。皮秒脉冲泵浦只能得到较窄的光谱，可是 由于这种激光光源较便宜，在实际中得到了很好的应用。此外，利用纳米脉冲产生超 连续谱的实验也有报道。 研究表明采用光子晶体光纤使产生超连续谱所需要的光强度大大降低。在标准光 纤中，产生超连续谱需要的光强度至少比p c f 中需要的光强度高两个数量级，因此 采用较低能量的飞秒孤子光脉冲即可产生宽带的超连续光谱。 2 0 0 0 年，j kr a n k a 等人报道了采用未经放大的n j 量级的飞秒脉冲在p c f 中 产生了2 个倍频程( 4 0 0 1 6 0 0 r i m ) 的超连续光谱。随后在2 0 0 2 年，wh r e e v e s 等报道 在软玻璃p c f 中也能产生极宽的超连续光谱【3 9 】。他们用波长为1 5 5 0 n m 、脉宽为 1 0 0 f s 、平均功率为3 0 m w 的脉冲在7 5c m 长的p c f 中产生了从3 5 0 n m 到2 2 0 0 n m 的 超连续光谱。在2 0 0 6 年的一个实验中，香港大学的k kc h o w 等人用平均功率为 0 1 m w 的7 5 0 f s 脉冲在一段6 4 m 长的色散平坦光子晶体光纤中产生了1 4 7 0 n m 至1 6 5 5 n m 范围的超连续谱1 4 0 。 同年，丹麦的p e t e r a n d r e a s a n d e r s e n 等人报道了用皮秒脉冲泵浦得到的超连续谱 【4 1 1 。实验中产生脉冲序列的具有1 0 g h z 重复率的锁模光纤环形激光器。产生的脉冲 序列被掺铒光纤放大器( e d f a ) 放大至3 0 d b m 的平均功率，再在一个非线性脉冲压缩 器中进行压缩。高非线性光子晶体光纤长5 0 m ，零色散波长为1 5 5 2 n m ，非线性系数 是1 8w k m ，双折射估计是1 1 x 1 0 。考虑到光纤的双折射效应，在光子晶体 光纤之前放置了偏振控制器。实验结果显示，0 3 p s 至2 5 p s 的皮秒脉冲泵浦得到的超 连续谱范围从1 5 5 2a m 持续到l - b a n d 。在这一波长范围的超连续谱可用于连续光时 钟的传输。 产生超连续谱的激光光源一般都是皮秒和飞秒脉冲，使用纳秒级的激光脉冲作为 3 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 光源的实验有报道。当不同量级的脉冲经过光学介质时，产生的超连续谱的情形也不 相同。2 0 0 3 年w j w a d s w o r t h 等人用重复率k h z 的纳秒脉冲泵浦得到了超连续谱， 其波长范围是5 0 0 - 1 7 5 0 n m 池3 。2 0 0 6 年，g g e n t y 等人把被动调q 的n d ：y a g 激光器 在1 0 6 4 n m 波长处产生的平均功率为1 2 0 m w 的2 n s 脉冲，注入光子晶体光纤中产生超 连续谱n 3 1 ，实验中所用光子晶体光纤长度1 5 m ，纤芯尺寸2 肿，填充因子为0 6 5 ， 零色散点波长为7 5 0 h m 和1 6 7 0 胁。在没有在光子晶体光纤中填充乙炔时，超连续 谱范围是从1 弘m 到1 7 肛m 。 1 2 2 纠缠光子对研究进展 根据所用的介质和原理的不同，现有的产生光子纠缠态的主要方法可分为以下几 类： ( 1 ) 利用非线性晶体中的角度相位匹配s p d c ( 自发参量下转换s p o n t a n e o u s p a r a m e t r icd o w n - c o n v e r si o n ) 产生 利用s p d c 技术可以产生空间时间能量偏振纠缠光子对，这种方法探测简便，纠 缠纯度高，相干性保持距离长，所以应用也最为广泛。m a g d e 等首次在a d p 晶体中观 察到了s p d c 现象，在随后的实验研究中人们发现s p d c 产生的光子对具有高度的同时 性。自8 0 年代以来，利用角度相位匹配s p d c 技术产生纠缠光子对这一方法得到了广 泛应用。在此过程中，高频泵浦光经非线性晶体以一定的概率产生低频的纠缠光子对。 h o n g 等利用i 型切割的k d p 晶体产生s p d c 光子对，从实验上得到光子对的四阶干涉 效应，其干涉曲线可见度超过5 9 ，这一结果是经典理论无法预言的。s h i h 等人【l 首 次利用k d p 的下转换光子对作为e p r 实验的纠缠源检验b e l l 不等式，结果违背b e l l 不等式，有力地证实了非局域性的存在。s h i h 还利用b b o 晶体的i i 型s p d c 产生偏振 纠缠的光子对，并以共线匹配实现偏振纠缠对的四阶干涉和差拍干涉等实验。k w i a t 等人利用两个i 型s p d c 过程得到了偏振纠缠的光子对，开辟了产生偏振纠缠光子对 的另一途径。采用角度相位匹配s p d c 技术最为成熟，是产生纠缠光子对最为常用的 方法，但角度相位匹配时所用到的是非线性系数较小的晶体，而且输出圆锥中只有一 小部分处于纠缠态，这些都使得纠缠效率很低，光子对的亮度不够，检测和应用有很 多阻碍。 ( 2 ) 利用非线性晶体中的准相位匹配s p d c 产生 为了弥补角度相位匹配效率不高的缺点，t a n z i i i i 等利用p p l n 晶体的最大非线 性系数d ，通过准相位匹配s p d c 得到了波长为1 3 1 4 n m 的纠缠光子对，实验结果表明 采用准相位匹配进行s p d c 的效率比角度相位匹配高了4 个数量级；b a n a s z e k 等在分 段周期极化k t p 晶体波导中采用4 0 0 n m 的脉冲光作为泵浦经过s p d c 过程得到了8 0 0 n m 4 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 波段的纠缠光子对，符合计数和单光子计数之比超过了1 8 ；s h i 等人利用周期极化 k t p 晶体通过i 型准相位匹配s p d c 得到了8 0 0 h m 波段的纠缠光子对，符合计数达到 了3 2 0 0 s m ，w ：m o r i 等在光通信波段通过准相位匹配s p d c 获得了1 5 5 0 n m 的纠缠光 子对并分析了光子对特性。 ( 3 ) 利用色散位移光纤和光子晶体光纤中的f 删产生 最近几年，人们通过光纤中的f 1 】l m 得到纠缠光子对。s h a r p i n g 等在s a g n a c 干涉 仪中输入波长在色散位移光纤色散零点附近的皮秒脉冲作为泵浦光，经过自发f 删 得到了双光子束；f i o r e n ti n o 等人在此基础上对光子纠缠态进行了观测，观察到了 光子对的非经典特性，这一纠缠态适用于光纤量子通信和隐形传态网络口引。为了得到 更好的纠缠态，人们尝试在光子晶体光纤中制备纠缠光子对。s h a r p i n g 等人在光子 晶体光纤中利用7 4 9 n m 的泵浦光获得了波长分别为7 6 1 n m 和7 3 7 n m 的纠缠光子对； f u l c o n i s 等利用零色散波长为7 1 5 n m 的光子晶体管线实现了皮秒脉冲纠缠光子对， 波长分别为5 8 7 n m 和8 9 7 n m m l 。这些方法所得到的光子是时间一能量纠缠的，在偏正 上并不纠缠。t e k e s u e 等人在色散位移光纤环中配合偏振分束器等器件成功得到了光 通信波段的偏振纠缠光子对n5 | ；l i 等人利用两个偏振互相垂直的泵浦脉冲泵浦非线 性光纤s a g n a c 干涉仪也在光通信波段获得了偏振纠缠光子对，干涉条纹可见度大于 9 0 m 1 ；国内的天津大学也利用4 p s 的脉冲激光泵浦3 0 0 m 的色散位移光纤获得了光通 信窗口的纠缠光子对h 7 j 。采用色散位移光纤和光子晶体光纤为介质，得到的纠缠光子 对处于光通信波段，这对于量子通信和光通信的结合十分有利。 1 3 论文的结构安排 光子晶体光纤中超连续谱和光子纠缠对的产生可研究的问题很多，本论文主要做 了以下的工作： 1 、建立了光纤中光脉冲传播的理论模型，通过对非线性薛定谔方程的数值 求解，分别讨论了光脉冲时域与频域的传播特性。成功进行了皮秒激光 器在1 5 5 0 纳米处泵浦4 0 米光子晶体光纤获得超连续谱的实验。通过比 较数值仿真与实验结果，详细讨论了光纤中色散与多种非线性效应在超 连续谱产生中的作用。 2 、 建立了光纤参量放大的理论模型( 四波混频) ，为光纤中纠缠光子对的研 究提供了理论模型和实验参考。通过数值求解非线性耦合波方程组，分 析了光纤参量放大的增益特性、带宽特性，找出泵浦光的功率、光子晶 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 体光纤的非线性系数和色散等参数对参量放大的增益和带宽的影响。在 连续光泵浦的情况下，进行了基于光子晶体光纤的纠缠光子对产生的实 验，并对所得到的纠缠光子对进行了符合测量与结果分析。 本论文结构如下： 第一章，总结了前人在超连续光谱与纠缠光子对产生的理论及应用方面所做的研 究和主要进展，分别展示了二者作为d w d m 的多波长光源和量子通信光源的潜力。 指出了选择光子晶体光纤作为媒质的可行性及优势。 第二章，介绍了光子晶体光纤的类型，分析了光子晶体光纤导光的基本原理，光 子晶体光纤的优良特性，最后介绍了它在光通信中的潜在应用。概述了光子晶体光纤 的三个突出优点：单模传输特性、高非线性效应和可控色散特性。在此基础上，讨论 了光子晶体光纤在有源器件中的应用，同时介绍了它在各应用领域中的优势。 第三章，建立光纤中光脉冲传输理论模型，通过对非线性薛定谔方程的数值求解， 分别讨论了光脉冲时域与频域的传播特性。成功进行了皮秒激光器在1 5 5 0 纳米处泵 浦4 0 米光子晶体光纤获得超连续谱的实验。通过比较数值仿真结果与实验结果，详 细讨论了光纤中色散与多种非线性效应在超连续谱产生中的作用。 第四章，建立了光纤参量放大的四波混频理论模型，为光纤中纠缠光子对的研究 提供了理论模型和实验参考。通过数值求解非线性耦合波方程组，分析了光纤参量放 大的增益特性、带宽特性，找出泵浦光的功率、光子晶体光纤的非线性系数和色散等 参数对参量放大的增益和带宽的影响。在连续光泵浦的情况下，进行了基于光子晶体 光纤的纠缠光子对产生的实验，并对所得到的纠缠光子对进行了符合测量与结果分 析。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 参考文献 【1 】韩一石，现代光纤通信技术，科学出版社，2 0 0 5 【2 】n g i s i n ，g r i b o r d y , w t i t t e l ，a n dh z b i n d e n ， q u a n t u mc r y p t o g r a p h y , r e v m o d p h y s ，2 0 0 1 ，7 4 ，1 4 5 - 1 9 5 【3 】s k a w a n i s h i ，h t a k a r a , ku c h i y a m ae ta l ，1 4 t b i t s ( 2 0 0 g b i t x 7c h a n n e lw d m ) 5 0 k m o p t i c a lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t ，e l e c t r o n l e t t ，1 9 9 7 ，3 3 ( 2 0 ) ：1 7 1 6 - 1 7 1 7 【4 】s k a w a n i s h i ，h t a k a r a , ku c h i y a n a ，i s h a k e ，a n dkm o r i ，3t b i t s ( 1 6 0 g b i t s x l 9c h ) o t d m 肿m t r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t ，o f c 9 9 ，p a p e rp d l ， 1 9 9 9 【5 】5 t a k a r ah ，m a s u d ah ，m o r ike ta 1 ，1 2 4n i ls e a m l e s sb a n d w i d t h ，3 1 3 x 1 0 g b i t s d w d m t r a n s m i s s i o n ，i e e ee l e c t r o n l e t t ，2 0 0 3 ，3 9 ( ：3 8 2 - 3 8 3 【6 】6 a e d o mkk u b o t af ，s u p e r c o n t i n u u mg e n e n r a t i o nw i t hm o d e s p a c i n go f1 5 4g h z i n1 4 6 0 - 1 6 8 0n n lr e 酉o nf r o mo p t i c a lf i b e rb yu s i n ga c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e r l a s e r , o f c 0 3 ，p a p e rt u l l ，2 0 0 3 【7 】h t a k a r a ，t o h a r a ，k s a t o ，o v e r10 0 0k md w d mt r a n s m i s s i o n w i t h s u p e r c o n t i n u u mm u l t i c a r d e rs o u r c e ，e l e c t r o n l e t t ，2 0 0 3 ，3 9 ( 1 4 ) ：1 0 7 8 1 0 7 9 【8 】t k u r i ，t n a k a s y o t a n i ，h t 0 d ae ta 1 ，c h a r a c t e r i z a t i o n so fs u p e r c o n t i n u u ml i g h t s o u r c ef o rw d mm i l l i m e t e r - w a v e b a n dr a d i o o n - f i b e rs y s t e m s ，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 5 ，1 7 ( 6 ) ：1 2 7 4 - 1 2 7 6 【9 】1 h a r t l ，x d l i ，c c h u d o b ae ta 1 ，u l t r a h i g h - r e s o l u t i o no p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h yu s i n gc o n t i n u u mg e n e r a t i o ni na na i r s i l i c am i c r o s t r u c t u r eo p t i c a l f i b e r ，o p t l e t t ，2 0 0 1 ，2 6 ( 9 ) ：6 0 8 6 1 0 【1 0 】k b i z h e v a ，b p o v a z a y , b h e r m a n ne ta 1 ，c o m p a c t ，b r o a d - b a n d w i d t hf i b e r l a s e rf o rs u b - 3 一u ma x i a lr e s o l u t i o no p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h yi nt h e1 3 0 0 - h i 1 w a v e l e n g t hr e g i o n ，o p t l e t t ，2 0 0 3 ，2 8 ( 9 ) ：7 0 7 7 0 9 【1 1 】b p o v a z a y ，k b i z h e v a ，a u n t e r h u b e r , b h e r m a n ne ta 1 ，s u b m i c r o m e t e ra x i a l r e s o l u t i o no p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y , o p t l e t t ，2 0 0 2 ，2 7 ( 2 0 ) ：1 8 0 0 - 1 8 0 2 【1 2 】s a d i d d a m s ，d j j o n e s ，j y ee ta 1 ，d i r e c t l i n kb e t w e e nm i c r o w a v ea n d o p t i c a lf r e q u e n c i e sw i t ha3 0 0 t h zf e m t o s e c o n dl a s e rc o m b ，p h y s i c a lr e v i e w l e t t e r s ，2 0 0 0 ，8 4 ( 2 2 ) ：51 0 2 - 51 0 5 【1 3 】d j j o n e s ，s a d i d d a m s ，j k r a n k ae ta 1 ，c a r r i e re n v e l o p ep h a s ec o n t r o lo f f e m t o s e c o n dm o d e - l o c k e dl a s e r sa n dd i r e c to p t i c a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，s c i e n c e ， 2 0 0 0 ，2 8 8 ( 2 8 ) ：6 3 5 6 3 9 7 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 【1 4 】h t a k a r a ，m u l t i p l eo p t i c a lc a r d e rg e n e r a t i o nf r o mas u p e r c o n t i n u u ms o u r c e ，o p t p h o t o n n e w s ，2 0 0 2 ，1 3 ：4 8 - 5 1 【1 5 】j w n i c h o l s o n ，m ey a n ，ew i s k ，j f l e m i n ge ta 1 ，a l l f i b e r , o c t a v e s p a n n i n g s u p e r c o n t i n u u m ，o p t l e t t ，2 0 0 3 ，2 8 ( 8 ) ：6 4 3 6 4 5 【1 6 】a b r u l k o v , m yv y a t k i n ，s vp o p o ve ta 1 ，h i g hb r i g h t n e s sp i c o s e c o n d a l l - f i b e rg e n e r a t i o ni n5 2 5 - 1 8 0 0 n mr a n g ew i t hp i c o s e c o n dy bp u m p i n g ，o p t e x p r e s s ，2 0 0 5 ，1 3 ( 2 ) ：3 7 7 - 3 8 1 【1 7 】a m u s s o t ，t s y l v e s t r e ，lp r o v i n o ，a n dh m a i l l o t e ，g e n e r a t i o no fab r o a d b a n d s i n g l e m o d es u p e r c o n t i n u u mi nac o n v e n t i o n a ld i s p e r s i o n - s h i f t e df i b e rb yu s eo f as u b n a n o s e c o n dm i c r o c h i pl a s e r , o p t l e t t ，2 0 0 3 ，2 8 ( 1 9 ) ：1 8 2 0 - 1 8 2 2 【1 8 】p a c h m p e r t ，vc o u d e r c , p l e p r o u x ，e ta 1 ，w h i t e - l i g h ts u p e r c o n t i n u u m g e n e r a t i o ni nn o r m a l l yd i s p e r s i v eo p t i c a lf i b e ru s i n go r i g i n a lm u l t i - w a v e l e n g t h p u m p i n gs y s t e m ，o p t e x p r e s s ，2 0 0 4 ，1 2 ( 1 9 ) ：4 3 6 6 4 3 7 1 【1 9 】p 也h s i u n g , yc h e n ，t h k o ，e ta 1 ，o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h yu s i n ga c o n t i n o u s w a v e ，h i g h - p o w e r , r a m a nc o n t i n u u ml i g h ts o u r c e ，o p