基于高非線性光纖的多級四波混頻效應及其應用研究.pdf

1、四波混頻(FWM)是光纖中最重要的非線性效應之一，利用它可以產(chǎn)生很多新的頻率分量。因此，它在光通信系統(tǒng)中有著廣泛的應用，比如光參量放大，透明的波長轉換，光量子信息處理，光時分復用(OTDM)，全光抽樣器，全光限幅器等。我們針對高非線性光纖(HNLF)中的自相位調制(SPM)、交叉相位調制(XPM)以及FWM效應做了一系列的理論和實驗研究，并將這些效應應用于新型濾波器設計、2R再生以及全光超寬帶(UWB)產(chǎn)生和傳輸?shù)?。最重要的是，我們還發(fā)

2、現(xiàn)了HNLF中的“相位鉗位”效應，利用它實現(xiàn)了非相關光波的相位鎖定。全文內容如下：
　　 (1)研究了基于多級四波混頻(MFWM)耦合波方程的基本物理機制。從基本的簡并和非簡并FWM的耦合波方程出發(fā)，研究了耦合波方程的特點。在此基礎上，進一步研究了MFWM耦合波方程的物理機制。其次，推導出了非等距、多抽運情形下的線性相位匹配因子的計算公式。
　　 (2)研究了MWFM的競爭機制。利用耦合波方程分析了MFWM的模式競爭

3、機制，在實驗上證明了模式數(shù)和輸入光波功率的關系，并且總結了MFWM過程中各光波之間的能流規(guī)律。其次，討論了當輸入功率相等或者近似相等時，MFWM中模式C的空間穩(wěn)定性。通過引入哈密頓量(Hamiltonian)和曼麗-羅(Manley-Rowe)關系，導出了描述光波之間能量流動大小的相平面。通過分析相平面的拓撲結構，奇點類型和奇點的存在條件，研究了輸入光波和邊帶光波之間的能量流動大小。最后，通過研究哈密頓(Hamilton)系統(tǒng)中的勢能和

4、動能，進一步分析了Hamilton系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 (3)研究了基于HNLF的2R再生效應。利用耦合波方程研究了衛(wèi)星光的靜態(tài)特性，導出了描述衛(wèi)星光在光纖中演化的解析表達式。其次，模擬了描述衛(wèi)星光和信號光功率關系的特征曲線，它符合2R再生器的傳輸函數(shù)曲線特點，通過優(yōu)化輸入光波長和功率以及光纖長度，得到了理想的2R再生傳輸函數(shù)曲線。最后，研究了2R再生器的動態(tài)特性，成功地實現(xiàn)了衛(wèi)星光的再整形和再放大，不僅抑制了衛(wèi)星光的基座和頂

5、部的自發(fā)輻射(ASE)噪聲，而且還提高了品質因子(Q值)和消光比(ER)。
　　 (4)研究了基于HNLF的新型陷波濾波器。通過耦合波方程，在設定不同的參數(shù)時，得到了不同性能的陷波濾波器光譜圖。通過優(yōu)化某些參數(shù)來提高陷波濾波器的濾波能力。在實際應用中，只需將泵浦光和信號光波長間隔調小，并調節(jié)泵浦光功率的大小，以實現(xiàn)最佳的相位匹配條件，從而達到濾除某個特定光波的目的。
　　 (5)研究了基于HNLF的相位鎖定效應。本章

6、首先引入了相位鉗位效應概念，通過它實現(xiàn)了非相關光波之間的相位鎖定。在理論上，從耦合波方程導出了輸出光波相位的解析表達式，并且在忽略FWM項時，使得任意兩個光波之間的相位差恒定。其次，拓展了拍頻理論，導出了N束光波之間拍頻時的自相關跡函數(shù)和功率譜密度(PSD)函數(shù)。在實驗上，利用兩個方案，分別驗證了兩個和三個非相關光波之間的相位鎖定現(xiàn)象，并且從理論和實驗上分析了拍頻信號的穩(wěn)定性與輸入光功率和偏振態(tài)之間的關系。
　　 (6)研究了

7、基于光纖光參量放大器(FOPA)結構的UWB信號的產(chǎn)生。利用基于HNLF的光參量衰減效應和增益過飽和效應，設計出三種實現(xiàn)UWB信號產(chǎn)生的方案。其中第一個方案是利用單抽運FOPA模型，實現(xiàn)了單通道的UWB信號的產(chǎn)生。第二個方案是利用兩段HNLF而組成的基于單抽運FOPA的并聯(lián)結構，實現(xiàn)了六通道極性反轉的UWB信號的產(chǎn)生。第三個方案是利用雙抽運的FOPA結構實現(xiàn)了雙通道的UWB信號產(chǎn)生。
　　 (7)研究了UWB-over-fib