基于正常色散平坦高非线性石英光纤的平坦光频率梳研究

发布时间：2020-10-08 16:43

　　光学频率梳(Optical Frequency Comb,OFC))由于其广泛的应用场景已经成为众多研究人员的研究目标。高功率锁模光脉冲输入高非线性光纤可以产生较宽的光频率梳,产生光谱宽度在很大程度上取决于光纤的色散特性和非线性效应。高功率输入光脉冲位于光纤近零色散波长(Zero Dispersion Wavelength,ZDW)的反常色散区域时可以形成孤子,通过高阶孤子的分裂极大地扩展了光频梳带宽,其相干性有一定的劣化。高功率输入光脉冲位于光纤正常色散区域时,通过自相位调制(Self-phase Modulation,SPM)和光波分裂(Optical Wave-breaking,OWB)效应,光脉冲的时域脉冲宽度和频域频谱均会展宽,并保持良好的相干性。本文主要针对正常色散平坦高非线性石英光纤的优化设计和1550nm波段可调谐高重复频率、宽带平坦光频率梳的产生展开了深入的研究,具体内容如下:(1)对光脉冲在正常色散区和反常色散区的脉冲演化和频谱展宽原理分别进行阐述。运用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程,对光脉冲在高非线性石英光纤的较大正常色散、近零正常色散和近零反常色散三个区域的超连续谱产生进行MATLAB仿真,通过比较三种情况下生成的超连续谱特性,确定近零正常色散区为主要研究范围。(2)对基于多包层光纤结构的近零正常色散平坦高非线性石英光纤进行了优化设计。基于耦合模理论和有限元法,使用COMSOL和MATLAB进行仿真,探究多包层光纤结构中的各个参数对光纤色散、非线性系数等参数的影响,并进行了理论分析和讨论。为宽带平坦光频率梳的产生提供具有理想色散和非线性参数的高非线性光纤。(3)对基于电光调制器和近零正常色散平坦高非线性石英光纤用于宽带平坦光频率梳产生进行了深入研究。分析了脉冲演化过程中光波分裂对光频率梳性能的影响。通过MATLAB仿真,探究了光脉冲传输过程中脉冲峰值功率、脉冲宽度、光纤传输长度、脉冲初始啁啾等参数对宽带平坦光频率梳特性的影响,并进行了理论分析和讨论。(4)对提升光频率梳的展宽带宽和平坦度性能的改进方案进行了研究,通过不同的光纤组合设计实现啁啾脉冲压缩,提高脉冲峰值功率,从而实现光频率梳频谱展宽带宽和平坦度的提升。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

谱线,光频,时频,对应关系

图２－１逦光频梳时频对应关系图ｆ５４】逡逑Ｆｉｇ２－１邋Ｔｉｍｅ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｃｏｍｂ１５４】逡逑图２－１中上半部分表示光频梳的时域图，梳状由一串超短的光脉冲表示，７；表逡逑示光脉冲之间的时间延迟。Ａｐ是载波和包络间的相位差，产生相位差的原因在于逡逑相速度与群速度不一致。通过傅里叶变换将时域和频域联系起来。下半部分为光逡逑频梳的频域图，表现为一系列的谱线，谱线间的间隔为人。＿／0是光频梳的偏置频逡逑率。时域参量７；、Ａｐ和频域参量NB、／。间的数量关系由图上所示的公式表示，NB逡逑的数学表达式如下：逡逑／0＝＾ｆｒ逦（２－４８）逡逑２ｎＴｒ逡逑用于超连续谱展宽的高非线性光纤有正常色散１５５，５６］和反常色散高非线性光纤逡逑［５７］。利用非线性传输方程（包含高阶色散、高阶非线性、损耗等）可以对基于正逡逑常色散和反常色散高非线性光纤的光频率梳的时域和频域演化特性进行仿真研逡逑究。近零正常色散平坦高非线性光纤己被用于产生超连续谱和光频梳的各种场合。逡逑需要特别指出，近零正常色散（／？２＞０）可以在一定程度上抑制调制不稳定性的发逡逑生，提高非线性的效率，提高光频率梳的相干性并一定程度改善光频率梳的平坦逡逑度。光脉冲在反常色散区（／？２＜０）传输时，会发生调制不稳定性，降低超连续谱逡逑相干性

正常色散区,光频,脉冲传输,脉冲光源

光频梳产生的理论基础逡逑１．０６＾／１＾邋＝邋１．０６７＾＾＾逦（２－５９）逡逑图２－２所示是高功率的脉冲光源处于高非线性光纤正常色散区时通过仿真所逡逑得的时域和频域演化图。仿真中的脉冲光源采用双曲正割脉冲，其数学表达式为逡逑Ｚｓ＾ｓｅｃＫｒ／Ｔ；），ｈ为ｌｐｓ，入射泵浦光中心波长为１５５０邋ｎｍ，脉冲的峰值功逡逑率＝邋３０邋Ｗ，光纤色散在中心波长附近有较大的正常色散，色散值在１５５０邋ｎｍ处逡逑为－３．４２／ｗ７＾ｗ．？ｗ，光纤传输距离为１００邋ｍ，光纤的损耗为《邋＝逦光逡逑纤非线性系数７邋＝逦。逡逑图２－２邋ａ）中左图为脉冲传输１００邋ｍ的时域演化图，右图为脉冲传输１００邋ｍ后逡逑的时域脉冲波形包络图，此时脉冲边沿具有振荡结构，这是光波分裂发生的典型逡逑时域表现。图２－２邋ｂ）中左图为脉冲传输１００邋ｍ的频域演化图，右图为脉冲传输１００逡逑ｍ后的频谱包络图

波形,零色散,光频

逦光频梳产生的理论基础逡逑图２＿３所示是对高功率的脉冲光源处于高非线性光纤正常近零色散区时通过逡逑模拟仿真所得的时域和频域演化图。仿真采用双曲正割脉冲曲线，％为１邋ｐｓ，泵逡逑浦光中心波长为１５５０邋ｎｍ，脉冲峰值功率八＝３０邋Ｗ，光纤色散在中心波长附近为逡逑正常近零色散区，色散值在１５５０邋ｎｍ处为－０．２２／ｗ７Ａｗ．ｗｎ，光纤传输距离为１００逡逑１１１，光纤的损耗为0；邋＝邋０．８＜＾５／如７，光纤非线性系数／邋＝邋１０『１／＾？２。逡逑图２－３邋ａ）为脉冲传输１００邋ｍ的时域演化图和最终输出的脉冲时域包络波形，逡逑图２－３邋ｂ）为脉冲传输１００邋ｍ的频域演化图和最终输出的频谱包络图。由图２－３邋ａ）逡逑可以看到，时域脉冲边沿没有图２－２邋ａ）中的振荡结构，即没有发生光波分裂。由图逡逑２－３邋ｂ）可以看到，展宽后的光谱宽度较宽，但光谱的平坦度与图２－２邋ｂ）相比，平坦逡逑度欠佳。通过对比图２－２和图２－３可知

【参考文献】