高非线性光子晶体光纤优化设计及其孤子自频移的研究

发布时间：2017-03-20 00:13

  本文关键词：高非线性光子晶体光纤优化设计及其孤子自频移的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高非线性光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)具有传统光纤不具备的特殊性能,是由于波长量级周期性或准周期性的空气孔分布在包层区域中。PCF在光通信、光电子器件、非线性光学等领域有非常好的应用,是一种性能极佳的光电器件材料。由于折射率导光PCF结构灵活,使得控制光纤的色散特性成为了可能。通过合理调整折射率导光PCF的结构,可以得到宽带色散平坦化的PCF。这种PCF在光学参量放大和超连续谱产生方面应用非常广泛,较高的非线性特性在研制非线性光纤器件方面已发挥重要作用,因此高非线性色散平坦PCF有很高的应用价值和很广阔的发展空间。本论文对高非线性色散PCF的特性、PCF数值分析方法和基于PCF拉曼孤子自频移(Raman soliton self-frequency shift, RSSFS)的应用进行了研究。对比分析了PCF的光学特性,总结出优化设计高非线性PCF结构的方法,并设计了两种新型的高非线性宽带色散平坦的PCF (highly nonlinear-broadband dispersion flattened-PCF, HN-BDF-PCF);推导了广义非线性薛定谔方程(Generalize Nonlinear Schrodinger Equation, GNLSE),并研究超短脉冲在高非线性光纤中传播的特性,针对亚波长尺寸产生的非线性对GNLSE进行了修正,深入研究了高非线性PCF孤子自频移现象。主要创新研究和成果如下：(1)对传统的、基于规则六边形空气孔分布PCF的结构和性能进行理论分析,仿真研究了PCF性能与其结构参数的关联,从而找到优化设计HN-BDF-PCF的方法。用此方法设计了一种HN-BDF-PCF,仿真分析了这种HN-BDF-PCF的非线性系数、有效模场面积、色散特性；经进一步优化结构,设计了另一种改进的HN-BDF-PCF,并仿真分析了其性能。通过比对这两种HN-BDF-PCF的结构参数和性能,总结出HN-BDF-PCF胜能与结构参数之间的关联。(2)为准确地描述超短脉冲在高非线性光纤中的传输,详细地推导了GNLSE,并考虑了PCF中由光场增强机制引起的电磁场矢量特性、强色散对脉冲谱内非线性的作用、矢量模轮廓随频率复杂的变化情况,以及模场分布随频率的变化和横向场分布对频率的敏感性,对呈现的非线性新现象进行分析。推导了修正的GNLSE,相比于GNLSE,修订后的非线性薛定谔方程(Revised-Nonlinear Schrodinger Equation, R-NLSE)增加了PCF亚波长尺寸产生的非线性项,同时将自变陡效应、拉曼效应考虑在内。在某些频率范围内,PCF亚波长尺寸产生的非线性将对某些非线性效应产生一定程度的抑制与促进。(3)为了更好地分析HN-BDF-PCF中的非线性效应,使用分布傅里叶法(split-step fourier method, SSFM)求解R-NLSE,使整个运行速度有一定的提升。采用SSFM进行数值模拟,研究了飞秒光脉冲在HN-BDF-PCF中的传输和超连续谱产生,分析了高阶色散和非线性效应对超连续谱形状和带宽的影响。仿真结果表明：在HN-BDF-PCF中产生了RSSFS现象,同时脉冲内拉曼散射和自相位调制的联合作用导致了超连续谱中精细结构的出现。(4)分析了RSSFS的机理,讨论了脉冲参数和光纤长度对RSSFS范围的影响。通过仿真实现了亚皮秒脉冲在HN- BDF-PCF和改进型HN-BDF-PCF中传输的RSSFS,并分别分析、对比了其脉冲传输参数和光纤长度对RSSFS范围和输出脉冲的影响,从而得出选择自频移光纤的合理建议。仿真研究发现：不同峰值功率和脉宽的光脉冲在不同传输距离的情况下,PCF亚波长尺寸产生的非线性对RSSFS具有一定抑制作用。
【关键词】：光子晶体光纤 拉曼孤子自频移 高非线性 色散 宽带
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 研究目的和意义12-13
• 1.2 PCF及其非线性特性13-20
• 1.2.1 PCF及其分类13-15
• 1.2.2 PCF特性15-20
• 1.3 高非线性PCF的研究现状20-22
• 1.4 基于PCF的孤子自频移研究现状22-23
• 1.5 研究内容及结构安排23-24
• 参考文献24-32
• 第二章 PCF分析方法32-44
• 2.1 PCF数值研究方法32-35
• 2.2 有限元法分析PCF特性35-39
• 2.3 本章小结39
• 参考文献39-44
• 第三章 高非线性宽带色散平坦的PCF研究44-68
• 3.1 基于规则六边形空气孔分布的PCF44-49
• 3.2 PCF性能与其结构参数的关联49-53
• 3.2.1 色散特性49-50
• 3.2.2 非线性特性50-52
• 3.2.3 品质因子52-53
• 3.3 一种新型HN-BDF-PCF设计及其性能分析53-58
• 3.3.1 新型HN-BDF-PCF的基本结构53-54
• 3.3.2 非线性系数54-55
• 3.3.3 有效模场面积55-56
• 3.3.4 色散性能56-58
• 3.4 一种改进型的HN-BDF-PCF设计及其性能分析58-63
• 3.4.1 改进型HN-BDF-PCF的基本结构58-59
• 3.4.2 非线性系数59-60
• 3.4.3 有效模场面积60-62
• 3.4.4 色散性能62-63
• 3.5 所设计的两种PCF性能比较63-64
• 3.6 本章小结64
• 参考文献64-68
• 第四章 PCF中超短脉冲的非线性薛定谔方程修订68-88
• 4.1 广义非线性薛定谔方程68-71
• 4.2 非线性薛定谔方程的修订71-80
• 4.3 非线性薛定谔方程的分步傅立叶解法80-83
• 4.4 本章小结83-84
• 参考文献84-88
• 第五章 基于HN-BDF-PCF的RSSFS研究88-116
• 5.1 RSSFS概述88-89
• 5.2 新型HN-BDF-PCF中的RSSFS89-105
• 5.2.1 基于一种HN-BDF-PCF(F1)的RSSFS89-97
• 5.2.2 基于改进的HN-BDF-PCF(F2)的RSSFS97-104
• 5.2.3 F1和F2中的RSSFS性能比较104-105
• 5.3 PCF亚波长尺寸产生的非线性对RSSFS影响105-112
• 5.3.1 光纤结构及其光学参数106
• 5.3.2 RSSFS的研究106-112
• 5.4 本章小结112
• 参考文献112-116
• 第六章 总结116-118
• 6.1 论文研究工作及成果116-117
• 6.2 论文不足及下一步计划117-118
• 附录 缩略语118-120
• 致谢120-122
• 攻读博士学位期间承担的科研项目与主要成果122
• 攻读博士学位期间承担的科研项目122
• 攻读博士学位期间发表的学位论文122

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本文编号：256843