基于光子晶體光纖的拉曼放大器及光學(xué)參量放大器的理論研究.pdf

1、近二十年來,隨著高速率、大容量、超長距光通信技術(shù)的迅速發(fā)展,實際應(yīng)用對光纖性能提出了越來越高的要求.對于傳統(tǒng)光纖,由于纖芯與包層的折射率差變動很小,導(dǎo)波模式很難大幅度改變以滿足不同色散和場強(qiáng)分布光纖的要求.近年來,人們對光子晶體光纖(PCF,又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖)的研究不斷深入,是因為其呈現(xiàn)了多樣化的衰減、色散和非線性等光學(xué)特性.光子晶體光纖靈活的包層微結(jié)構(gòu)使其相對于傳統(tǒng)光纖具有許多獨特而有益的光學(xué)特性,如超寬波長范圍內(nèi)的單模傳輸、

2、高度可控的色散和模場有效面積等特性,這些特性提供了一種新型的光傳輸介質(zhì),也為光通信領(lǐng)域的設(shè)計和應(yīng)用帶來了全新的觀念.目前,各種新型的、基于PCF的光通信器件正在大量設(shè)計和開發(fā).其中色散可控的高非線性PCF的研究是熱點之一,其應(yīng)用主要包括光纖拉曼放大器(FRA)、光纖光學(xué)參量放大器(FOPA)、寬帶可調(diào)諧波長轉(zhuǎn)換、超短脈沖壓縮、非線性信號的產(chǎn)生和整形、以及光學(xué)信號的再生等領(lǐng)域.基于受激拉曼散射(SRS)效應(yīng)的光纖拉曼放大器在合理配置多泵浦

3、結(jié)構(gòu)的情況下,具有低噪聲、在線放大、超寬的平坦增益、以及放大波長靈活可調(diào)等優(yōu)點.相對于傳統(tǒng)光纖,PCF可實現(xiàn)很高的拉曼增益效率,而且PCF具有靈活可調(diào)的高負(fù)色散,以其組成的色散管理光纖(DMF)拉曼放大器不僅可以實現(xiàn)信號放大,還可同時進(jìn)行在線光纖的色散補(bǔ)償.因此,PCF在提升FRA性能方面具有重要的作用. 由于光子晶體光纖的衰減系數(shù)和瑞利后向散射系數(shù)還較高,如何優(yōu)化設(shè)計和選擇PCF的微結(jié)構(gòu)尺寸以及摻鍺濃度,以最大限度的發(fā)揮FRA

4、的性能,是目前研究的難點之一.光纖光學(xué)參量放大器的工作原理是基于光纖中高效率的四波混頻(FWM)效應(yīng).類似于FRA,FOPA具有低噪聲、超寬的增益帶寬、以及放大波長靈活可調(diào)等優(yōu)點.另外,連續(xù)可調(diào)的參量增益也可用于波長轉(zhuǎn)換、光纖激光器以及光纖振蕩器中.以傳統(tǒng)光纖為參量增益介質(zhì)時,增益帶寬往往很窄,而且只存在于反常色散區(qū).相對傳統(tǒng)的光纖,光子晶體光纖具有更高的非線性、超平坦的色散值和靈活可調(diào)的零色散波長.因此,基于PCF的光纖光學(xué)參量放大器

5、將使增益不斷增加,帶寬不斷擴(kuò)大；相應(yīng)地,使波長轉(zhuǎn)換范圍和轉(zhuǎn)換效率不斷增加. 而且,PCF也打破了傳統(tǒng)光纖的局限,即無論泵浦波長在正常色散區(qū)或反常色散區(qū),這兩個區(qū)域都可以實現(xiàn)很寬的增益帶寬.同時,利用更短的PCF作為增益介質(zhì),不僅降低了放大器的信號損耗,而且抑制了SRS的影響.隨著其制造技術(shù)的不斷提高,光子晶體光纖必將成為光纖光學(xué)參量放大器合適的增益介質(zhì).本文主要圍繞光子晶體光纖拉曼放大器、光子晶體光纖光學(xué)參量放大器以及波長轉(zhuǎn)換技

6、術(shù)展開研究,主要內(nèi)容如下: 1. 提出并分析了多泵浦光纖拉曼放大器中,泵浦、信號及噪聲間受激拉曼散射交互作用的理論模型；并結(jié)合增益加權(quán)對數(shù)和的方法用以設(shè)計寬帶多泵浦拉曼放大器,以正確評估信號雙重瑞利后向散射噪聲和放大自發(fā)輻射噪聲對放大器的不同影響.2. 研究了光子晶體光纖幾何尺寸和摻鍺濃度對拉曼增益系數(shù)、光纖衰減系數(shù)、及瑞利后向散射系數(shù)的影響；分析了拉曼凈增益、信號雙重瑞利后向散射光信噪比、以及放大自發(fā)輻射光信噪比對拉曼放大器的

7、綜合影響,并對光子晶體光纖拉曼放大器的性能在不同幾何尺寸與摻鍺濃度情況下進(jìn)行了數(shù)值仿真；提出為了獲得最佳放大性能,應(yīng)對光子晶體光纖的幾何尺寸和摻鍺濃度做折中選擇. 3. 比較了光子晶體光纖拉曼放大器與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉曼放大器的凈增益、信號雙重瑞利后向散射光信噪比、以及放大自發(fā)輻射光信噪比:并給出了仿真比較結(jié)果.4. 提出了光子晶體光纖和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖組合的色散管理光纖拉曼放大器的概念；分析了光子晶體光纖在色散管理光纖拉曼放大器中的

8、優(yōu)勢和不足,并進(jìn)行了數(shù)值仿真. 5. 對單泵浦光子晶體光纖光學(xué)參量放大器進(jìn)行了理論分析； 分別給出了泵浦在反常色散區(qū)和正常色散區(qū)時FOPA的帶寬、增益、以及波長轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式,并進(jìn)行了數(shù)值仿真；仿真比較了單泵浦光子晶體光纖和色散移位光纖FOPA性能.6. 對雙泵浦光子晶體光纖FOPA進(jìn)行了理論分析:給出了設(shè)計雙泵浦FOPA一定帶寬下平坦增益的計算公式,并給出了設(shè)計實例； 分析了泵浦能量和光纖長度對平坦增益

9、譜的影響；仿真比較了雙泵浦光子晶體光纖和色散移位光纖FOPA的性能.7. 分析了受激拉曼散射對光纖光學(xué)參量放大器的影響；提出在保持增益和增益帶寬不變時,光子晶體光纖高的非線性系數(shù)和超低的色散斜率可以降低入纖泵浦功率和減少光纖作用長度,以抑制受激拉曼散射對其的影響；并分別給出了抑制受激拉曼散射的單泵浦和雙泵浦光子晶體光纖FOPA實例. 8. 運用泵浦波長的變化分析了零色散波長的隨機(jī)波動對FOPA增益和帶寬的影響；仿真比較了光子晶