周期性微結(jié)構(gòu)光子材料中光波的非線性傳輸研究.pdf

1、光子代替電子作為信息的載體是人們的一個(gè)共識(shí)，因?yàn)楣庾蛹夹g(shù)具有高傳輸速度、高密度及高容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于光子不像電子一樣易于控制，光子器件遠(yuǎn)不如電子器件成熟，致使光信息技術(shù)僅僅在信息傳輸中得到應(yīng)用，而且是最基本的信息功能。研究光波與新型光子材料的相互作用，探索利用光子材料對(duì)光子的操縱和控制，是發(fā)展新型光子器件的基礎(chǔ)，對(duì)光計(jì)算、全光通信等領(lǐng)域具有重要的理論和實(shí)際意義。周期性微結(jié)構(gòu)光子材料，如布拉格光柵、光子晶體、光學(xué)格子、超常介質(zhì)等，使

2、人們操縱和控制光子的夢(mèng)想成為可能，是發(fā)展全光器件的理想材料。本論文著重研究最近幾年發(fā)展的兩種新型的周期性微結(jié)構(gòu)光子材料即光學(xué)格子和超常介質(zhì)中光波的非線性傳輸特性，進(jìn)行了如下的工作： 第一，光學(xué)格子是指具有橫向周期性調(diào)制折射率的光學(xué)介質(zhì)。光束在非線性光學(xué)格子中傳輸時(shí)展現(xiàn)出豐富的令人感興趣的現(xiàn)象，特別是，橫向折射率的周期性調(diào)制深刻地影響空間孤子的形成和傳輸特性。我們利用變分法和數(shù)值方法研究了克爾型非線性光學(xué)格子中光束的傳輸，求出了光

3、束寬度、振幅、頻率啁啾參量隨傳播距離的演化形式，揭示了光學(xué)格子的調(diào)制周期和調(diào)制深度對(duì)光波非線性傳輸?shù)挠绊?，得到了格子孤子的形成和穩(wěn)定傳輸?shù)臈l件。發(fā)現(xiàn)光束寬度與調(diào)制周期的比值必須小于一定的值才能形成孤子的傳輸，周期性格子有類(lèi)似于非線性的良好特性，從而為更好地控制格子孤子的形成和傳輸提供了另一個(gè)自由度。 第二，損耗是所有系統(tǒng)的固有屬性，光學(xué)格子也不例外。為有效克服損耗對(duì)光學(xué)格子孤子的影響，我們借鑒色散漸變光纖中利用色散的緩變來(lái)補(bǔ)償因

4、光纖中的損耗而導(dǎo)致非線性效應(yīng)減弱的方案，首次提出通過(guò)控制光格子的調(diào)制深度和調(diào)制周期來(lái)補(bǔ)償光學(xué)格子介質(zhì)的損耗效應(yīng)，以在實(shí)際有損耗的光學(xué)格子介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的孤子傳輸。為論證該方案，利用解析和數(shù)值方法研究了空間光孤子在具有損耗的Bessel光格子中的傳輸，通過(guò)變分法得到了光束寬度、振幅和波面曲率的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)果表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦黾庸飧褡拥恼凵渎收{(diào)制深度，介質(zhì)的損耗效應(yīng)能得到精確的補(bǔ)償，從而達(dá)到穩(wěn)定的空間孤子的傳輸。 第三，超常材料通

5、常是指人工構(gòu)造的、具有自然材料所不具備的特性的材料，是當(dāng)今重大科學(xué)前沿之一。我們結(jié)合最新的超常介質(zhì)和傳統(tǒng)的非線性光學(xué)原理研究了超常介質(zhì)中光波的非線性傳輸特性。超常介質(zhì)與常規(guī)光學(xué)介質(zhì)的一個(gè)最重要的區(qū)別是前者具有色散磁導(dǎo)率。將色散磁導(dǎo)率合并到非線性極化項(xiàng)中，借鑒常規(guī)介質(zhì)中超短脈沖傳輸方程的推導(dǎo)方法，得到了非線性超常介質(zhì)中超短脈沖的傳輸方程。在Drude色散模型下，根據(jù)脈沖中心頻率的不同在傳輸方程中出現(xiàn)了可正、可負(fù)、可為零的自陡峭系數(shù)，以及高

6、階非線性色散項(xiàng)。此外，利用矩方法對(duì)得到的傳輸方程進(jìn)行分析，得到了超常介質(zhì)中超短脈沖傳輸方程的能量守恒定律表達(dá)式，揭示了色散磁導(dǎo)率導(dǎo)致的超短脈沖傳輸?shù)男绿匦?，發(fā)現(xiàn)二階非線性色散使超短脈沖的能量、脈沖頻移、脈沖寬度、中心位置和啁啾都隨傳輸距離呈現(xiàn)振蕩式變化。 第四，基于我們得到的非線性超常介質(zhì)中超短脈沖的傳輸方程，研究了完全相干和部分相干超短脈沖在超常介質(zhì)中傳輸?shù)恼{(diào)制不穩(wěn)定性，著重討論了由超常介質(zhì)中色散磁導(dǎo)率導(dǎo)致的非線性色散項(xiàng)對(duì)調(diào)制