本文關(guān)鍵詞：高非線性光子晶體光纖優(yōu)化設(shè)計(jì)及其孤子自頻移的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：高非線性光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF)具有傳統(tǒng)光纖不具備的特殊性能,是由于波長量級周期性或準(zhǔn)周期性的空氣孔分布在包層區(qū)域中。PCF在光通信、光電子器件、非線性光學(xué)等領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用,是一種性能極佳的光電器件材料。由于折射率導(dǎo)光PCF結(jié)構(gòu)靈活,使得控制光纖的色散特性成為了可能。通過合理調(diào)整折射率導(dǎo)光PCF的結(jié)構(gòu),可以得到寬帶色散平坦化的PCF。這種PCF在光學(xué)參量放大和超連續(xù)譜產(chǎn)生方面應(yīng)用非常廣泛,較高的非線性特性在研制非線性光纖器件方面已發(fā)揮重要作用,因此高非線性色散平坦PCF有很高的應(yīng)用價(jià)值和很廣闊的發(fā)展空間。本論文對高非線性色散PCF的特性、PCF數(shù)值分析方法和基于PCF拉曼孤子自頻移(Raman soliton self-frequency shift, RSSFS)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。對比分析了PCF的光學(xué)特性,總結(jié)出優(yōu)化設(shè)計(jì)高非線性PCF結(jié)構(gòu)的方法,并設(shè)計(jì)了兩種新型的高非線性寬帶色散平坦的PCF (highly nonlinear-broadband dispersion flattened-PCF, HN-BDF-PCF);推導(dǎo)了廣義非線性薛定諤方程(Generalize Nonlinear Schrodinger Equation, GNLSE),并研究超短脈沖在高非線性光纖中傳播的特性,針對亞波長尺寸產(chǎn)生的非線性對GNLSE進(jìn)行了修正,深入研究了高非線性PCF孤子自頻移現(xiàn)象。主要?jiǎng)?chuàng)新研究和成果如下：(1)對傳統(tǒng)的、基于規(guī)則六邊形空氣孔分布PCF的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行理論分析,仿真研究了PCF性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)聯(lián),從而找到優(yōu)化設(shè)計(jì)HN-BDF-PCF的方法。用此方法設(shè)計(jì)了一種HN-BDF-PCF,仿真分析了這種HN-BDF-PCF的非線性系數(shù)、有效模場面積、色散特性；經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了另一種改進(jìn)的HN-BDF-PCF,并仿真分析了其性能。通過比對這兩種HN-BDF-PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能,總結(jié)出HN-BDF-PCF勝能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。(2)為準(zhǔn)確地描述超短脈沖在高非線性光纖中的傳輸,詳細(xì)地推導(dǎo)了GNLSE,并考慮了PCF中由光場增強(qiáng)機(jī)制引起的電磁場矢量特性、強(qiáng)色散對脈沖譜內(nèi)非線性的作用、矢量模輪廓隨頻率復(fù)雜的變化情況,以及模場分布隨頻率的變化和橫向場分布對頻率的敏感性,對呈現(xiàn)的非線性新現(xiàn)象進(jìn)行分析。推導(dǎo)了修正的GNLSE,相比于GNLSE,修訂后的非線性薛定諤方程(Revised-Nonlinear Schrodinger Equation, R-NLSE)增加了PCF亞波長尺寸產(chǎn)生的非線性項(xiàng),同時(shí)將自變陡效應(yīng)、拉曼效應(yīng)考慮在內(nèi)。在某些頻率范圍內(nèi),PCF亞波長尺寸產(chǎn)生的非線性將對某些非線性效應(yīng)產(chǎn)生一定程度的抑制與促進(jìn)。(3)為了更好地分析HN-BDF-PCF中的非線性效應(yīng),使用分布傅里葉法(split-step fourier method, SSFM)求解R-NLSE,使整個(gè)運(yùn)行速度有一定的提升。采用SSFM進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了飛秒光脈沖在HN-BDF-PCF中的傳輸和超連續(xù)譜產(chǎn)生,分析了高階色散和非線性效應(yīng)對超連續(xù)譜形狀和帶寬的影響。仿真結(jié)果表明：在HN-BDF-PCF中產(chǎn)生了RSSFS現(xiàn)象,同時(shí)脈沖內(nèi)拉曼散射和自相位調(diào)制的聯(lián)合作用導(dǎo)致了超連續(xù)譜中精細(xì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。(4)分析了RSSFS的機(jī)理,討論了脈沖參數(shù)和光纖長度對RSSFS范圍的影響。通過仿真實(shí)現(xiàn)了亞皮秒脈沖在HN- BDF-PCF和改進(jìn)型HN-BDF-PCF中傳輸?shù)腞SSFS,并分別分析、對比了其脈沖傳輸參數(shù)和光纖長度對RSSFS范圍和輸出脈沖的影響,從而得出選擇自頻移光纖的合理建議。仿真研究發(fā)現(xiàn)：不同峰值功率和脈寬的光脈沖在不同傳輸距離的情況下,PCF亞波長尺寸產(chǎn)生的非線性對RSSFS具有一定抑制作用。
【關(guān)鍵詞】：光子晶體光纖 拉曼孤子自頻移 高非線性 色散 寬帶
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN253
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-32
• 1.1 研究目的和意義12-13
• 1.2 PCF及其非線性特性13-20
• 1.2.1 PCF及其分類13-15
• 1.2.2 PCF特性15-20
• 1.3 高非線性PCF的研究現(xiàn)狀20-22
• 1.4 基于PCF的孤子自頻移研究現(xiàn)狀22-23
• 1.5 研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排23-24
• 參考文獻(xiàn)24-32
• 第二章 PCF分析方法32-44
• 2.1 PCF數(shù)值研究方法32-35
• 2.2 有限元法分析PCF特性35-39
• 2.3 本章小結(jié)39
• 參考文獻(xiàn)39-44
• 第三章 高非線性寬帶色散平坦的PCF研究44-68
• 3.1 基于規(guī)則六邊形空氣孔分布的PCF44-49
• 3.2 PCF性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)聯(lián)49-53
• 3.2.1 色散特性49-50
• 3.2.2 非線性特性50-52
• 3.2.3 品質(zhì)因子52-53
• 3.3 一種新型HN-BDF-PCF設(shè)計(jì)及其性能分析53-58
• 3.3.1 新型HN-BDF-PCF的基本結(jié)構(gòu)53-54
• 3.3.2 非線性系數(shù)54-55
• 3.3.3 有效模場面積55-56
• 3.3.4 色散性能56-58
• 3.4 一種改進(jìn)型的HN-BDF-PCF設(shè)計(jì)及其性能分析58-63
• 3.4.1 改進(jìn)型HN-BDF-PCF的基本結(jié)構(gòu)58-59
• 3.4.2 非線性系數(shù)59-60
• 3.4.3 有效模場面積60-62
• 3.4.4 色散性能62-63
• 3.5 所設(shè)計(jì)的兩種PCF性能比較63-64
• 3.6 本章小結(jié)64
• 參考文獻(xiàn)64-68
• 第四章 PCF中超短脈沖的非線性薛定諤方程修訂68-88
• 4.1 廣義非線性薛定諤方程68-71
• 4.2 非線性薛定諤方程的修訂71-80
• 4.3 非線性薛定諤方程的分步傅立葉解法80-83
• 4.4 本章小結(jié)83-84
• 參考文獻(xiàn)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 基于一種HN-BDF-PCF(F1)的RSSFS89-97
• 5.2.2 基于改進(jìn)的HN-BDF-PCF(F2)的RSSFS97-104
• 5.2.3 F1和F2中的RSSFS性能比較104-105
• 5.3 PCF亞波長尺寸產(chǎn)生的非線性對RSSFS影響105-112
• 5.3.1 光纖結(jié)構(gòu)及其光學(xué)參數(shù)106
• 5.3.2 RSSFS的研究106-112
• 5.4 本章小結(jié)112
• 參考文獻(xiàn)112-116
• 第六章 總結(jié)116-118
• 6.1 論文研究工作及成果116-117
• 6.2 論文不足及下一步計(jì)劃117-118
• 附錄 縮略語118-120
• 致謝120-122
• 攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)的科研項(xiàng)目與主要成果122
• 攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)的科研項(xiàng)目122
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)位論文122

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本文編號：256843