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高非线性光纤中受激布里渊散射的抑制和光参量放大
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高非线性光纤中受激布里渊散射的抑制和光参量放大
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基于高非线性光纤的四波混频效应及其应用研究
【摘要】：
光纤参量放大器(FOPAs)是基于三阶极化率χ( 3)的非线性效应而制成的光器件,它需要一个或二个泵浦光作为泵浦源,泵浦波长位于零色散波长附近,并且还要使得相位匹配条件得以满足。它的优点主要是宽带宽,高增益,能工作于任意波长,产生闲频带(利于波长转换),高速光信号处理等。本文主要从光参量放大器的参量增益、增益饱和、光参量增益谱的改善以及非简并光参量放大中简并四波混频的抑制等问题进行深入的理论和实验研究,具体内容如下:
(1)研究了光纤放大器的基本理论。从Maxwell方程组出发,推导出了描述光纤参量放大中光波演变情况的非线性薛定谔方程。
(2)研究了光参量增益系数。从小信号理论模型中,得出参量增益系数的表达式,并分别从单泵浦和双泵浦两方面讨论了参量增益系数的最大值和增益带宽,得到的结论是:增益系数的最大值和增益带宽与输入的泵浦光以及信号光波长和它们的功率相关。
(3)研究了光参量放大器的饱和增益特性。本文主要通过用有限差分法解非线性薛定谔方程来研究双泵浦光参量放大的饱和增益特性,得出的结论是:相同条件下,双泵浦光参量放大的饱和增益要比单泵浦的大,并且饱和增益随泵浦光功率的增大而增大,随输入信号光功率的增大而减小。
(4)研究了非简并光参量放大中简并四波混频的抑制问题。由于非简并光参量放大中,两个高功率泵浦源之间会发生四波混频效应,从而削弱了信号光放大的能力。因此,本文就这一问题进行了理论上的研究,得出的结论是:通过选取合适的泵浦光波长,可以完全抑制简并四波混频效应。
(5)研究了信号光的增益谱。本文首先分析了在高非线性光纤后面加上一段色散补偿光纤来改善信号光的增益谱,并且从非线性薛定谔方程组出发,得出输出信号光的解析表达式。在此基础上,本文又进一步分析了利用周期性级联色散补偿光纤的方法来改善信号光增益谱,最后发现这种新型光纤参量放大器可以用作梳状滤波器。
(6)进行了基于光纤参量放大器的宽带可调波长转换的实验研究。将信号波长固定在光纤零色散波长附近,将强信号光作为泵浦源,当连续可调激光器的波长往长波方向调节时,新生成的闲频光波长就可连续地往短波方向调节。
【学位授予单位】：华中科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2007【分类号】：TN25
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非线性光纤光学（第五版）
本书是光学、光子学和光纤通信领域的重要译著，主要内容包括脉冲在光纤中的传输、群速度色散、自相位调制、光孤子、偏振效应、交叉相位调制、受激喇曼散射、受激布里渊散射、、高非线性光纤、新型非线性现象、超连续谱产生等内容，科学归纳为非线性光纤光学，侧重于基本概念和原理，也涉及了一些应用。[1]
非线性光纤光学（第五版）图书内容
光纤是20世纪的重大发明之一，其导光性能臻于完美，很难想象还会有更好的替代者。本书是光学、光子学和光纤通信领域的重要译著，主要内容包括脉冲在光纤中的传输、群速度色散、自相位调制、光孤子、偏振效应、交叉相位调制、受激喇曼散射、受激布里渊散射、、高非线性光纤、新型非线性现象、超连续谱产生等内容，科学归纳为非线性光纤光学，侧重于基本概念和原理，也涉及了一些应用。[1]
非线性光纤光学（第五版）目录
第1章 导论
1.1 历史的回顾
1.2 光纤的基本特性
1.2.1 材料和制造
1.2.2 光纤损耗
1.2.3 色度色散
1.2.4 偏振模色散
1.3 光纤非线性
1.3.1 非线性折射
1.3.2 受激非弹性散射
1.3.3 非线性效应的重要性
第2章 脉冲在光纤中的传输
2.1 麦克斯韦方程组
2.2 光纤模式
2.2.1 本征值方程
2.2.2 单模条件
2.2.3 基模特性
2.3 脉冲传输方程
2.3.1 非线性脉冲传输
2.3.2 高阶非线性效应[1]
2.3.3 喇曼响应函数及其作用
2.3.4 延伸到多模光纤
2.4 数值方法
2.4.1 分步傅里叶法
2.4.2 有限差分法
第3章 群速度色散
3.1 不同的传输区
3.2 色散感应的脉冲展宽
3.2.1 高斯脉冲
3.2.2 啁啾高斯脉冲
3.2.3 双曲正割脉冲
3.2.4 超高斯脉冲
3.2.5 实验结果
3.3 三阶色散
3.3.1 啁啾高斯脉冲的演化
3.3.2 展宽因子
3.3.3 任意形状脉冲
3.3.4 超短脉冲测量
3.4 色散管理
3.4.1 群速度色散引起的限制
3.4.2 色散补偿
3.4.3 三阶色散补偿
第4章 自相位调制
4.1 自相位调制感应频谱变化
4.1.1 非线性相移
4.1.2 脉冲频谱的变化
4.1.3 脉冲形状和初始啁啾的影响
4.1.4 部分相干效应
4.2 群速度色散的影响
4.2.1 脉冲演化
4.2.2 展宽因子
4.2.3 光波分裂
4.2.4 实验结果
4.2.5 三阶色散效应
4.2.6 光纤放大器中的自相位调制效应
4.3 半解析方法
4.3.1 矩方法
4.3.2 变分法
4.3.3 具体解析解
4.4 高阶非线性效应
4.4.1 自变陡效应
4.4.2 群速度色散对光波冲击的影响
4.4.3 脉冲内喇曼散射
第5章 光孤子
5.1 调制不稳定性
5.1.1 线性稳定性分析
5.1.2 增益谱
5.1.3 实验结果
5.1.4 超短脉冲产生
5.1.5 调制不稳定性对光波系统的影响
5.2 光孤子
5.2.1 逆散射法
5.2.2 基阶孤子
5.2.3 二阶和高阶孤子
5.2.4 实验验证
5.2.5 孤子稳定性
5.3 其他类型的孤子
5.3.1 暗孤子
5.3.2 双稳孤子[1]
5.3.3 色散管理孤子
5.3.4 光相似子
5.4 孤子微扰
5.4.1 微扰法
5.4.2 光纤损耗
5.4.3 孤子放大
5.4.4 孤子互作用
5.5 高阶效应
5.5.1 脉冲参量的矩方程
5.5.2 三阶色散
5.5.3 自变陡效应
5.5.4 脉冲内喇曼散射
5.5.5 飞秒脉冲的传输
第6章 偏振效应
6.1 非线性双折射
6.1.1 非线性双折射的起源
6.1.2 耦合模方程
6.1.3 椭圆双折射光纤
6.2 非线性相移
6.2.1 无色散交叉相位调制
6.2.2 光克尔效应
6.2.3 脉冲整形
6.3 偏振态的演化
6.3.1 解析解[1]
6.3.2 邦加球表示法
6.3.3 偏振不稳定性
6.3.4 偏振混沌
6.4 矢量调制不稳定性
6.4.1 低双折射光纤
6.4.2 高双折射光纤
6.4.3 各向同性光纤
6.4.4 实验结果[1]
6.5 双折射和孤子
6.5.1 低双折射光纤
6.5.2 高双折射光纤
6.5.3 孤子牵引逻辑门
6.5.4 矢量孤子
6.6 随机双折射
6.6.1 偏振模色散
6.6.2 非线性薛定谔方程的矢量形式[1]
6.6.3 偏振模色散对孤子的影响
第7章 交叉相位调制
7.1 交叉相位调制感应的非线性耦合
7.1.1 非线性折射率
7.1.2 耦合非线性薛定谔方程
7.2 交叉相位调制感应的调制不稳定性
7.2.1 线性稳定性分析
7.2.2 实验结果
7.3 交叉相位调制配对孤子
7.3.1 亮-暗孤子对
7.3.2 亮-灰孤子对
7.3.3 周期解
7.3.4 多耦合非线性薛定谔方程
7.4 频域和时域效应
7.4.1 非对称频谱展宽
7.4.2 非对称时域变化
7.4.3 高阶非线性效应
7.5 交叉相位调制的应用
7.5.1 交叉相位调制感应的脉冲压缩[1]
7.5.2 交叉相位调制感应的光开关
7.5.3 交叉相位调制感应的非互易性
7.6 偏振效应
7.6.1 交叉相位调制的矢量理论
7.6.2 偏振演化
7.6.3 偏振相关频谱展宽
7.6.4 脉冲捕获和压缩
7.6.5 交叉相位调制感应光波分裂
7.7 双折射光纤中的交叉相位调制效应
7.7.1 低双折射光纤
7.7.2 高双折射光纤
第8章 受激喇曼散射
8.1 基本概念
8.1.1 喇曼增益谱
8.1.2 喇曼阈值
8.1.3 耦合振幅方程
8.1.4 四波混频效应[1]
8.2 准连续受激喇曼散射
8.2.1 单通喇曼产生
8.2.2 光纤喇曼激光器
8.2.3 光纤喇曼放大器
8.2.4 喇曼串扰
8.3 短泵浦脉冲的受激喇曼散射
8.3.1 脉冲传输方程
8.3.2 无色散情形
8.3.3 群速度色散效应
8.3.4 喇曼感应折射率变化
8.3.5 实验结果
8.3.6 同步泵浦光纤喇曼激光器
8.3.7 短脉冲喇曼放大
8.4 孤子效应
8.4.1 喇曼孤子
8.4.2 光纤喇曼孤子激光器[1]
8.4.3 孤子效应脉冲压缩
8.5 偏振效应
8.5.1 喇曼放大的矢量理论
8.5.2 偏振模色散效应对喇曼放大的影响
第9章 受激布里渊散射
9.1 基本概念
9.1.1 受激布里渊散射的物理过程
9.1.2 布里渊增益谱
9.2 准连续受激布里渊散射
9.2.1 布里渊阈值
9.2.2 偏振效应
9.2.3 控制受激布里渊散射阈值的方法
9.2.4 实验结果
9.3 光纤布里渊放大器
9.3.1 增益饱和
9.3.2 放大器设计和应用
9.4 受激布里渊散射动力学[1]
9.4.1 耦合振幅方程
9.4.2 利用Q开关脉冲的受激布里渊散射
9.4.3 受激布里渊散射感应的折射率变化
9.4.4 弛豫振荡
9.4.5 调制不稳定性和混沌
9.5 光纤布里渊激光器
9.5.1 连续运转方式
9.5.2 脉冲运转方式
第10章 四波混频
10.1 四波混频的起源
10.2 四波混频理论
10.2.1 耦合振幅方程
10.2.2 耦合振幅方程的近似解
10.2.3 相位匹配效应
10.2.4 超快四波混频过程
10.3 相位匹配技术[1]
10.3.1 物理机制
10.3.2 多模光纤中的相位匹配
10.3.3 单模光纤中的相位匹配
10.3.4 双折射光纤中的相位匹配
10.4 参量放大
10.4.1 早期工作的回顾
10.4.2 光纤参量放大器的增益谱和带宽
10.4.3 单泵浦结构
10.4.4 双泵浦结构
10.4.5 泵浦消耗效应
10.5 偏振效应
10.5.1 四波混频的矢量理论[1]
10.5.2 参量增益的偏振相关性
10.5.3 线偏振和圆偏振泵浦
10.5.4 残余光纤双折射效应
10.6 四波混频的应用
10.6.1 参量振荡器
10.6.2 超快信号处理
10.6.3 量子关联和噪声压缩
10.6.4 相敏放大
第11章 高非线性光纤
11.1 非线性参量
11.1.1 n2的单位和数值
11.1.2 自相位调制法
11.1.3 交叉相位调制法
11.1.4 四波混频法
11.1.5 n2值的变化
11.2 石英包层光纤[1]
11.3 空气包层锥形光纤
11.4 微结构光纤
11.4.1 设计和制造
11.4.2 模式和色散特性
11.4.3 空芯光子晶体光纤
11.4.4 布拉格光纤
11.5 非石英光纤
11.5.1 硅酸铅光纤
11.5.2 硫化物光纤
11.5.3 氧化铋光纤
11.6 脉冲在细芯光纤中的传输[1]
11.6.1 矢量理论
11.6.2 频率相关的模式分布
第12章 新型非线性现象
12.1 孤子分裂和色散波
12.1.1 二阶和高阶孤子的分裂
12.1.2 色散波产生
12.2 脉冲内喇曼散射
12.2.1 通过孤子分裂增强的喇曼感应频移
12.2.2 互相关技术
12.2.3 通过喇曼感应频移调谐波长
12.2.4 双折射效应
12.2.5 喇曼感应频移的抑制
12.2.6 零色散波长附近的孤子动力学
12.2.7 多峰喇曼孤子
12.3 四波混频
12.3.1 四阶色散的作用
12.3.2 光纤双折射的作用
12.3.3 参量放大器和波长变换器
12.3.4 可调谐光纤参量振荡器
12.4 二次谐波产生
12.4.1 物理机制
12.4.2 热极化和准相位匹配[1]
12.4.3 二次谐波产生理论
12.5 三次谐波产生
12.5.1 高非线性光纤中的三次谐波产生
12.5.2 群速度失配效应
12.5.3 光纤双折射效应
第13章 超连续谱产生
13.1 皮秒脉冲泵浦
13.1.1 非线性机制
13.1.2 2000年后的实验进展
13.2 飞秒脉冲泵浦
13.2.1 微结构石英光纤
13.2.2 微结构非石英光纤
13.3 时域和频域演化
13.3.1 超连续谱的数值模拟
13.3.2 交叉相位调制的作用
13.3.3 交叉相位调制感应的捕获
13.3.4 四波混频的作用
13.4 连续（CW）或准连续（quasi-CW）光泵浦
13.4.1 非线性机制
13.4.2 实验进展
13.5 偏振效应
13.5.1 双折射微结构光纤
13.5.2 近各向同性光纤
13.5.3 各向同性光纤中的非线性偏振旋转
13.6 超连续谱的相干性
13.6.1 频域相干度
13.6.2 改善相干性的技术
13.6.3 频谱非相干孤子
13.7 光畸形波
13.7.1 脉冲间起伏的L形统计
13.7.2 控制畸形波统计的技术
13.7.3 再论调制不稳定性
附录A 单位制
附录B 非线性薛定谔方程的源代码
附录C 缩写词
中英文术语对照表[1]
．-[引用日期]
清除历史记录关闭高非线性光纤(hnlf
High nonlinear optical fiber (HNLF).
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