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基于光子晶体光纤参量放大与波长变换的研究

张岚  
【摘要】: 近年来,基于光纤强非线性效应的光纤光学参量放大器(FOPA)在光通信领域引起了人们的关注。FOPA的工作原理是基于光纤中高效率的四波混频(FWM)效应,具有低噪声、超宽的增益带宽、以及放大波长灵活可调等优点。此外,连续可调的参量增益也可用于波长转换,在光波分复用(WDM)系统中具有重要应用。FOPA以传统光纤为参量增益介质时,增益带宽往往很窄,而且只存在于反常色散区。相对传统的光纤,光子晶体光纤(PCF)具有更高的非线性、超平坦的色散值和灵活可调的零色散波长。因此,基于PCF的FOPA将使增益不断增加,带宽不断扩大;相应地,使波长转换范围和转换效率不断增加。而且,PCF也打破了传统光纤的局限,即无论泵浦波长在正常色散区或反常色散区,这两个区域都可以实现很宽的增益带宽。同时,利用更短的PCF作为增益介质,不仅降低了放大器的信号损耗,而且抑制了SRS的影响。 文主要围绕光子晶体光纤光学参量放大器以及波长转换技术展开研究,主要内容如下: 第一章,总结了人们在光纤参量放大与波长变换理论及应用方面所做的研究和取得的主要进展,展示了其作为高增益宽带宽全光放大器和光网络中波长变换器的潜力。指出了选择光子晶体光纤作为放大媒质的可行性及优势。 第二章,介绍了光子晶体光纤的类型、导光的基本原理,及其一些优良特性,最后分析了它在光通信中的潜在应用。概述了光子晶体光纤的三个突出优点:单模传输特性、高非线性效应和可控色散特性。在此基础上,讨论了光子晶体光纤在有源器件中的应用,同时介绍了它在各应用领域中的优势。 第三章,从光参量过程原理入手,简要介绍了光纤参量放大与波长变换原理。建立理论模型,通过对其非线性耦合波方程求解,分析了光纤参量放大器的增益特性、相敏特性、带宽特性、以及波长变换器的转换效率和转换带宽等。找出影响其性能的关键参数。由分析可知,要想实现单泵浦光纤光参量放大器的高增益和宽带宽,需要高功率泵浦、高非线性系数、短光纤长度、泵浦波长接近零色散波长,和低色散斜率。 第四章,分析了参量过程具体实现中的关键技术,根据分析结果搭建实验系统,在固定泵浦光波长的情况下,进行了基于光子晶体光纤的参量放大器和波长变换的实验。研究结果表明,采用40m长的色散平坦光子晶体光纤可以实现参量放大和波长转换。泵浦光波长为1552nm,进入耦合器前的功率为22dBm时,信号光增益3dB,波长变换的最大转换效率约为-26dB,转换带宽28nm。


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