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空间光孤子在非局域介质中的传输与控制

杜艳伟  
【摘要】:空间光孤子是由于衍射与非线性效应达到平衡引起的在传输过程中波形不变的光束。由于具有许多类似于粒子的性质,空间光孤子在全光信息处理以及全光路由等方面存在着潜在应用。非局域空间光孤子由于众多奇异的性质,成为近年来孤子领域中备受关注的研究热点之一。与局域介质不同,非局域介质中每一点的非线性折射率响应不仅与该点位置处的光强有关,而且与该点附近区域内的所有点的光强有关。非局域介质展现出许多有利于空间光孤子形成、稳定以及传输的特性。因而与局域空间孤子相比,非局域空间光孤子在孤子控制上具有更高的灵活性。本论文主要探讨新的非局域空间光孤子的传输动力学行为及其用作光控手段的可行性。 基于描述竞争非局域自聚焦和自散焦Kerr介质的唯象模型,详细研究了具有不同非局域长度的竞争非局域Kerr介质中基本孤子以及偶极孤子的特点。研究发现两非线性分量的非局域长度失配不仅影响偶极孤子的存在及稳定性质,并且有可能导致同相位孤子之间的相互作用由相互吸引变为相互排斥。存在一种具有同相位极的复合孤子,可以作为这种相互作用转变的临界状态。 基于Mihalache模型,利用数值方法研究了竞争非局域C-Q介质中暗型孤子(暗孤子和暗型亮孤子)的传输特性。研究发现非局域效应强烈的影响暗型孤子的波形,最大速度和稳定性质,并且允许稳定的高阶孤子束缚态的形成。暗型孤子的稳定性严格遵循稳定性法则。在一定参数范围内,非局域效应可能导致暗型孤子存在区间的大幅衰减或者对暗型孤子产生明显的失稳作用。研究还发现束缚态的碰撞可以展现出丰富的景象。 鉴于非局域热非线性介质仅能稳定阶数不超过二的高阶表面孤子的特点,提出并分析了稳定高阶表面孤子的三种可行方式:向量耦合稳定方式,线性折射率斜面稳定方式以及缺陷稳定方式。在合适的参数范围内,三种方式均能达到对任意阶表面孤子的稳定。 研究了具有弱非局域性的无偏压中心对称光折变晶体格子孤子的特性,并且考虑了缺陷对孤子性质的影响。研究发现,在均匀光学格子中,孤子仅能存在于布洛赫带的有限宽带隙之中,并且仅能存在于一定的非线性饱和系数范围之内。而缺陷能够大幅度的影响孤子的存在和稳定性质:不论是正缺陷还是负缺陷,只要是从缺陷模处激发,孤子会表现出增强的稳定性,并且存在性不再受饱和系数的限制。反过来,当从带隙边缘激发时,缺陷对孤子表现出强烈的失稳作用,同时孤子的存在区间大幅缩减。 研究了内嵌于自散焦非局域Kerr介质中具有大尺度低折射率缺陷的光学格子中畴孤子以及复合畴孤子的特性,并分析了格子用作布拉格耦合器的特点。研究表明:非局域效应对畴孤子的存在区间影响较弱,但能大幅度的改变复合畴孤子的存在区间。在局域介质中稳定的高阶畴孤子,在非局域介质中有可能变的非常不稳定。相应的布拉格耦合器具有多模的特点,除了能够获得全光交换功能,还能够得到良好的基于非局域控制的光交换性质。 探讨了基于非局域孤子相互作用形成的X结及耦合器对弱信号光的调控作用。研究结果显示反相位亮孤子以及暗孤子能够制作较为理想的非局域孤子X结。非局域效应会对孤子X结的分光性能产生重大影响:对于亮孤子情况,非局域效应导致信号光透射能力的提高;对于暗孤子情况,非局域效应导致信号光透射能力的降低,但降低程度与非局域长度不是单调关系。提出利用适当选择信号光波长来大幅增加X结的分光调控区间。另外,两个平行传播的反相位亮孤子能够形成可控的非局域孤子光耦合器。


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