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手性光纤中脉冲传输特性的理论研究

Demissie Jobir Gelmecha  
【摘要】:目前,网络在我们的日常生活中起着重要的作用。事实上,大部分网络可被视为光网络,因为它是被光纤通讯所支持的,随着人们对信息的需求的激增,光纤通讯得到了快速发展。尽管对单芯光纤来讲,其容量已经达到100 Tb/s的惊人程度,但仍然需要在信息传输容量方面对这个极限的突破,以及克服器件对快速信息分配和控制的瓶颈。事实上,由于采用了新型的材料、新型的结构以及新型的机制一场革命正在发生。我们的工作恰恰迎合了该发展趋势。我们基于一些奇特的材料,探究新型的光纤以及其衍生器件的特性试图做出我们的贡献。由于手性材料对于相反圆偏振光(即左或右圆偏振)响应的不同,由此种介质构成的光纤会具有一些新颖的线性和非线性性质。我们将手性光纤和它的衍生器件作为研究课题,希望它对探究手性在剪裁脉冲传输特性里的独特作用具有意义。本论文的主要内容安排如下:在第一章回顾和总结了光纤通讯和光网络的发展趋势。介绍了一些与手性相关的概念,给出了不同类型手性的分类,即介电手性和结构手性,并区分了相应的材料。通过本构关系给出了手性材料的电磁性质一般描述。强调了研究光纤及其衍生器件特别是手性的光纤及器件的重要意义。第二章研究了自相位调制下在单一非线性手性光纤中脉冲的传输及其应用。从麦克斯韦方程和Post的本构关系出发,推导了一个适合于单一圆偏成分的普适的手性非线性薛定谔方程,该方程主控着光通过一个色散的非线性光纤的传输,其中手性通过衰减和非线性在脉冲(如光孤子)的演化过程中起了独特作用。基于分步光束传播方法的模拟结果揭示了手性在脉冲演化过程中的作用。也讨论了非线性光学旋转的应用。第三章处理的是当带有相反圆偏(即左圆偏振或右圆偏振)成分的单一脉冲在一根手性光纤里传播的情况。通过如第二章类似的步骤,我们推导出了普适的耦合的手性非线性薛定谔方程,该方程决定着同时存在左和右圆偏振成分脉冲的演化。仿真结果揭示了手性配合群速色散和非线性在形成稳定孤子过程中的独特作用。我们也研究了非线性手性光纤的调制不稳定性,分析了调制不稳定性增益谱对左右圆偏振成分的差异。最后,第四章研究了非线性手性光纤耦合器的独特行为。首先我们建立了普适的对于耦合器的耦合的非线性薛定谔方程,其主制着耦合器中来自两个不同波导的不同成分间的相互作用,该方程组包含了若干耦合机制,它们分别来自于自相位调制、交叉相位调制和手性。使用Runge-Kutta方法,探究了耦合器中低功率连续波的线性行为以及高功率连续波的非线性开关特性,展示了手性在调节耦合器不同成分行为方面的有趣作用。我们发现手性在设计这类的光纤器件方面可提供一个附加的自由度,这一点在设计可用于在光纤通讯和传感方面的此类器件方面会有重要的应用。


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