● 摘要
光通信技术具有巨大的带宽优势，已经成为目前支撑通信信息容量飞速增长的最重要通信技术之一。随着光放大器技术和光纤色散管理技术的发展与成熟，长距离大容量的全光信号传输技术获得了长足的进步。但是仍有一些基本的限制不能依靠简单的功率补偿和色散补偿来完全克服。在目前的光纤通信系统中，我们不得不将光信号转换成电信号，然后利用电信号的再生方法处理后再转换成光信号。这种光-电-光的信号转换过程，极大得限制了整个通信系统的速率和带宽，成为信息传输链路中的“瓶颈”。为了解决这一问题，充分发挥光纤通信的极宽频带、抗电磁干扰的优点，全光通信技术要求一种全新的全光信号再生技术，能够对经长距离传输已经劣化的光信号在光域进行最大限度的修复，从而解决目前光纤通信系统中必须将光信号转换成电信号才能加以处理的问题，彻底摒弃光纤通信系统的光-电-光转换环节。本论文对先进调制格式的光信号，特别是光（差分）四相制相移键控信号的全光再生技术及其最为关键的核心器件——高非线性低损耗波导器件（有时也要求具有高双折射特性），做了深入的研究，获得了多项研究成果。在研究了国际最新的几种主要的高速全光信号再生方法的基础上，本论文提出了一种可用于（差分）四相制相移键控信号（(D)QPSK信号）的全光再生方法。论文详细论述了该再生方法的原理、再生器的架构以及再生器的实现形式，并通过数值仿真证明了该方法对于DQPSK信号再生的优良性能。为了满足全光信号再生技术中对高双折射高非线性低损耗光波导器件的需求，本论文提出了一种新颖的具有超高双折射超低限制损耗的高非线性光子晶体光纤结构设计。该设计在光纤包层圆对称性不被破坏的前提下，使用一种新颖的芯区四空气孔内包层结构来引入模式双折射所需要的非对称性，解决了传统光子晶体光纤设计中高双折射与低限制损耗无法兼得的困难。为了在高双折射高非线性光纤中实现近零的群速度色散，以进一步提高非线性的效率，本论文提出了一种新颖的单模单偏振低色散高非线性光子晶体光纤结构设计。该设计在芯区内使用大椭圆率内包层实现基模一个偏振态截止的同时，利用含有四个相对大的圆形空气孔的外包层结构对模场分布进行微调，最终在实现高非线性系数的同时，获得了低色散低损耗的超宽带单模单偏振传输特性。本论文还在具有超高非线性的集成波导器件的色散调控技术方面取得了一定的突破，提出了一种基于狭缝效应的超高非线性色散平坦微结构光纤设计。利用芯区两个横截面为长椭圆形的硅棒形成的纳米级狭缝结构对于光纤TE模场的强烈限制和包层空气孔结构对其群速度色散特性的影响，该光纤可以在提供超小模场面积和超高非线性系数的同时，实现比传统狭缝波导低一倍的群速度色散。