题目：光子晶体光纤参量放大的研究

基于光纤非线性效应的光纤参量放大以其高增益、宽带宽、具有相敏特性、产生闲频带等显著优点在光通信领域引起了人们的关注。光纤参量放大具有很高的转换效率，且由于是基于无源光纤，转换带宽大大增加，转换过程噪声指数很小，它是一种很有技术优势、适用于未来全光传送网的全光波长转换技术。利用光纤参量放大，可以实现光通信中绝大部分全光操作，光纤参量放大在密集波分复用系统、全光网等领域将有非常广泛而重要的运用。
本文主要做了以下五个部分的工作：
第一，详尽地介绍了光波在光纤中传输的基本理论，内容涉及光纤的非线性特性、色散、四波混频原理及四波混频中相位匹配等问题。由于光纤参量放大基于光纤的三阶非线性效应，因此论文介绍了如何从麦克斯韦方程组出发，结合四波混频原理得到小信号近似条件下，信号光、泵浦光和闲频光在光纤中传输的非线性耦合方程组，这些方程组是讨论光纤参量放大的基础。
第二，介绍了一种新型光纤——光子晶体光纤。与传统单模光纤相比，它具有三大突出特点：1).在很大频率范围内支持光的单模传输；2).允许改变纤芯的有效截面积，以加强或减弱光纤中的非线性效应；3).可灵活设计光纤的色散和色散斜率，并且可灵活改变光纤的零色散波长。由于光子晶体光纤的优越特性很有利于光纤参量放大的优化，具有非常诱人的发展前景，因此近年来成为国际上研究的热点之一。
第三，根据光波在光纤中传输的非线性耦合方程组对双泵浦光纤参量放大的工作原理、特点进行了综合分析，从理论上详细地讨论了泵浦光功率、光纤非线性系数、光纤长度、光纤零色散波长、光纤的色散、两泵浦光波长的差值及两泵浦光中心波长与光纤零色散波长之间的差值等因素对光纤参量放大增益、带宽及增益谱平坦性的影响，并由讨论提出了一些改进方案。接着，在光子晶体光纤的基础上，采用龙格—昆塔算法，对光波在光纤中传输的非线性耦合方程组进行了大量、细致的数值模拟，得到了光纤末端信号光的增益谱，验证了本文在理论部分讨论的各种因素对光纤参量放大的影响，得出了这些因素对光纤参量放大影响的具体细节内容。对一些从理论中没有直接得到的影响光纤参量放大增益的因素，例如两泵浦光功率的差值等，也做出了具体的数值分析。
第四，通过数值模拟强非线性色散位移光纤和光子晶体光纤中的光纤参量放大，合理地选择泵浦光功率和光纤长度。结果表明：在泵浦光功率低于受激布里渊散射阈值的条件下，当两泵浦光功率之和与光纤长度乘积满足某一个常数时，是光纤参量放大系统中主要参数选取的重要条件，此时光纤参量放大增益谱的平坦性、平均峰值、增益带宽等参数最好；在此条件下，通过减小光纤长度而提高泵浦光功率比减小泵浦光功率而增加光纤长度得到的增益谱好；另外，若保持泵浦光功率之和不变，当两泵浦光功率的差值越小时，相同光纤长度得到的增益谱的增益平均峰值越大，带宽越宽，增益谱越平坦。
第五，根据双泵浦光纤参量放大的非线性耦合方程组，对两泵浦光进行合理的相位、振幅调制，得到了一种非常简单的限制闲频光谱展宽的方法。在此基础上，采用单模光纤中的相位匹配技术，巧妙地设计光纤的色散系数，并在光子晶体光纤中数值模拟了当两泵浦光偏振态分别为平行和垂直时的增益曲线，结果得到了带宽超过190nm，并且极为平坦的增益谱。此外，模拟发现泵浦光偏振态及光纤长度对光纤参量放大的增益峰值有较大影响，而对增益谱平坦性、增益谱中部平坦部分带宽的影响很小。
本文所采用的光子晶体光纤虽然具有许多普通光纤不能比拟的特性，但是由于它的纤芯很小，耦合起来比较困难，并且其损耗比传统单模光纤要高很多，因此基于光子晶体光纤的参量放大尚未实现实用化，还有许多工作要做。