基于空芯光子晶体光纤的光脉冲压缩和基座抑制研究

Study on pulse compression in fibers is one of researches in optical communications. In this project, pulse compression and pedestal suppression in the hollow-core photonic crystal fibers (HC-PCFs) are explored analytically. At first, with the designs of the cladding's periodic microstructure and the choices of the air holes' size of HC-PCFs, such properties as the propagating mode, photonic bandgap effect, dispersion, nonlinearity and birefringence are analysed, and a model for pulse compression in HC-PCFs is established. Then, via the bilinear method, Bell polynomial method and auxiliary function method, the analytic solutions for the model are obtained. Moreover, the compression mechanism of the model in HC-PCFs is discussed, and the compression ratio and the quality factor are obtained. The finite element method is used to check the correctness of the conclusions numerically, and the stability of the compressed pulse is analysed. Finally, the optimum fiber length for pulse compression is calculated, and research on pedestal suppression for the compressed pulse is done with the fiber couplers through the modulation of the power coupling ratio and relative phase shift.

基于光纤的光脉冲压缩研究是光通信领域的研究方向之一。本项目致力于利用空芯光子晶体光纤（HC-PCFs）解析研究光脉冲压缩和基座抑制。首先，通过设计HC-PCFs的包层结构和纤芯大孔形状, 理论分析HC-PCFs的传输模式、带隙结构、色散、非线性和双折射等特性，建立基于HC-PCFs的光脉冲压缩模型。其次，利用符号计算中的双线性方法、Bell多项式法和辅助函数法对所建模型进行解析计算，得到其解析解。再次，解析分析基于HC-PCFs的光脉冲压缩机制，计算该光脉冲压缩技术的压缩因子和品质因子。利用有限元法数值分析所得结论的正确性，并对压缩光脉冲进行稳定性分析。最后，计算光脉冲压缩所需的最佳光纤长度，选择耦合器的功率耦合比和相对相移，利用耦合器进行压缩光脉冲的基座抑制研究。

由于超短光脉冲是高速光通信系统的基础信号源，因此获得成本低、脉冲形状好、峰值功率高的超短光脉冲对于光通信传输技术的发展具有重要意义。同时超短光脉冲在非光通信领域，如光学传感、光学测量和生物医学成像等领域中也有广泛的应用。本项目致力于利用空芯光子晶体光纤（HC-PCFs）解析研究光脉冲压缩和基座抑制。首先，通过设计HC-PCFs的包层结构和纤芯大孔形状, 理论分析了HC-PCFs 的传输模式、带隙结构、色散、非线性和双折射等特性，建立了基于HC-PCFs 的光脉冲压缩模型——HNLS模型，实现了中心波长在1550 nm 的飞秒光脉冲压缩，并得到了较高的峰值功率。其次，利用符号计算中的双线性方法、Bell 多项式法和辅助函数法对所建模型进行解析计算，得到了其解析解，并解析分析了基于HC-PCFs 的光脉冲压缩机制。利用有限元法数值分析了所得结论的正确性，并对HNLS 模型添加微扰，将解析计算与数值计算相结合，分析了压缩光脉冲的稳定性，研究了获得稳定的压缩光脉冲的条件。在光脉冲传输过程中，如果压缩光脉冲存在基座，光脉冲之间会发生相互作用，影响通信质量。本项目还计算了光脉冲压缩所需的最佳光纤长度，并选择耦合器的功率耦合比和相对相移，利用耦合器进行了压缩光脉冲的基座抑制研究，得到了高峰值功率的压缩光脉冲。在研究中发现，我们发现要将光脉冲压缩至极限带宽，除了设计HCPCFs的色散和非线性等特性外，还与入射到HCPCFS的光脉冲的特性有关。因此研究具有高信噪比、定时抖动低、光谱宽和非线性弱的种子源也很重要。通过本项目的研究，我们还可以利用HCPCFs产生倍频程超连续光谱，通过对光脉冲的载波包络相移的控制产生光学频率梳。由于光学频率梳具有超稳的频率参考特性及极高的精密程度，使得它在光谱测量、天文学观测等方面有广泛的应用，能直接实现微波频率和光波频率的连接，极大提高时间计量。基于本项目，研究具有高功率、高稳定性种子源，以及利用光子晶体光纤产生超连续，最终得到高精度掺铒光学频率梳将是我们未来的研究重点所在。