基于光子晶体光纤的克尔腔孤子的动力学特性与应用研究

本项目拟从理论和实验两方面研究克尔腔孤子在各种基于光子晶体光纤的耗散腔中演化的动力学过程，发现其中的新现象、新机制，并探索其在光信息处理等领域应用。基本思想是利用光子晶体光纤独特的传导机制、结构和传输特性，实现对克尔腔孤子的特性以及产生、传输、相互作用等动力学演化过程的调控。本项目主要研究内容有：1）建立分析克尔腔孤子在各种光子晶体光纤腔结构中演化的动力学模型；2）通过结构设计和拉锥等方式设计光子晶体光纤的色散，实现对腔孤子演化特性的调控；3）研究多芯光子带隙光纤和写制光纤光栅的光子带隙光纤中非线性模式耦合特性，在此基础上研究离散腔孤子在其中的演化过程；4）探索利用液晶组装光子带隙光纤实现对腔孤子的动态调控；5）研究高双折射光子晶体光纤中矢量克尔腔孤子的产生条件和特性。

光纤谐振腔中的时域克尔腔孤子是通过平衡脉冲光在谐振腔内的增益、损耗、色散和非线性效应所形成的局域化耗散结构，具有深刻的物理内涵和丰富的动力学特性，在全光信息存储和处理以及光学混沌等领域的研究中展现出重要的科学意义和应用价值。光子晶体光纤将微结构引入光纤中，实现对光的局域化和传导特性的调控，对光子晶体光纤的结构和模式谐振机制更加深入的研究，对于新型光纤光子器件的研究，探索其在腔孤子中的应用具有重要意义。本项目的研究工作主要包括：.1、开发了Lugiato-Lefever方程的数值模拟程序。程序共包括三个模块:（1）均匀静态解（HSS）计算模块；（2）基于Newton-Raphson算法的静态解求解模块；（3）基于分步傅里叶变换方法的动力学过程演化分析模块。该程序能够模拟谐振腔中多稳态解及其静态和动态演化过程。.2、理论分析了无源光纤环形腔中，腔孤子的演化和调控机制，提出了一种利用腔孤子实现全光信息存储和处理的方法。数值模拟发现通过引入适当的相位调制能够实现光纤腔中静态连续解和腔孤子之间的转换，实现腔孤子的写入和擦除。通过引入正弦相位调制使孤子被捕获在正弦峰值区域，可实现腔内孤子位置的锁定。数值模拟显示将腔孤子的写入、擦除和位置锁定技术相结合，可实现信息全光存储及处理。同时还发现三阶色散会造成孤子相对移动并在时域上形成不对称的振荡结构。.3、对光子晶体光纤进行了理论设计和实验研究，掌握并优化了光子晶体光纤拉锥、选择性填充、光纤光栅写制等技术，提出并实现了多种光子晶体光纤干涉仪结构，实现了对光纤中模式耦合和传导特性的动态调控。.4、搭建了基于光纤环形腔的腔孤子实验系统，通过引用基于PZT的负反馈系统，实现对腔内失谐量的动态调控和锁定。通过调节泵浦功率和相位失调，在光纤谐振腔中实现了调制不稳、腔孤子的产生和擦除。.本项目的研究工作对于新型光纤通信传感器件的研制、非线性光学调控及混沌动力学过程的研究具有潜在的科学意义和应用价值。