光子晶体光纤受激布里渊散射快光理论及相关技术

Controlling the group velocity of light (slow and fast light technology) via stimulated Brillouin scattering (SBS) in optical fibers has attracted much interest in recent years for its potential applications in optical communications, quantum telecommuniations and microwave photonics. "Superluminal" or even negative group velocity propagation can be easily achieved in photonic crystal fibers due to its flexible structure, and novel phenomenon, such as Guided acoustic wave scattring or SBS induced transparency (SBSIT) are observed. This project will investigate the fast light physical mechanism and strong interactions between optical wave and acoustic wave under the condition of strong confinement via stimulated Brillouin scattering in photonic crystal fiber both in theory of nonlinear fiber optics and experiments, simulate the acoustic wave modes, their distribution and pump pulse scattering, explore the influence of the structure and material of photonic crystal fiber on Brillouin absorption and gain, index near absorption or gain center, fast light bandwidth and time advancement, demonstrate the impact of pump power and pulse shapes on fast light time advancement and gain bandwith, study the response of out circumstance, such as temperature and strain on fast light frequency shift, evaluate the thermostability of fast light, explore optical buffering based on slow and fast light technology. The research results will enrich the theory of nonlinear fiber optics, and also will provide theoretical basis for high capacity optical buffering, all optical route and optical information processing technologies.

由于在光通信、量子通信和微波光子学中潜在的应用，近年来对光纤中由受激布里渊散射调控光脉冲群速度（快慢光技术）的研究引起学者们的极大兴趣。光子晶体光纤结构的灵活设计可使光纤内受激散射更容易实现脉冲“超光速”传输，也可产生声波导散射或散射诱导透明等新现象。本项目基于非线性光纤光学的基本理论和实验研究光子晶体光纤受激布里渊散射产生快光的物理机理，及强限制作用下声波的产生及光波与声波的相互作用，计算分析声波模式的分布特点及对泵浦光的散射；探讨光子晶体光纤结构和材料对布里渊吸收谱频率和强弱、谱中心附近折射率的变化及产生快光带宽和时间提前量的影响规律；研究泵浦光功率和脉冲形状对快光提前量和带宽的影响；考察快光频移对外界环境(如温度、应力等)的响应及快光的热稳定性，实现基于快慢光的光缓存技术。研究成果将丰富非线性光纤光学理论，也将为高速大容量光缓存、全光路由及光信号处理等技术提供理论支持。

光纤中调控光速技术是实现全光路由和新的光传感潜在技术，受激布里渊散射是在光纤中实现快慢光的最现实的技术。本课题讨论了光纤中受激布里渊散射快光形成机理和实现方法，研究了光纤受激布里渊散射快光对外界环境的响应及新型传感器的设计。完成了计划任务书中规定的预期目标，研究结果为继续研究和器件设计提供参考，培养了研究生，凝聚了课题组，为进一步研究奠定了基础。.本课题取得的主要研究成果：.①研究了电致伸缩产生声波的机理及声波分布特点，建立了声波、泵浦波和斯托克斯波的三波方程组，利用有限元法研究了光纤横向声波与光纤结构的关系，分析了小芯径光子晶体光纤强限制作用下，光波与声波的强相互作用和声波导布里渊散射快光的行为和特点；.② 研究了光子晶体光纤空气孔的直径、节距和填充介质的折射率对增益或吸收峰的大小、中心频率和带宽等的影响规律，分析了空气孔尺寸、节距、排列和填充物对受激布里渊散射阈值、增益饱和和布里渊频移的影响，获得了光纤结构参数和光学参数对“超光速”斯托克斯波脉冲群速度和脉冲展宽的影响规律；.③ 开展了多线泵浦在布里渊吸收谱和增益谱中实现超光速传输的研究，有效扩展快光带宽和实用范围；分析了单色泵浦叠加的宽带布里渊快光；研究对比了高斯谱矩形谱宽带泵浦光受激布里渊散射快光特性，矩形谱宽带泵浦光的脉冲形变程度更小。.④ 研究了掺杂对光纤布里渊散射快光频移的影响，设计了新型传感器件；研究了前向受激布里渊散射在小芯光子晶体光纤中的快光效应。结果表明脉冲时间提前量和脉冲展宽因子可以通过改变初始脉冲宽度、泵浦脉冲功率和传输距离来调整。这对设计光通信或光学传感的快速光器件具有理论指导意义。.⑤ 开展了对少模光纤中的受激布里渊散射快慢光的特性研究；研究了少模光纤中各模式对下的布里渊慢光特性及泵浦功率、光纤有效长度等对各模式下的时间延迟量的影响，研究了光纤中掺杂浓度对少模光纤中各模式的布里渊慢光特性的影响。