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微结构光纤(Microstructuredfiber),又称光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber,PCF),作为一种二维光子晶体,在对光的操控能力方面有着传统光纤无可比拟的优势,因此自诞生以来,就一直吸引着人们的注意力。其可设计的光纤结构使得微结构光纤在非线性效应方面有着独特的特点,尤其是受激布里渊散射和受激拉曼散射。不同的微结构包层对这两种非线性效应的影响很大,与传统光纤相比,会出现一些全新的现象；通过设计光纤结构可以使非线性效应得到抑制或者增强,大大扩展了微结构光纤中这两种非线性效应的应用领域。
本论文的选题来源于国家973项目“基于微结构光纤的新型功能器件、异质兼容结构与光电子集成”(2010CB327605),天津市自然科学基金重点项目“新型多功能集成光子晶体光纤Raman放大器”(06YFJZJC00300)和国家自然科学基金项目“基于光子带隙光纤的可调谐光电子器件”(50802044),以微结构光纤中的受激布里渊散射和受激拉曼散射效应作为研究重点,进行了相关的理论和实验研究。完成的主要研究工作和创新点如下:
1.研究了几种常见的微结构光纤中受激布里渊散射的理论计算方法,并应用一种简单有效的分析方法计算了两种折射率引导型微结构光纤中声波模式的分布情况,进而计算出了相应的布里渊增益谱。
2.搭建了一套基于泵浦探测技术的测量光纤中布里渊散射谱的全光纤实验装置。利用此装置测量了上述两种微结构光纤的布里渊散射特性,并和理论计算结果进行了比较。
3.利用上述理论和实验分析方法分析了一段全固光子带隙型微结构光纤。对于纤芯中的布里渊散射特性,我们分别通过实验测量和理论计算进行了验证,两者吻合较好。并对该光纤包层高折射率柱阵列的布里渊增益特性进行了分析和讨论。
4.在对一段70m色散平坦高非线性光子晶体光纤中受激布里渊散射效应进行深入实验研究的基础上,开展了其在光速减慢和多波长光纤激光器中的应用研究。在小信号布里渊增益为33dB时,实现了30ns的信号延迟,其延迟效率是普通单模光纤的13.7倍。同样利用此光纤,我们成功搭建了一个环形腔布里渊掺铒多波长光纤激光器,并实现了在11nm波长范围内可调谐的5波长激光输出。
5.实验研究了微结构光纤作为增益介质的拉曼光纤放大器。在对不同泵浦方式的放大器进行实验研究和深入分析的基础上,发现前向泵浦和后向泵浦的光子晶体光纤拉曼放大器具有增益谱错位互补特性。基于此特性,提出并成功实现了不用增益平坦滤波器的高性能、增益平坦的双程光子晶体光纤拉曼放大器。利用国产光子晶体光纤,研制出净增益大于20dB,增益带宽大于30nm的高性能光子晶体光纤喇曼放大器实验样机,与相同泵浦条件下的单程光纤放大器相比,增益和增益平坦性能都有很大程度的提高。