摘要
光学怪波研究已有十多年的历史，逐渐成为物理学家们十分感兴趣的一个研究领域。光学怪波由Soli等人在研究光纤超连续谱时首次提出。光学怪波在光学平台上的实现为研究怪波的产生机制提供了便利。 目前，人们普遍认为怪波形成机制主要分两种：一种解释基于线性理论，大量具有适当相位和振幅的波在局部发生了交叉，最终形成了怪波；另一种解释从非线性角度，怪波的产生与非线性效应中的调制不稳定性密切相关。数学上通常采用非线性薛定谔方程的一组有限背景波上的孤子解来描述调制不稳定性，其中Peregrine孤子解成为了大多数学者描述怪波的数学原型。Peregrine孤子是一个在时间上和空间上都局域的单脉冲，脉冲峰值功率高，在超短脉冲产生方面具有潜在的应用。超短脉冲在光纤通信、光信息存储、光纤传感和非线性光纤光学等领域具有重要的应用价值。 本文的研究内容主要基于非线性薛定谔方程，数值研究利用Peregrine孤子产生高功率呼吸脉冲，并且讨论该脉冲的传输特性，该研究结果可为实验上利用Peregrine孤子产生高功率呼吸脉冲提供一定的理论基础。 具体内容如下： （1）介绍怪波的概念，分析它产生的原因及研究现状，对Peregrine孤子以及基于Peregrine孤子产生高功率脉冲的研究进展进行总结。 （2）从麦克斯韦方程组出发，介绍光脉冲在光纤环形腔的传输方程，介绍可饱和吸收体的原理，为下一步研究基于Peregrine孤子产生呼吸脉冲奠定理论基础，并简要说明分步傅里叶算法和数值模拟过程。 （3）基于Peregrine孤子，提出采用掺铒光纤环形腔产生高功率呼吸脉冲的方法。由于背景波的存在，Peregrine孤子不能在光纤中稳定传输。采用掺铒光纤环形腔可以消除背景波的影响，产生呼吸脉冲。掺铒光纤环形腔由单模光纤、掺铒光纤和光纤耦合器组成。通过控制环内单模光纤和掺铒光纤长度，使腔内色散达到近零色散，实现色散管理。为了获得高峰值的呼吸脉冲，选取Peregrine孤子在最大激发位置处的脉冲作为光纤环的初始输入。在光纤环的作用下，Peregrine孤子在近零色散环形腔中可以产生长距离传输的高峰值呼吸脉冲，而背景波逐渐演化成小的旁瓣脉冲。高峰值呼吸脉冲的传输特性与色散、非线性和小信号增益有关。随着非线性系数的增加，呼吸脉冲的峰值强度增加，峰值振荡频率加快，振荡幅度也增加。当非线性系数增加到一定程度，局域呼吸脉冲逐渐形成。而小信号增益越大，呼吸脉冲的峰值强度越高，但对振荡幅度和振荡频率影响较小。 （4）基于Peregrine孤子，提出采用可饱和吸收体消除背景波产生高功率呼吸脉冲的方法。可饱和吸收体的滤波特性可以用来消除Peregrine孤子的背景波。研究结果表明，通过选取适当调制深度的可饱和吸收体，由Peregrine孤子可以产生具有周期性振荡的高功率呼吸脉冲，并且该呼吸脉冲可以在光纤中长距离传输。呼吸脉冲的峰值功率由可饱和吸收体的位置和增益光纤的长度控制。呼吸脉冲具有良好的抗噪声能力。同相位情况下，相邻两个呼吸脉冲，会相互吸引，这种作用会随着初始间隔的增加而减小；异相位情况下，脉冲会相互排斥，随着初始间隔增加，脉冲会发生分裂。
NETL