具有超快响应时间的光控群速度色散及其应用基础研究

Dispersion control in optical fibers enables a variety of applications ranging from ultrahigh-speed optical communication systems to nonlinear light generation. The most widespread technique for controlling chromatic dispersion in optical fibers is to modify their refractive-index distribution via changing the material composition or introducing a complex structure into their cross sections to form photonic crystal fibers. However, in previously reported technique for dispersion control, once optical fibers are fabricated, their group velocity dispersion properties will be almost fixed. Despite recent progress in this field, it has been a longstanding goal to explore flexible ways for controlling group velocity dispersion in optical fibers. Very recently, we demonstrated experimentally all-optical control of group velocity dispersion via optical Kerr effect in highly nonlinear tellurite photonic crystal fibers. It is a new technique for controlling group velocity dispersion with ultrafast response time. The all-optical control of group velocity dispersion not only offers a new platform for constructing ultrahigh speed all-optical signal processing devices but also promises a new class of experiments in nonlinear fiber optics and light-matter interactions. In this proposal, the applicant proposes to investigate all-optical control of group velocity dispersion with ultrafast response time and low power consumption by exploring the fundamental mechanism in dispersion control by light via optical Kerr effect, design and fabrication of highly nonlinear microstructured fibers, the temporal, spatial and spectral evolution processes of the pump or probe signal, and so on. Moreover, the applicant will investigate its potential application in ultrahigh speed all-optical signal processing devices, construct all-optical tunable delay lines based on dispersion control by light.

色散调控在超高速光纤通信系统和非线性光纤器件中有着重要的应用。目前，光纤中的色散调控方法主要有两种，一是改变材料组分，二是改变光纤包层结构。但是，对于上述两种方法，只要光纤被制备出来，其群速度色散就基本保持不变。因此，进一步探索更加灵活的群速度色散调控方法是非常有意义的。基于光纤中光克尔效应的光控群速度色散是申请人最近实现的一种具有飞秒量级响应时间的新型色散调控技术。该技术不仅可被用于实现具有THz带宽的超高速全光信息处理器件而且有助于非线性光学新现象的发现。本项目拟在我们前期工作的基础上，通过研究光控群速度色散中的基本物理问题，设计与制备高非线性微结构光纤，阐明光控群速度色散产生中的物理过程以及光在时域、空间、频域中的动力学演化过程，实现具有飞秒量级响应时间、低功耗的光控群速度色散，并探索其在超高速全光信息处理器件研制中的应用，最后研制出基于光控群速度色散技术的全光可调延时原理性器件。

色散调控在超高速光纤通信系统和非线性光纤器件中有着重要的应用。本项目提出研究基于光纤中光克尔效应的光控群速度色散，该新型色散调控技术具有超快响应时间，它不仅可被用于实现具有THz带宽的超高速全光信息处理器件而且有助于非线性光学新现象的发现。在本项目的资助下，我们阐明了光控群速度色散产生中的物理过程以及光在时域、空间、频域、偏振域中的动力学演化过程；设计并制备出具有大双折射系数、亚波长芯径、大数值孔径的碲酸盐、氟碲酸盐、硫化物和硒化物微结构光纤；利用氟碲酸盐微纳结构光纤作为非线性介质实现了在时域、空间域以及偏振域对群速度色散的控制；提出利用光控群速度色散变化实现时域调控光子晶体光纤的物理思想, 在实验上实现了时域调控的光子晶体光纤并观察到两种新的非线性光学现象——多孤子自频移抵消效应和孤子诱导的红移色散波开关效应；提出利用双布里渊增益峰实现全光可调延时器的想法，通过数值模拟实现了时间延迟大于100 ps、脉冲畸变较小的全光可调延时器；提出利用布里渊激光腔内时域光孤子实现全光可调延时器的想法，并在实验上观察到时域腔孤子的形成，利用布里渊激光腔内时域光孤子有望实现缓存时间为秒量级的全光可调延时器；研制出覆盖1.4 - 4 微米波段的超连续相干光源、平均功率大于10 W的中红外波段超连续光源以及梳齿间隔大范围可调孤子光频梳，该孤子光频梳将在相干光通信、精密测量、天文、激光雷达、光信息处理等领域获得重要应用；完成了本项目提出的预期目标。相关研究结果被Laser Focus World在“news breaks”栏目报道。项目资助期间，发表论文32篇，其中SCI收录32篇，国内外会议邀请报告18个；申请发明专利15项，授权发明专利6项；获2016年度吉林省自然科学奖一等奖（项目负责人排名第三）；培养博士研究生15名，硕士研究生10名，其中毕业博士研究生7名，硕士研究生5名。