基于光子晶体光纤的时间透镜成像系统特性及应用研究

The main objective of this project is by utilizing the space-time duality of lights and applying the principles of spatial Fourier optics to the time domain, to design optical devices and imaging systems in temporal domain to realize a series of operations such as the conversion of light between temporal and frequency domain, compression and enlarging of optical pulse. Such an approach can provide new ideas and insights for detecting the transient optical signals, designing high speed modulators, and implementing other optical devices. We mainly focus on realizing time lens by mixing a signal pulse and a pump pulse to produce four-wave mixing (FWM) effect in highly nonlinear photonic crystal fiber and achieving a series of transformations of optical pulses by a temporal imaging system consisting of the time lens and two segments of dispersion fiber, which are placed on both sides of the lens. The research contents include 1) to design HNL-PCF for the application of time lens; 2) to investigate the variation laws of the optical signals in the real time lens imaging system, including the influence of the input power and the high order dispersion of the system, and eventually to obtain an empirical formula that can describe properly the behaviors of the actual imaging system; 3) to study how to optimize the time width of the pump pulse in order to improve effectively the resolution of the imaging system; 4) to design a Fourier transformer and apply it to the dispersion compensation in high speed optical fiber transmission line; 5) to design high speed multiplexing and de-multiplexing devices to realize free switching between TDM/ WDM in optical network.

本课题的主要目的是: 基于光的时空二重性，将空间付里叶光学类比到时间域，设计时间域光器件及成像系统，实现光信号时-频域转换、脉冲压缩与拉伸等各种变化，从而为瞬态光信号的检测，高速调制器的实现，以及其它光器件的设计提供新的思路。主要研究信号光与泵浦光在高非线性光子晶体光纤（HNL-PCF）中发生四波混频（FWM）效应来实现时间透镜，并由前后两段色散光纤与时间透镜共同构成时间透镜成像系统来实现对信号光的一系列变换。研究内容包括：（1）设计适用于时间透镜的HNL-PCF。（2）探索光信号在实际成像系统中的变化规律，包括系统输入功率、光纤的高阶色散对成像的影响。修正理论公式，得到与实际线路参数相符合的时间透镜成像公式。（3）调节和优化泵浦脉宽，提高成像系统的分辨率。（4）设计付里叶变换器，并将之应用于高速光纤传输线路中的色散补偿。（5）设计高速的(解)复用器，实现光网络中时分/波分之间的任意切换。

光子晶体光纤的高非线性效应，可以用来制备特殊用途的光子器件。信号光与泵浦光在光子晶体光纤中通过四波混频效应可形成时间透镜，使信号光发生二次相移。利用此特点可构建时间透镜成像系统，由第一段色散光纤、时间透镜及第二段色散光纤形成一个完整的成像系统，根据需要，合理选择每一段光纤长度，使信号光通过系统之后得到展宽或压缩。在本项目的研究过程中，主要基于上述时间透镜成像系统，通过仿真计算合理选择系统参数，从而设计出不同的成像系统，并将这些成像系统开拓应用到光通信技术的不同方面。在光信息的安全保护方面，利用时间透镜成像技术可以实现二维的加密及解密技术，提高了光信号的保密程度；将时间透镜成像技术应用于CDMA，将宽度超过一个信息比特周期的脉冲序列压缩到一个信息比特周期之内，从而扩展了用户数；利用时间透镜成像系统设计光逻辑“非”门运算，光逻辑运算是实现超高速光开关及光交换器件的基础；基于时间透镜成像的循环式放大级联技术，可实现光信号的放大；利用时间透镜成像系统实现光信号后进先出的“栈”技术，可应用于未来光计算机中处理编译、进制转换等问题所需的“栈”数据结构；将时间透镜成像技术应用于光脉冲偏振复用压缩，大大提高了通信系统容量；利用时间透镜的压缩特性，可实现非归零码RZ码的占空比的任意调节；利用时间透镜成像系统，可构建高速信息网络中的上/下路复用器件。总而言之，构建时间透镜成像系统，并将其应用于光信号的加密、光逻辑运算、“栈”应用、CDMA系统、偏振复用系统、RZ码占空比调节，以及设计OA/DM等，这些光子器件及相关技术在高速的光通信网络中具有重要的应用前景。