采用全矢量有限元法和分步傅里叶法模拟计算了高非线性光子晶体光纤在近红外光谱区(特别是在850 nm)的飞秒脉冲孤子效应压缩, 提出了一种新的反常群速度色散(β2=-50.698 ps2/km)、小高阶色散和高非线性(γ=268.419 1 W-1/km)二氧化硅芯光子晶体光纤结构, 建立了包含高阶色散和拉曼散射的非线性薛定谔方程, 研究了高斯脉冲在此光纤中传输时, 光纤长度和孤子阶数对脉冲压缩的影响, 分析了光纤中2~5阶色散, 研究表明: 孤子阶数为8时, 品质因子和压缩因子均达到最大, 初始脉冲的峰值功率P0=3 357.8 W, 压缩效果最好; 优化光纤几何和光学参数, 可以得到了高品质因数、小底座的超短光脉冲。

为了了解基于光纤受激布里渊散射快光传输系统的一些外在因素对受激布里渊散射快光传输的影响, 对该传输过程进行了研究。首先, 根据受激布里渊散射过程的“三波耦合方程”进行了理论改进, 然后选定了3种光子晶体光纤作为传输介质, 通过对比, 选出一种光子晶体光纤RB65进行具体分析研究。通过求解“三波耦合方程”, 对快光受激布里渊散射过程进行了模拟分析, 探讨了光纤长度、探测信号脉冲宽度和输入信号功率对传输的影响。结果表明, 在保证信号失真相对较小的情况下, 取40 m长度光纤、140 ns信号脉宽和174 mW输入信号功率时的快光提前效率最高。

利用改进的全矢量有效折射率方法结合耦合模理论和传输矩阵法,研究了高斯切趾和线性啁啾对光子晶体光纤光栅群时延的影响。结果表明: 随着高斯切趾系数的增大,群时延最大值先增后减, 即存在群时延最大的切趾系数。线性啁啾使得光栅群时延产生一段线性良好的区域, 而且啁啾系数的绝对值增大时,群时延的线性区域扩大。但是, 线性啁啾并不能使光栅在某一波段获得较小的群速度。高斯切趾可以有效调节最大群时延峰的带宽和高度, 是一种有效调节光栅群速度的方法。

利用矢量有限元法, 数值模拟了不同结构参数下光子晶体光纤中空气孔填充率与去极化型声波导布里渊散射频移的关系, 以及布里渊散射频移与布里渊散射效率的关系。研究结果表明, 空气孔填充率的增大会导致扭转径向模式的去极化型声波导布里渊散射频移下移。空气孔节距或纤芯直径一定时,高阶模式的频移对空气孔填充率的变化更为敏感。扭转径向模式的去极化型布里渊散射效率都随布里渊散射频移的增大而增大。

数值求解了光子晶体光纤中的去极化型声波导布里渊散射色散方程, 研究了光子晶体光纤中的布里渊频移随泵浦波长及空气孔填充率的变化关系, 以及去极化型声波导布里渊散射频移随温度、应变、声波导模式、纤芯直径及空气孔层数的关系。结果表明: 布里渊频移随着波长的增大而线性减小。对于相同的波长点, 增大光子晶体光纤空气孔填充率时, 声波横向速度将会减小。去极化型声波导布里渊散射频移随温度及应变的增大而线性增加。同一温度条件下, 高阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对温度的变化更为敏感; 而在同一应变条件下, 低阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对应变的变化更为敏感。去极化型声波导布里渊散射频移随纤芯直径的增加而增大, 随空气孔层数的增加而减小。

为了提高受激布里渊散射慢光的延时和抑制脉冲展宽，通过四阶Runge-Kutta法和特征线法对基于光纤的受激布里渊散射耦合方程组进行数值求解，计算了斯托克斯脉冲边沿陡峭程度、功率、宽度对延迟时间以及脉冲展宽因子的影响，提出了在低频范围内适当提高斯托克斯脉冲的边沿陡峭程度, 可以优化延时和脉冲展宽因子的方法。该方法可以获得与高斯脉冲近似相等的延时和很小的脉冲展宽因子。基于波形能量差异的理论分析也证实了提高边沿陡峭程度对抑制脉冲展宽有明显的影响。

采用全矢量的方法，数值求解了内包层为左手材料，纤芯和外包层为常规材料的W型弱导双包层光纤的特征方程，分析了其模式分布、色散和时延特性。结果表明内包层为左手材料的双包层光纤具有许多不同于常规光纤的反常特性：单模传输模式只存在于特定的频率范围内；随着内包层负折射材料厚度的增加，同一模式同一频率下出现不同的传播常数；内包层厚度对单模的色散和群时延影响巨大，通过增大内包层厚度，可以达到-158000 ps/(nm·km)大负色散及极大的群时延。这些结果为设计新型色散补偿光纤及新型光纤器件提了供理论基础。

结合蜂巢晶格与不同空气孔直径晶格二者的优势，提出一种改进型蜂巢晶格结构光子晶体光纤，采用矢量光束传输法对该光纤的色散与非线性特性进行了数值模拟，分析了色散、非线性系数与其晶格参量之间的关系。数值结果表明，该光纤在1.2～1.6 μm波段内可以实现大负色散、色散平坦、正色散等多种色散特性；此外，晶格结构中空气孔直径的减小使得基模有效面积增大，从而降低了非线性系数。因此，通过调节该光纤的结构参量可以灵活地调整其色散与非线性特性，为设计光子晶体光纤提供理论参考。

在以1 550 nm 为中心的宽带波长范围内设计了一种宽带低非线性色散补偿光子晶体光纤，采用矢量光束传输法数值模拟了包层中空气孔层数、空气孔直径和空气孔节距对于其色散和非线性特性的影响。计算结果表明，内六层空气孔对于其色散与非线性特性有较强影响。通过优化调节第四到六层空气孔的直径和空气孔节距，设计了在以1 550 nm 为中心的100 nm 带宽波长范围内对相当于自身长度190 倍的普通单模传输光纤进行色散补偿的光子晶体光纤(色散补偿偏移率保持在0.5%以内)，在此宽带波长范围内保持非线性系数低于3 W-1·km-1。

采用矢量光束传输法数值模拟了基于模式耦合的双芯光子晶体光纤的色散和非线性与其结构的关系。结果表明：通过在包层中移除一层空气孔以形成外纤芯并调整内外纤芯之间的距离及包层空气孔的占空比，内外纤芯间的模式耦合可以在宽带范围内发生，导致产生大负色散。同时，由于光场分布在两个纤芯内，增大了模场面积，产生低非线性，可以实现低非线性宽带色散补偿。