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光纤非线性放大是基于光纤非线性效应来放大光信号的技术,其中传统的光纤参量放大器需要比较长的光纤作增益介质,而且需要较高的泵浦功率。本论文提出使用慢光驱动(泵浦)增益介质——双周期性超结构光纤,可以大大加强泵浦波和信号光与增益介质的非线性相互作用,从而提高信号增益,或在相同增益的条件下所需要的泵浦功率降低,或在相同增益和泵浦功率的条件下所需要的增益介质长度缩短,这对于推动大容量光传输系统和网络以及集成光子器件的发展具有重要意义。然而,慢光传输往往伴随着明显的色散效应,作用在传输脉冲上使其发生展宽甚至失真。本文提出利用超结构光纤的非线性特性,使脉冲以慢光孤子的形式在光纤中无色散传输,并且能够通过调节结构参数或光源功率对光脉冲的时延进行调节,这对于慢光超短脉冲在未来宽带长距离传输系统的应用非常重要。本论文的主要研究内容如下:第一章为绪论,首先介绍了光纤光放大器(FOPA)的研究发展和基本原理,重点分析了单泵浦FOPA的参量增益;然后给出了光子晶体的概念、理论基础和应用价值,为后文的研究内容以及创新工作做了理论铺垫。第二章的研究对象为传统的光纤参量放大器,首先为单泵浦FOPA建立了数学模型,并在模型中计入了拉曼效应;然后设计了以FOPA为中继放大器的WDM长距离传输系统并进行系统仿真。在仿真中,通过调节光纤跨距以及中继放大器的个数来改变传播距离,并且采用端对端均衡来改善系统性能。在保证系统传输特性得到满足的条件下得出传播距离最长且传播特性最佳的光纤跨距长度,最后对三种放大器(FOPA、EDFA、FRA)在WDM长距离传输系统中的性能做了比较。第三章的研究对象是在普通光纤的基础上设计的双周期非线性超结构光纤,通过使用平面波展开法和时域有限差分法对其非线性特性的表征之一——三次谐波产生过程(THG)进行仿真计算,并将把仿真结果与均一材料制成的普通光纤进行比较。然后在一些基本的假设条件下探索了超结构光纤中THG过程的数学模型并分析对其产生作用的各种参数。最后分析了超结构光纤在THG过程中的频率转换效率和THG效率。第四章首先对第三章中所设计的双周期非线性超结构光纤的参量放大增益建立了数学模型。然后对其信号参量增益进行了仿真数值计算和数学模型探索,并与普通光纤和单周期的光子带隙结构光纤进行了比较。最后对周期光纤的输入端设计了Taper结构,将其与作为增益介质的非线性周期性结构耦合起来,以此改善慢光在非线性周期性结构中反射较大的问题。第五章考虑到制备的可行性,首先对第三、第四章中所采用的超结构光纤做出了设计调整,提出了新的设计方案和参数,以求在缺陷模上找到群速度足够小的频率点。然后对超结构光纤中传输的光孤子进行了时域仿真,以观察脉冲时延和时宽,并对非线性系统和线性系统中的脉冲传输形态进行比较,从而说明超结构光纤可以支持光孤子在其中无色散传输。第六章对全文的结论和创新点进行了总结,并提出了未来的研究重点。本论文中的理论分析和仿真结果均表明:当缺陷微腔中的耦合效应以及慢光效应对参量增益带来的正面影响在一定程度上超过波矢失配给增益带来的负面影响时,基于超结构光纤的参量增益会显著增强。而且超结构光纤特殊的增益曲线对于某些特殊应用具有较大参考价值。另一方面,在为实验制备所设计的超结构光纤中能找到群速度接近超慢光的缺陷模频率点。通过对带隙光孤子进行时域仿真发现:超结构光纤可以支持光孤子在其中无色散传输。除了改变结构参数,脉冲时延还可以通过选择频率点和改变入射光强来进行调节,这种外部调制上的自由度对于未来宽带系统中慢光的应用具有很大的意义。