單模光纖中寬帶脈沖與色散波的傳輸特性研究.pdf

1、光脈沖在光纖中的傳輸是一個基本的非線性光學(xué)問題,隨著光纖通信系統(tǒng)向超高速、超大容量、超長距離的持續(xù)發(fā)展,其重要性日益突出。光脈沖在光纖中的傳輸又是一個非常復(fù)雜的非線性過程,受多種因素的制約,特別是隨著超短脈沖技術(shù)和光纖技術(shù)的發(fā)展,群速度色散、高階色散、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、高階孤子分裂、拉曼自頻移、雙折射以及增益(損耗)等諸多效應(yīng)的作用及輸入脈沖本身的一些參數(shù)如波長、脈沖形狀與脈寬、啁啾等的影響都同時體現(xiàn)出來,不僅使光纖中的傳輸問題

2、日益復(fù)雜化,同時又導(dǎo)致了大量新的物理現(xiàn)象發(fā)生。本論文正是針對非線性光纖光學(xué)的前沿發(fā)展,研究單模光纖中寬帶激光脈沖和色散波的傳輸特性,取得如下研究結(jié)果:
　　 第一,突破光纖放大器增益帶寬遠(yuǎn)大于信號頻譜帶寬的限制條件,建立了寬帶激光脈沖在摻鉺光纖放大器中傳輸放大的物理模型,揭示了寬帶脈沖在增益光纖中傳輸?shù)男绿匦浴?br>　　 采用高增益放大鏈實現(xiàn)高功率的脈沖輸出時,將導(dǎo)致脈沖頻譜的極大展寬,而當(dāng)脈沖的帶寬與放大器的增益帶寬接近時

3、,帶寬的影響就非常重要。以前的模型大多是假設(shè)放大器的增益帶寬遠(yuǎn)大于信號的頻譜帶寬,已有的實驗證明拋物脈沖的帶寬超過放大器的增益帶寬時,脈沖將引入非線性啁啾,既降低了壓縮效率,也導(dǎo)致脈沖質(zhì)量下降,也就是說,以前的近似假設(shè)已不適用于寬帶脈沖傳輸?shù)那闆r。本文基于建立的物理模型研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)脈沖的帶寬和摻鉺光纖放大器的增益帶寬接近時,放大器限制了寬帶脈沖的放大效率,而通過選擇最佳光纖長度可以突破這種限制；增益帶寬對啁啾孤子放大的影響和啁啾的符號相

4、關(guān)。
　　 第二,研究寬帶脈沖在光纖環(huán)形腔中的傳輸,數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)被動鎖模光纖環(huán)形激光器可以實現(xiàn)穩(wěn)定的孤子輸出,實驗觀察到了在全反常色散摻鉺被動鎖模光纖環(huán)形激光器中寬頻帶類噪聲脈沖的產(chǎn)生。
　　 光纖環(huán)形腔中脈沖的傳輸模型通常是Ginzburg—Landau方程,它是在激光器的增益曲線近似為拋物形,且光與物質(zhì)相互作用遵循激光速率方程的條件下得到的,這種近似僅在輸出孤子脈沖的譜寬遠(yuǎn)小于激光器增益帶寬的情況下才適用。為了準(zhǔn)確描

5、述光纖環(huán)形腔中的脈沖傳輸,需要采用Maxwell-Bloch方程。由于脈沖峰值箝制效應(yīng),即使在Maxwell-Bloch方程描述下,也可以在被動鎖模光纖激光器中獲得穩(wěn)定的孤子輸出,且增益帶寬對輸出孤子脈沖的特性有重要影響。此外,在全反常色散摻鉺被動鎖模光纖激光中,實驗觀察到了寬頻帶類噪聲脈沖的產(chǎn)生,其頻譜的3dB帶寬高達(dá)98nm,數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)寬帶的產(chǎn)生與光纖的雙折射有關(guān)。
　　 第三,研究寬帶脈沖在光子晶體光纖中傳輸時色散波的產(chǎn)

6、生和傳輸特性,獲得了三階色散和自陡效應(yīng)對色散波產(chǎn)生和傳輸?shù)挠绊懸?guī)律。
　　 色散波可以實現(xiàn)將激光的能量轉(zhuǎn)移到新的頻譜成分上,因而提供了許多潛在的應(yīng)用,無論是在理論還是實驗上都吸引了眾多的關(guān)注。本文通過數(shù)值求解光子晶體光纖中脈沖傳輸遵循的非線性演化方程,證實了當(dāng)寬帶脈沖在具有負(fù)三階色散的光子晶體光纖中傳輸時,脈沖的大部分能量轉(zhuǎn)移到了紅移色散波上。當(dāng)輸入脈沖較窄從而色散波產(chǎn)生的距離較短時,三階色散對脈沖頻移增強(qiáng)的作用在光纖的零色散波

7、長處由于“頻譜反彈”效應(yīng)而被抑制。由于紅移色散波和藍(lán)移色散波產(chǎn)生的機(jī)理不同,自陡效應(yīng)對紅移色散波的影響并不顯著。在光纖的輸出端,能量主要集中在零色散波長區(qū)域和色散波波長區(qū)域。
　　 第四,研究光子晶體光纖中脈沖的初始啁啾對色散波的影響,提出并證明通過控制輸入孤子脈沖的初始啁啾可以操控光子晶體光纖中色散波的產(chǎn)生。
　　 本文通過研究輸入孤子脈沖的初始啁啾對色散波產(chǎn)生的影響,發(fā)現(xiàn):對于高階孤子,正、負(fù)啁啾分別加速和延緩色散波