光纖中的拉曼自頻移效應(yīng)及其應(yīng)用研究

1、<p><b>　　深 圳 大 學(xué)</b></p><p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計）</p><p>　　題目:光纖中的拉曼自頻移效應(yīng)及其應(yīng)用研究 </p><p>　　姓名: &

2、lt;/p><p>　　專業(yè): 電子科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　學(xué)院: 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 </p><p>　　學(xué)號: </p><p>　　指導(dǎo)教師:

3、 </p><p>　　職稱： 教授 </p><p>　　20 年 5 月 19 日</p><p>　　深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計），

4、 題目《光纖中的拉曼自頻移效應(yīng)及其應(yīng)用研究》 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。除此之外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果。</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名：</p><p>　　日期：

5、 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要（關(guān)鍵詞）…………………………………………………………………………4</p><p>　　1 緒論…………………………………………………………………………………4</p><p>　　1.1 研究光纖中的拉曼自頻移效應(yīng)的目的和意義

6、……………………………………4</p><p>　　1.2 國內(nèi)外在該方向的研究的歷史現(xiàn)狀及分析………………………………………4</p><p>　　2 拉曼自頻移效應(yīng)的基本知識…………………………………………………………5</p><p>　　2.1 拉曼自頻移效應(yīng)的定義…………………………………………………………5</p><p>　　2

7、.2 孤子拉曼自頻移的物理意義……………………………………………………5</p><p>　　2.3孤子傳輸?shù)幕驹怼?</p><p>　　2.4實現(xiàn)孤子傳輸?shù)募夹g(shù)方法……………………………………………………5</p><p>　　2.4.1“動態(tài)光孤子通信控制”技術(shù)……………………………………………6 2.

8、4.2 光孤子源技術(shù)…………………………………………………………6</p><p>　　2.4.3 光孤子放大技術(shù)………………………………………………………6</p><p>　　2.5光孤子通信的優(yōu)勢……………………………………………………………7</p><p>　　3 孤子拉曼自頻移對光脈沖在光纖中傳輸?shù)挠绊憽?</p>

9、;<p>　　4 計算孤子拉曼自頻移對超短光脈沖在光纖中的影響…………………………………8</p><p>　　5 繪制拉曼自頻移影響下的脈沖演化曲線………………………………………………10</p><p>　　5.1 自頻移對高斯脈沖和超高斯脈沖的的影響…………………………………10</p><p>　　5.2不同效應(yīng)對傳輸?shù)挠绊憽?/p>

10、………………………………11</p><p>　　6 孤子拉曼自頻移的應(yīng)用…………………………………………………………………12</p><p>　　6.1有光纖放大器的波長調(diào)諧飛秒孤子系統(tǒng)……………………………………13</p><p>　　6.2波長直接調(diào)制的飛秒孤子系統(tǒng)………………………………………………14</p><p>　　7 結(jié)

11、束語……………………………………………………………………………………15</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………………16</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………17</p><p>　　Abstract(Key words)………………………………………………………………

12、………18</p><p>　　光纖中的拉曼自頻移效應(yīng)及其應(yīng)用研究</p><p>　　【中文摘要】從廣義非線性薛定諤方程出發(fā),通過運用分步傅里葉法數(shù)值模擬了脈沖在PCF（光子晶體光纖）中的傳輸特性。從模擬的結(jié)果可以看出：三階孤子的前沿相對中心頻率產(chǎn)生紅移,孤子的后沿產(chǎn)生藍移，孤子自頻移更顯著；另外,三階色散使得脈沖波形及頻譜不對稱,出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu),而且有形成孤子傾向；自陡可以改變了主峰與次

13、峰之間的能量分配，脈沖內(nèi)拉曼散射對脈沖有平滑作用。而拉曼孤子的產(chǎn)生可能受到很多非線過程的作用，諸如四波混頻、孤子形成、自變陡效應(yīng)、色散效應(yīng)、自相位調(diào)制、受激拉曼散射等。為此，計算和分析了非線性效應(yīng)與高階色散對光譜形狀和譜寬的影響，發(fā)現(xiàn)隨著入射功率或隨著傳輸距離的增加，頻譜逐漸展寬并且發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象。此外還發(fā)現(xiàn)譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)不但與自相位調(diào)制和脈沖的內(nèi)拉曼散射有關(guān)，而且對初始光脈沖的功率也很敏感。</p><p&g

14、t;　　【關(guān)鍵詞】超短脈沖；孤子衰變；拉曼自頻移效應(yīng) </p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1 研究光纖中的拉曼自頻移效應(yīng)的目的和意義</p><p>　　對于譜寬大于0.1THz的脈沖，通過從同一個脈沖的高頻分量轉(zhuǎn)移能量，其拉曼增益能放大其低頻分量，這種效應(yīng)稱為脈沖內(nèi)拉曼散射。脈沖內(nèi)拉曼散射的結(jié)果是，脈沖在光

15、纖內(nèi)傳輸?shù)倪^程中，脈沖頻譜移向紅光一側(cè)，這說明脈沖在光纖中傳輸時發(fā)生了自頻移。這是因為在反常群速度色散區(qū)，脈沖由于激發(fā)高階孤子效應(yīng)而被壓縮，因此脈沖拉曼散射的影響變得相當(dāng)重要，它是導(dǎo)致頻譜中心向短波漂移的主要原因。通過前人的實驗研究我們可以知道自陡峭、自頻移等高階非線性效應(yīng)對孤子壓縮系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓縮脈沖影響,發(fā)現(xiàn)三階色散、自陡峭和自頻移這三種高階效應(yīng)都會破壞壓縮脈沖的傳輸行為。具體表現(xiàn)為：三階色散會使孤子的壓縮效應(yīng)逐步消失并發(fā)生畸變,導(dǎo)

16、致非對稱振蕩結(jié)構(gòu)發(fā)生；自陡峭和拉曼自頻移效應(yīng)會導(dǎo)致脈沖破裂,最終使脈沖變形[1]。這些結(jié)果表明,當(dāng)脈沖被壓縮到飛秒量級時,會導(dǎo)致脈沖畸變,從而出現(xiàn)信號失真, 也限制了光信號的傳輸距離，這在實際的光孤子通信中是十分不利的。因此通過研究，深入了解拉曼自頻移效應(yīng)的原理，了解高階效應(yīng)的起因，通過數(shù)值計算高階效應(yīng)對超短光脈沖傳輸?shù)挠绊?，以便掌握更好更多的方法對高階效應(yīng)進行補償，從而克服光纖色散對線性光通信系統(tǒng)傳</p><p&

17、gt;　　1.2 國內(nèi)外在該方向的研究的歷史現(xiàn)狀及分析</p><p>　　在過去的數(shù)十年里，關(guān)于光纖通信的研究得到了充分的發(fā)展。1973年提出了“通過色散和非線性效應(yīng)的相互作用將會導(dǎo)致光纖中產(chǎn)生類弧子脈沖”這樣一個重要結(jié)論，隨后在1980年觀測到光弧子并在20世紀(jì)導(dǎo)致了超短光脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用。光纖的拉曼自頻移效應(yīng)對光纖通信的影響成為通信領(lǐng)域研究的熱點課題之一，其中G. P. Agrawal著的 <<

18、非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用>> 已被譯成中文,書中詳細(xì)地講述了光纖中拉曼自頻移現(xiàn)象的起因，高階效應(yīng)對超短脈沖的影響。我國各高校的光電實驗室也非常重視拉曼自頻移效應(yīng)的研究，廣大科研工作者積極研究拉曼自頻移效應(yīng)對光纖通信的影響并發(fā)表了大批的學(xué)術(shù)論文。這些都說明了光纖的拉曼自頻移效應(yīng)對光通信的影響已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點之一。光纖的拉曼自頻移效應(yīng)對超短脈沖傳輸影響不可忽略,它可以導(dǎo)致光脈沖展寬,引起脈沖的畸變。對于光通信來說,脈沖

19、的畸變意味著信噪比的降低,導(dǎo)致通質(zhì)量下降。 </p><p>　　2.拉曼自頻移效應(yīng)的基本知識</p><p>　　2.1 拉曼自頻移效應(yīng)的定義</p><p>　　對于譜寬大于0.1THz的脈沖，通過從同一個脈沖的高頻分量轉(zhuǎn)移能量，其拉曼增益能放大其低頻分量，這種效應(yīng)稱為脈

20、沖內(nèi)拉曼散射。脈沖內(nèi)拉曼散射使得脈沖在光纖內(nèi)傳輸?shù)倪^程中，脈沖頻譜移向紅光一側(cè)，這就是拉曼自頻依效應(yīng)。</p><p>　　2.2 孤子拉曼自頻移的物理意義</p><p>　　從物理意義上講，可以通過受激拉曼散射來了解紅移現(xiàn)象。對于脈寬約1ps或更短的入射脈沖，其譜寬非常寬，使得脈沖的藍移譜分量可作為泵浦，通過拉曼增益有效的放大相同脈沖的紅移分量。此過程在光纖中連續(xù)進行，致使能量不停地從

21、藍移分量轉(zhuǎn)移到紅移分量，隨著距離的增加，這種能量的轉(zhuǎn)移就表現(xiàn)為孤子頻譜的的紅移。而從對非線性薛定諤方程的推導(dǎo)過程可以知道，頻移量沿光纖線性增加，對于短脈沖，頻移量相當(dāng)大。</p><p>　　2.3 孤子傳輸?shù)幕驹?lt;/p><p>　　光纖中的色散效應(yīng)可以使得頻率不同的光波以不同的速度進行傳播，因此，對于同時出發(fā)的光脈沖，由于頻率不同，傳輸速度就不同，到達終點的時間也就不同，這就使得脈

22、沖展寬，從而使得信號畸變失真。隨著光纖制造技術(shù)的不斷進步，光纖損耗已經(jīng)降低到接近理論極限值的程度，于是色散問題就成為實現(xiàn)超長距離和超大容量光纖通信的主要問題。光纖色散是使光信號的脈沖展寬，而光纖中還有一種非線性效應(yīng)，這種非線形效應(yīng)會使光信號的脈沖產(chǎn)生壓縮效應(yīng)。光纖的非線性特性在光的強度變化時使頻率發(fā)生變化，從而使傳播速度變化。在光纖中這種變化使光脈沖后沿的頻率變高、傳播速度變快，而前沿的頻率變低、傳播速度變慢。這就造成脈沖后沿比前沿運動

23、快，從而使脈沖受到壓縮變窄。如果有辦法將光脈沖變窄和變寬這兩種效應(yīng)相互抵消，光脈沖就會像一個一個孤立的粒子那樣形成光孤子，就能夠在光纖傳輸中保持不變，實現(xiàn)超長距離、超大容量的通信。</p><p>　　事實上 ，光孤子通信是一種新型的非線性通信方案，它的工作原理是群速色散導(dǎo)致的光脈沖展寬可以與光纖折射率的非線性（例如自相位調(diào)制）效應(yīng)引起的光脈沖的壓縮相平衡，如果滿足一定的條件（即是光纖的反常色散區(qū)及脈沖光功率密度

24、足夠大），光孤子能夠?qū)崿F(xiàn)長距離不變形地在光纖中進行傳輸。它可以徹底擺脫光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，其傳輸容量將會比當(dāng)今最好的通信系統(tǒng)還要高得多，中繼距離也可以達到幾百km，它被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具發(fā)展前途的傳輸方式之一。從光孤子傳輸理論分析，光孤子是非常理想的光脈沖，因為它非常窄，其脈沖寬度局限在皮秒級（即ps）。光孤子通信可以使得鄰近的光脈沖間隔變得非常小但又不至于發(fā)生脈沖重疊互相干擾的情況。光孤子通信的傳輸容量非常大，甚至可

25、以說是沒有限制，傳輸速率甚至可以達到每秒兆比特。如此高速的傳輸意味著美國國會圖書館的全部藏書，也只需要100秒就可以全部傳送完畢。由此可見，光孤子通信的傳輸能力是非常驚人的[2]。</p><p>　　2.4實現(xiàn)孤子傳輸?shù)募夹g(shù)方法 近年來，對光孤子通信的研究取得了很大進展。光纖放大器的應(yīng)用對孤子放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的的實際應(yīng)用成為現(xiàn)實。光孤子在光纖中的傳輸過程需要解決如下問題：降低光纖損耗對光

26、孤子傳輸?shù)挠绊懀夤伦又g的相互作用，高階色散效應(yīng)對光孤子傳輸?shù)挠绊懸约皢文９饫w中的雙折射現(xiàn)象等。研究光孤子通信系統(tǒng)的一項重點就是了解光孤子沿光纖進行傳輸時的演化情況。研究在特定光纖參數(shù)條件下光孤子在光纖中傳輸?shù)挠行Ь嚯x，這樣就可以確定能量補充的中繼距離，這樣的研究不但為光孤子通信系統(tǒng)的設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)，而且還有可能導(dǎo)致新型光纖的產(chǎn)生。 由此需要涉及到的技術(shù)主要有：</p><p>　　2.4.1“動態(tài)光孤子通

27、信控制”技術(shù)　　90年代，Nakazawa和他的合作者提出了“動態(tài)光孤子通信”的概念。其理論依據(jù)是：N階孤子能夠保持光孤子振幅A在動態(tài)范圍A-1/2≤N≤A+1/2內(nèi)，通過與小損耗光纖傳輸相結(jié)合，對光孤子傳輸很有益；輸入每段傳輸光纖始端的光孤子功率，應(yīng)該是基階孤子的標(biāo)準(zhǔn)功率的1.4~4倍，即形成二階孤子的功率范圍，這樣就可以在傳輸?shù)椒糯笃鞯呐R界距離Lc后還能夠保持光孤子的特性，再經(jīng)下一個EDFA放大以恢復(fù)其功率，然后進入到下一段Lc長

28、的傳輸光纖，使入射光的峰值功率達到一階孤子功率的3~4倍，在光脈沖經(jīng)過長距離的傳輸后，仍保持光孤子的性質(zhì)。光孤子在光纖傳輸過程中，因每段Lc輸入的初始峰值功率都比較大，脈寬先是變窄，然后經(jīng)損耗光纖而逐漸展寬，在恢復(fù)到與輸入脈寬大致相等的距離上用EDFA放大以恢復(fù)原來的功率。這樣做的目的是使輸入的光孤子預(yù)先放大，以保證光孤子脈沖在動態(tài)的起伏變化中穩(wěn)定地傳輸更大的距離[3]。 2.4.2 光孤子源技術(shù)</p><p&g

29、t;　　光孤子源是實現(xiàn)光孤子通信的關(guān)鍵技術(shù)。而根據(jù)理論研究知道，只有輸出的光脈沖波形為雙曲正割形，且振幅滿足某種條件時，光孤子才能在光纖中穩(wěn)定地傳輸。目前，研究和開發(fā)的光孤子源種類繁多，有摻餌光纖孤子激光器、增益開關(guān)半導(dǎo)體孤子激光器和鎖模半導(dǎo)體孤子激光器、拉曼孤子激光器、參量孤子激光器等?，F(xiàn)在的光孤子通信試驗系統(tǒng)大多采用體積小、重復(fù)頻率高的增益開關(guān)DFB半導(dǎo)體激光器或鎖模半導(dǎo)體激光器作光孤子源。它們的輸出光脈沖是高斯形的，且功率較小，但

30、是經(jīng)過光纖放大器的放大后，就可以達到形成光孤子傳輸?shù)姆逯倒β?。事實已?jīng)證明光孤子傳輸對波形要求并不是很嚴(yán)格。高斯光脈沖在色散光纖中傳輸時，通過色散效應(yīng)與非線性自相位調(diào)制的共同作用，光脈沖中心波形可以逐漸演化為雙曲正割形。 2.4.3 光孤子放大技術(shù)</p><p>　　全光孤子放大器采取對光信號直接放大的方法，避免了目前光通信系統(tǒng)中光/電、電/光的轉(zhuǎn)換模式。它既可作為全光中繼器，也可以作為光端機的前置放大器，

31、是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。事實上，光孤子在光纖的傳播過程中，是肯定存在光纖損耗的。不過光纖的損耗只會降低孤子的脈沖幅度，不會使孤子的形狀改變。所以，補償光纖損耗成為實現(xiàn)光孤子傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。目前有兩種補償孤子能量的方法：一種是采用分布式的光放大器的方法，也就是使用受激拉曼散射放大器或者分布的摻鉺光纖放大器；另一種方法是采用集總的光放大器，即采用半導(dǎo)體激光放大器或者摻鉺光纖放大器。受激拉曼散射效應(yīng)光放大器就是采用分布式光放大器的。其

32、優(yōu)點是光纖自身成為放大介質(zhì)，然而石英光纖中的受激拉曼散射增益系數(shù)比較小，這就意味著要使用高功率的激光器作為光纖中產(chǎn)生受激拉曼散射的泵浦源。集總放大方法是利用摻鉺光纖放大器來實現(xiàn)的，它的穩(wěn)定性已從得到理論研究和實踐的證明，成為當(dāng)前孤子通信的主要放大方法。光放大被認(rèn)為是全光孤子通信的核心技術(shù)問題。 </p><p>　　2.5光孤子通信的優(yōu)勢 目前非常熱門的光孤子通信是一種新型的、超高速度傳輸、超長距離的

33、光纖通信系統(tǒng)，也是光纖通信領(lǐng)域中最具開拓性、最有發(fā)展前途的前沿課題。全光式光孤子通信和常規(guī)的線性光纖通信相比有很多顯著的優(yōu)點：一、光孤子通信的傳輸容量比性能最佳的線性通信系統(tǒng)大1~2個數(shù)量級； 二、光孤子通信可以實現(xiàn)全光中繼傳輸。因為孤子脈沖的特殊性質(zhì)所以中繼過程可以被簡化成一個絕熱放大的過程，從而簡化了中繼設(shè)備，達到經(jīng)濟、簡便、高效的要求。光孤子通信與線性光纖通信相比，無論在經(jīng)濟還是在技術(shù)領(lǐng)域都有著明顯的優(yōu)勢。光孤子通信在長距離

34、傳輸、高保真度等方面，優(yōu)于直接檢測方式、光強度調(diào)制和相干光通信。 正因為光孤子通信的這些顯著的優(yōu)點和廣闊的發(fā)展前景，國際國內(nèi)都十分關(guān)注這個領(lǐng)域的研究。到目前為止，已經(jīng)為實現(xiàn)無中繼、超高速、超長距離光孤子通信系統(tǒng)奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)：一.光纖放大器的使用，特別是用激光二極管泵浦的摻鉺光纖放大器補償了損耗；二.孤子脈沖的不變性決定了無需中繼；三.采用預(yù)加重技術(shù)，且用色散位移光纖傳輸，摻鉺光纖集總信號放大，這樣便在低增益的情況下減弱了ASE的

35、影響，擴大了中繼距離；四</p><p>　　就目前的技術(shù)水平已經(jīng)使得孤子通信系統(tǒng)實驗達到了傳輸距離13000~20000公里，傳輸速10~20Gbit/s的水平。我門可以預(yù)測光孤子技術(shù)未來的前景是：在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時域與頻域的超短脈沖控制技術(shù)以及超短脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用技術(shù)使現(xiàn)行速率從10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上；在延長傳輸距離方面采取重定時，整形，再生技術(shù)和減少ASE，

36、運用光學(xué)濾波可以使傳輸距離達到100000公里以上；對于EDFA則可以獲得高輸出低噪聲的EDFA。當(dāng)然實際的光孤子通信還是存在許多技術(shù)方面的難題的，但目前已取得的突破性進展使我們相信，光孤子通信在實現(xiàn)超高速、大容量、超長距離的全光通信中，特別是在海底光纖通信系統(tǒng)中，具有廣闊的發(fā)展空間。</p><p>　　3.孤子拉曼自頻移對光脈沖在光纖中傳輸?shù)挠绊?lt;/p><p>　　首先，當(dāng)泵浦脈沖的

37、波長靠近或位于光纖的反常色散區(qū)時，由于非線形效應(yīng)和色散效應(yīng)的相互作用，SRS（受激拉曼散射）產(chǎn)生的拉曼脈沖可以表現(xiàn)出孤子效應(yīng)。如果條件適當(dāng)，在光纖的反常色散區(qū)，幾乎所有的泵譜脈沖能量都可以轉(zhuǎn)移給拉曼脈沖，并形成基態(tài)孤子在光纖中無畸變傳輸。數(shù)值結(jié)果表明，如果以高階孤子形式傳輸?shù)谋闷置}沖在其達到最小的距離上形成拉曼脈沖，上述情況是可以實現(xiàn)的；相反，如果轉(zhuǎn)移給拉曼脈沖的能量被延遲了，而且產(chǎn)生在泵浦脈沖已經(jīng)分裂成其分量時的距離上，拉曼脈沖不能形

38、成基態(tài)孤子，并且其能量很快被色散掉。脈沖內(nèi)拉曼散射提供了一種產(chǎn)生拉曼孤子的簡便方法。用1.32um鎖模Nd：YAG 激光器產(chǎn)生的100ps脈沖泵浦也產(chǎn)生了拉曼孤子，有實驗用零色散波長接近1.3um的普通光纖，在1.4um附近產(chǎn)生了100fs的拉曼脈沖。對于泵浦波長位于光纖反常GVD區(qū)的情形，調(diào)劑不穩(wěn)定性對于拉曼孤子的形成起著重要的作用。調(diào)制不穩(wěn)定性的作用可以這樣理解：當(dāng)泵浦脈沖在反常GVD區(qū)傳輸時，產(chǎn)生表示調(diào)制不穩(wěn)定性的邊帶，低頻邊帶（

39、典型間隔約1THZ）落在拉曼增益譜的帶寬內(nèi),并由此形成拉曼脈沖。當(dāng)泵浦功率很高時,拉曼脈沖頻浦變寬(約</p><p>　　脈沖內(nèi)SRS可以改善壓縮脈沖的質(zhì)量，產(chǎn)生無基座脈沖。脈沖內(nèi)SRS與感應(yīng)調(diào)劑不穩(wěn)定性結(jié)合使用，可以得到高重復(fù)率無基座的超短脈沖。其基本思想是將一束正弦調(diào)制的連續(xù)光注入光纖，如果調(diào)制頻率位于不穩(wěn)定增益帶寬內(nèi)，則弱AM邊帶被調(diào)制不穩(wěn)定提供的增益放大。同時，當(dāng)峰值功率足以激發(fā)高階孤子時脈沖通過孤子效

40、應(yīng)被壓縮。當(dāng)存在脈沖內(nèi)SRS時，壓縮脈沖依托于由連續(xù)波背景形成的基座上，由于脈沖內(nèi)的SRS引起的拉曼自頻移效應(yīng)，脈沖列與脈座的頻譜相分離。而用一個帶通濾波器可以去掉基座，得到一列重復(fù)頻率由初始調(diào)制頻率決定的超短光脈沖。</p><p>　　4.計算孤子拉曼自頻移對超短光脈沖在光纖中傳輸?shù)挠绊?lt;/p><p>　　當(dāng)脈沖寬度T0<5ps時，脈沖在光纖中的傳輸方程必須包括高階非線形效應(yīng)和

41、高階色散效應(yīng)，于是ＰＣＦ(光子晶體光纖)中脈沖的傳輸可以用廣義非線性薛定諤方程描述:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中： A為脈沖包絡(luò)的慢變振幅；為群速度；為群速度色散（GVD）參量，為三階色散（TOD）參量；代表光纖損耗；為非線形系數(shù)，為非線形折射率，為有效纖芯截面，為非線形函數(shù)的一階矩；表示延時拉曼效應(yīng)對非線形極化的貢獻，為拉曼

42、響應(yīng)函數(shù)。方程（1）右端前兩項描述群GVD和TOD，第三項表征光纖損耗，最后一項分別為自相位調(diào)制（SPM）、自變陡（SST）以及脈沖內(nèi)受激拉曼散射（SRS）。</p><p>　　具有初始啁啾的超短脈沖形式為：[5]；式中： 表示超短脈沖的階數(shù)，由脈沖沿的銳度決定，可以通過測量脈沖上升時間（從峰值10%上升到90%的時間）和脈沖1/e處寬度來確定，C為初始啁啾參量，為入射脈沖的峰值公率，由于方程（1）沒有解析解，

43、一般采用數(shù)值計算。常用的方法為分步傅里葉算法。</p><p>　　因此：（2）[5]，式中：為差分運算符，表示色散和吸收；；為非線性算符，描述脈沖在光纖中傳輸?shù)姆蔷€形效應(yīng)，</p><p><b>　　。</b></p><p>　　在高階非線形效應(yīng)中，脈沖內(nèi)拉曼散射起重要的作用，它對孤子的影響有方程（1）的最后一項決定，當(dāng)考慮到孤子自頻移這

44、種現(xiàn)象時，必須將這一項包括進去。孤子自頻移可以由拉曼散射的衰減特性做出解釋。為了突出脈沖內(nèi)拉曼散射的影響，可以把方程（1）的和設(shè)為零，這樣描述光纖內(nèi)脈沖演變方程表示為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　而孤子頻率的變化方程為：，由于孤子振幅不受拉曼效應(yīng)的影響而且是常數(shù)，容易將方程積分，結(jié)果為。利用=1和，拉曼效應(yīng)引起的頻移用實數(shù)單位可以

45、寫成：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　負(fù)號表示載頻減小，即孤子頻譜移向長波長側(cè)或者說產(chǎn)生紅移。從方程（4）可以看出，頻移量沿光纖線形增加，更重要的是頻移于成正比，表明對短脈沖，頻移量相當(dāng)大。一般而言，若脈寬窄于5ps，拉曼引起的頻移不能忽略。</p><p>　　數(shù)值計算結(jié)果及分析：</p>&l

46、t;p>　　模擬初始脈寬為100fs (=60fs),中心波長為800nm，峰值功率為1kw的二階超短脈沖在PCF（忽略損耗）中的傳輸特性。選用直徑 2um的PCF(零色散波長767nm），其參數(shù)為：非線性系數(shù)，800nm 處GVD參量，=0.6m,</p><p>　　。其中群速度色散長度以及非線形長度描述了脈沖演變過程中，色散或是非線形效應(yīng)哪個起主導(dǎo)作用。</p><p>　　5

47、.繪制拉曼自頻移影響下的脈沖演化曲線　</p><p>　　5.1比較一階光孤子和三階光孤子的傳輸特性</p><p>　　圖1(a) 一階光孤子的脈沖變化</p><p>　　圖1(b) 由脈沖內(nèi)拉曼散射引起的二階光孤子的衰變</p><p>　　從圖1(a)可以看出，在理想的無損耗的光纖，脈沖將無畸變地傳輸，在任何距離都不會改變形狀。這

48、是因為對于基態(tài)的光孤子，GVD和SPM互相平衡，使得脈沖的形狀沿光纖的長度方向不會發(fā)生變化；而從圖1(b)可以清楚地看出，光孤子發(fā)生了衰變。紅移的較寬的譜峰對應(yīng)于圖1(b)中移向右側(cè)的強孤子，而藍移的譜對應(yīng)圖1(b)移向左側(cè)的的峰。從圖1（b）可以看出，隨著傳輸距離的增加，光譜逐漸展寬，譜的紅移現(xiàn)象越來越顯著，這種紅移現(xiàn)象可用孤子的自頻移來解釋。由于藍移分量較紅移分量傳輸?shù)每?，和一階孤子相比，藍移分量超前，而其它分量被延遲，這一點可以從

49、圖1(b)清楚的看到。其次，能量也發(fā)生了轉(zhuǎn)移，在這里由于脈寬很短所以其譜寬非常寬，使得脈沖的藍移譜分量可作為抽運，通過拉曼增益有效地放大相同脈沖的紅移分量 ，此過程在光子晶體光纖中連續(xù)進行，致使能量不斷地從藍移分量轉(zhuǎn)移到紅移分量上。這種孤子的自頻移現(xiàn)象主要是由脈沖內(nèi)拉曼散射引起的。</p><p>　　5.2比較一階光孤子和二階光孤子的時域、頻域特性</p><p>　　圖2(a)一階時域

50、波形圖</p><p>　　圖2(b)二階時域波形圖</p><p>　　從圖2(a)可以看出，一階孤子在傳輸?shù)恼麄€過程中脈沖波形保持不變；從圖2(b)可以看出，二階孤子在t=0.6ps時能量顯著增加，這是因為在t=0.6ps時拉曼自頻移使得能量發(fā)生了明顯的紅移。相應(yīng)地，脈沖會產(chǎn)生藍移分量。</p><p>　　圖3(a)一階頻譜曲線圖</p><

51、;p>　　圖3(b)二階頻譜曲線圖</p><p>　　從圖3(a)可以看出，一階孤子能量均勻分布，沒有隨頻率的變化發(fā)生明顯的能量遷移。而從圖3(b)可以看出，脈沖內(nèi)SRS（受激拉曼散射）使頻譜發(fā)生顯著紅移,藍移分量所占能量比例很??；脈沖中的精細(xì)結(jié)構(gòu)被削弱，脈沖變得平滑，出現(xiàn)了主峰與次峰,分別對應(yīng)于頻譜的紅移分量和藍移分量，脈沖頻譜被極大展寬。</p><p>　　6.孤子拉曼自頻移

52、的應(yīng)用</p><p>　　光孤子是傳輸過程中寬度和幅度都不會發(fā)生變化的超短脈沖，如果將它應(yīng)用在光通信，其傳輸距離會達到上萬公里。光孤子自頻移(solitonself-frequencyshift)是由光纖色散系數(shù)、非線性效應(yīng)變化引起的。在1985~1986年就有文獻報道光孤子自頻移現(xiàn)象，但是只在最近幾年才有報道利用光孤子自頻移產(chǎn)生波長調(diào)諧飛秒孤子脈沖。有報道在75m長光纖中獲得脈沖寬度為180fs，波長變化在1

53、.56~1.78mm內(nèi)的孤子脈沖。文獻[5]利用70m長光纖獲得波長1.56~2.13mm，脈沖寬度為350fs的孤子脈沖輸出。不過，如果光纖具有強的非線性，則可以大大縮短實現(xiàn)孤子自頻移的長度從而降低抽運功率。在長為15cm、具有高度非線性空氣-石英微結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖中，利用光孤子自頻移獲得了波長1.3~1.65mm的飛秒孤子脈沖輸出。</p><p>　　光子晶體光纖的獨特的性能引起科研人員的廣泛關(guān)注。日本、

54、美國、英國、德國等在光子晶體光纖的理論研究和原型器件的制作方面進行了大量的研究和實驗，特別是英國的Bath大學(xué)在光子晶體光纖制造和理論研究方面相當(dāng)出色，制造出了單模和非線性光纖系列產(chǎn)品。國內(nèi)在光子晶體光纖理論、光子晶體光纖制造等方面近幾年也開展了工作，取得了突破性的進展[6]。本節(jié)重點介紹如何利用光子晶體光纖實現(xiàn)波長調(diào)諧飛秒孤子輸出的機理，重點介紹和討論了由超短脈沖光纖激光器、普通光纖放大器、光子晶體光纖和由超短脈沖光纖激光器，光子晶體

55、光纖放大器以及由超短脈沖光纖激光器、光子晶體光纖所組成的波長調(diào)諧飛秒孤子激光系統(tǒng)，并對這些這些系統(tǒng)進行了比較和分析，從中了解拉曼自頻移效應(yīng)對光纖通信的影響。</p><p>　　如果根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行分類：波長可調(diào)諧飛秒孤子系統(tǒng)可分為波長直接調(diào)制的飛秒孤子系統(tǒng)和有光纖放大器的波長調(diào)諧飛秒孤子系統(tǒng)。前一種系統(tǒng)由飛秒激光源、光纖放大器和非線性光子晶體光纖所組成或者由飛秒激光源和具有高度非線性光子晶體光纖放大器所組成；

56、后者則由飛秒激光源和非線性光子晶體光纖所組成，無光纖放大器，在以下兩小節(jié)中將分別對它們進行介紹，從而了解這兩種孤子系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點。</p><p>　　6.1有光纖放大器的波長調(diào)諧飛秒孤子系統(tǒng)</p><p>　　有光纖放大器的波長調(diào)諧飛秒孤子系統(tǒng)中的放大器既可以由摻發(fā)光離子的光子晶體光纖所構(gòu)成，也可以由摻發(fā)光離子的常規(guī)結(jié)構(gòu)的光纖所組成。為一有光纖放大器的波長調(diào)諧飛秒孤子系統(tǒng)。由鎖模摻Y(jié)

57、b3+光纖激光器和具有異常色散特性的摻Y(jié)b3+光子晶體光纖放大器兩部分構(gòu)成。鎖模激光器輸出正啁啾飛秒脈沖，脈沖重復(fù)率為54MHz,脈沖寬度為110fs,平均輸出激光功率為3mW(脈沖能量約60pJ),中心波長為1.06mm。光子晶體光纖放大器的纖芯為摻Y(jié)b3+ 實心結(jié)構(gòu)，芯徑約2mm，包層為多孔結(jié)構(gòu)，光纖長度在1.7~9.0m范圍激光器輸出的飛秒脈沖耦合進入具有異常色散特性的摻Y(jié)b3+ 的光子晶體光纖放大器，放大器的增益由半導(dǎo)體激光器控

58、制。半導(dǎo)體激光器中心波長為966nm,最大輸出功率為250mW，飛秒脈沖進入光子晶體光纖放大器后在非線性和異常色散的共同作用下形成拉曼孤子，由于光子晶體光纖的非線性系數(shù)依賴于傳輸脈沖峰值功率而光子晶體光纖的色散系數(shù)隨波長的變化而變化，因此改變光纖放大器的抽運功率即改變光子晶體光纖中的光功率，便可引起孤子中心波長發(fā)生變化即孤子自頻移，即可實現(xiàn)拉曼孤子的波長調(diào)諧，這種系統(tǒng)比其它孤子系統(tǒng)</p><p>　　圖4有光子

59、晶體光纖放大器的波長調(diào)諧孤子脈沖實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[7]</p><p>　　利用這種系統(tǒng)還可滿足某些特殊需要，比如獲得高重復(fù)率、寬帶波長調(diào)諧飛秒孤子輸出。高重復(fù)率、寬帶波長調(diào)諧飛秒孤子脈沖非常適用于未來的高速光時域波分復(fù)用通信系統(tǒng)。Abedin采用重復(fù)率為10GHz、脈沖寬度為1.1ps、波長為1.56mm的主動鎖模光纖激光器作為種子源，將激光器輸出的光脈沖耦合到飽和功率為33dBm的色散補償Er/Yb光纖放大

60、器進行放大，再傳入長為12.6m、纖芯直徑為1.7mm、摻鍺濃度為2%、零色散波長在780nm的光子晶體光纖，實現(xiàn)了10GHz、300fs、120nm波長調(diào)諧飛秒孤子脈沖輸出[8]。事實上，光子晶體光纖的非線性特性被開發(fā)利用之前，很難在高重復(fù)率情況下產(chǎn)生光孤子和實現(xiàn)100nm范圍波長調(diào)諧，因為在普通光纖中高重復(fù)率比如10GHz脈沖對應(yīng)的峰值脈沖功率低，非線性系數(shù)很低，幾乎無法產(chǎn)生光孤子。因此，在本實驗中了解和應(yīng)用非線形效應(yīng)就顯得非常重要

61、。</p><p>　　6.2波長直接調(diào)制的飛秒孤子系統(tǒng) </p><p>　　利用一臺被動鎖模摻鉺光纖激光器、LiNbO3 倍頻晶體和光子晶體光纖產(chǎn)生飛秒孤子脈沖。被動鎖模摻鉺光纖激光器輸出脈沖的寬度為110fs，脈沖重復(fù)率為48MHz，中心波長為1.56mm，飛秒光脈沖進入LiNbO3 晶體，倍頻產(chǎn)生波長為0.78mm的光。倍頻光經(jīng)衰減片衰減后耦合進入長為60cm、芯徑為1.7mm

62、、零色散波長在690nm附近的光子晶體光纖。從實驗中可以知道由于孤子自頻移隨著光子晶體光纖輸入功率的增加，孤子脈沖的中心波長向長波長方向移動。當(dāng)注入光子晶體光纖的功率足夠小時，孤子脈沖的波長隨功率幾乎成線性關(guān)系變化。但是，隨著入射功率的增加，孤子脈沖波長移動效率逐漸降低，最后波長移動才會逐漸穩(wěn)定下來。</p><p>　　有報道講述了利用光子晶體光纖直接壓縮脈沖并產(chǎn)生孤子輸出的實驗，其實驗系統(tǒng)如圖（5）所示[9]

63、。光源為一半導(dǎo)體激光器抽運的Yb:SYS飛秒激光器，其輸出脈沖寬度為110fs，脈沖重復(fù)率為108MHz，脈沖平均功率是10mW。中心波長為1.068mm。光子晶體光纖長度為95cm，纖芯直徑為2.6mm、孔間距為2mm、孔直徑與間距之比為0.35，光纖零色散波長為950nm、波長為1.06mm的群速度色散為20ps/nm/km。實驗結(jié)果顯示當(dāng)輸入光子晶體光纖的功率超過2mW時，脈沖就會被壓縮，在功率為3mW時，110fs的脈沖被壓縮成

64、75fs。隨著耦合功率的增加，開始出現(xiàn)受激拉曼散射和孤子自頻移遙在進入光子晶體光纖的功率低于30mW的情況下，獲得了調(diào)諧波長1~1.3mm的光孤子，調(diào)諧因子為9nm/mW[10]。</p><p>　　圖5半導(dǎo)體激光器抽運的Yb:SYS飛秒激光器和光子晶體光纖構(gòu)成的孤子脈沖系統(tǒng)示意圖[10]</p><p>　　同有光放大的波長調(diào)諧光子晶體光纖飛秒孤子脈沖系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，無放

65、大部分，只需控制飛秒脈沖光源輸出功率的大小，但可能不適合于當(dāng)今超高速通信光源的應(yīng)用。有光放大的波長調(diào)諧光子晶體光纖飛秒孤子脈沖系統(tǒng)較為復(fù)雜，波長調(diào)諧依賴于抽運功率的大小，可在較低的飛秒脈沖種子光源輸出功率的情況下產(chǎn)生高重復(fù)率光孤子，并實現(xiàn)波長調(diào)諧。</p><p>　　光子晶體光纖具有普通光纖所不具備的獨特特性，其光學(xué)非線性系數(shù)高、反常色散特性易于控制，同常規(guī)結(jié)構(gòu)光纖系統(tǒng)相比，可在短光纖、低功率情況下利用光子晶體

66、光纖獲得寬帶波長調(diào)諧的飛秒孤子脈沖。孤子脈沖系統(tǒng)既可以是有光纖放大器的波長調(diào)諧飛秒孤子系統(tǒng)，也可以是波長直接調(diào)制無放大器的孤子系統(tǒng)，二者各有優(yōu)勢。前者結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，波長調(diào)諧通過調(diào)整放大器的抽運功率予以實現(xiàn)，可在較低的種子光源輸出功率情況下產(chǎn)生光孤子和實現(xiàn)波長調(diào)諧，還可在獲得超高重復(fù)率情況下同時獲得寬帶波長調(diào)諧，滿足某些特殊需要；后者結(jié)構(gòu)非常簡單，飛秒脈沖直接在光子晶體光纖中壓縮，產(chǎn)生光孤子并實現(xiàn)較寬范圍的波長調(diào)諧。波長調(diào)制依賴于耦合進入

67、光子晶體光纖的功率大小[11]?？傊ㄩL可調(diào)諧光子晶體光纖飛秒孤子脈沖系統(tǒng)是一種新型的很有發(fā)展前途的光孤子系統(tǒng)，用于高速光通信，可以大大改善光通信系統(tǒng)的性能，增加通信距離，減少系統(tǒng)成本，具有重大經(jīng)濟價值和社會效應(yīng)。</p><p><b>　　7.結(jié)束語</b></p><p>　　本文用分步傅里葉法求解非線性薛定諤方程，重點模擬了在受激拉曼散射影響下超短脈沖在光子

68、晶體光纖中的傳輸特性。從模擬的結(jié)果可以看出：在理想的無損耗的光纖，對于一階孤子，因為GVD和SPM互相平衡，一階孤子將無畸變地進行傳輸；而二階孤子在傳輸過程中孤子前沿相對中心頻率產(chǎn)生紅移，孤子的后沿產(chǎn)生藍移，脈沖的藍移分量被作為泵浦，通過拉曼增益有效的放大相同脈沖的紅移分量，此過程在光子晶體光纖中連續(xù)進行，致使能量不斷地從藍移分量轉(zhuǎn)移到紅移分量上，從而使得孤子發(fā)生了顯著的自頻移。這種孤子的自頻移現(xiàn)象主要是由脈沖內(nèi)拉曼散射引起的。脈沖變得

69、平滑，出現(xiàn)了主峰與次峰,分別對應(yīng)于頻譜的紅移分量和藍移分量，脈沖頻譜被極大展寬。高階色散和非線形效應(yīng)的共同作用可以使得脈沖以孤子的形式進行傳輸，脈沖的寬度和幅度都不會發(fā)生變化。</p><p><b>　　【參考文獻】</b></p><p>　　[1] G. P. Agrawal著，賈東方等譯.《非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用》.電子工業(yè)出版社，2002：440-467&

70、lt;/p><p>　　[2] Michael bass主編，胡先志等譯?！豆饫w通信－通信用光纖、器件和系統(tǒng)》。人民郵電出版社，2004:3-4　227-287</p><p>　　[3] 姜廣東.《光脈沖壓縮技術(shù)理論研究》.西南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006</p><p>　　[4] 黃天水,曹文華, 尹新付, 郭力爭. 高階色散效應(yīng)對光纖中高斯光脈沖的影響. 電子工業(yè)

71、出版社. 2007:3. 564-566</p><p>　　[5] Fermann M E, Galvanauskas A, Stock M L et al.Ultrawide tunable Er soliton fiber laser amplified in Yb-doped fiber. Opt. Lett，1999:6 220-245</p><p>　

72、　[6] 沈廷根,謝秉川, 姚潔,方云團. 高階色散效應(yīng)對孤子和孤子對傳輸?shù)挠绊? 人民郵電出版社.2004,5:553-554</p><p>　　[7] 朱震. 高速光通信系統(tǒng)中的色散補償技術(shù). 電光與控制.2003 ,10:2 51-54</p><p>　　[8] 李曙光. 微結(jié)構(gòu)光纖中超短激光脈沖傳輸及色散特性研究. IEEE/ACM 網(wǎng)絡(luò)匯刊.2007,12. 40-56&

73、lt;/p><p>　　[9] 張山彪,王文軍,畢軍,李麗華.超短激光脈沖技術(shù)及其研究進展.激光雜志,2003,9. 32</p><p>　　[10] G.P.Agrawal,Effect of intrapulse stimulated Raman scattering on soliton-effect</p><p>　　Pulse compression[J]

74、.Opt.Lett. 1993,8: 1150-1152.</p><p>　　[11] Wen-hua Cao, Songhao Liu. Ultrasgort soliton transmission using concatenatedgain-distributed nonlinear amplifying fiber loop mirrors.Chinese Optics Letters, 2005,3

75、. 562-565</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本課題在選題及研究過程中得到曹文華老師的悉心指導(dǎo)，曹老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。曹老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時半年，卻給以終生受益無窮之道。對曹老師的感激之情是無法用言語表達的。他

76、嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，曹老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，還有其他可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!</p><p>　　Since the Raman optical fre

77、quency-shift effect </p><p>　　and its application research</p><p>　　【Abstract】 From the generalized nonlinear Schrödinger Equation, through the step-by-step application of Fourier method to

78、 simulate the transmission characteristics of the pulse in the PCF (photonic crystal fiber) . From the simulation results can be seen: the forefront of third-order solitons have a red shift to the center frequency, the a

79、long of third-order solitons have a blue shift to the center frequency, self-frequency shift of soliton is more significant; In addition, the third-order dispe</p><p>　　【Key words】Ultrashort pulse； Soliton