光纤中的拉曼自频移效应及其应用研究

深圳大学本科毕业论文（设计）题目光纤中的拉曼自频移效应及其应用研究姓名专业电子科学与技术学院电子科学与技术学院学号指导教师职称教授20年5月19日第2页共18页深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明所呈交的毕业论文（设计），题目光纤中的拉曼自频移效应及其应用研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。毕业论文（设计）作者签名日期年月日第3页共18页目录摘要（关键词）41绪论411研究光纤中的拉曼自频移效应的目的和意义412国内外在该方向的研究的历史现状及分析42拉曼自频移效应的基本知识521拉曼自频移效应的定义522孤子拉曼自频移的物理意义523孤子传输的基本原理524实现孤子传输的技术方法5241“动态光孤子通信控制”技术6242光孤子源技术6243光孤子放大技术625光孤子通信的优势73孤子拉曼自频移对光脉冲在光纤中传输的影响74计算孤子拉曼自频移对超短光脉冲在光纤中的影响85绘制拉曼自频移影响下的脉冲演化曲线1051自频移对高斯脉冲和超高斯脉冲的的影响1052不同效应对传输的影响116孤子拉曼自频移的应用1261有光纤放大器的波长调谐飞秒孤子系统1362波长直接调制的飞秒孤子系统147结束语15参考文献16致谢17ABSTRACTKEYWORDS18第4页共18页光纤中的拉曼自频移效应及其应用研究【中文摘要】从广义非线性薛定谔方程出发,通过运用分步傅里叶法数值模拟了脉冲在PCF（光子晶体光纤）中的传输特性。从模拟的结果可以看出三阶孤子的前沿相对中心频率产生红移,孤子的后沿产生蓝移，孤子自频移更显著；另外,三阶色散使得脉冲波形及频谱不对称,出现精细结构,而且有形成孤子倾向；自陡可以改变了主峰与次峰之间的能量分配，脉冲内拉曼散射对脉冲有平滑作用。而拉曼孤子的产生可能受到很多非线过程的作用，诸如四波混频、孤子形成、自变陡效应、色散效应、自相位调制、受激拉曼散射等。为此，计算和分析了非线性效应与高阶色散对光谱形状和谱宽的影响，发现随着入射功率或随着传输距离的增加，频谱逐渐展宽并且发生明显的红移现象。此外还发现谱精细结构的出现不但与自相位调制和脉冲的内拉曼散射有关，而且对初始光脉冲的功率也很敏感。【关键词】超短脉冲；孤子衰变；拉曼自频移效应1绪论11研究光纤中的拉曼自频移效应的目的和意义对于谱宽大于01THZ的脉冲，通过从同一个脉冲的高频分量转移能量，其拉曼增益能放大其低频分量，这种效应称为脉冲内拉曼散射。脉冲内拉曼散射的结果是，脉冲在光纤内传输的过程中，脉冲频谱移向红光一侧，这说明脉冲在光纤中传输时发生了自频移。这是因为在反常群速度色散区，脉冲由于激发高阶孤子效应而被压缩，因此脉冲拉曼散射的影响变得相当重要，它是导致频谱中心向短波漂移的主要原因。通过前人的实验研究我们可以知道自陡峭、自频移等高阶非线性效应对孤子压缩系统所产生的压缩脉冲影响,发现三阶色散、自陡峭和自频移这三种高阶效应都会破坏压缩脉冲的传输行为。具体表现为三阶色散会使孤子的压缩效应逐步消失并发生畸变,导致非对称振荡结构发生；自陡峭和拉曼自频移效应会导致脉冲破裂,最终使脉冲变形1。这些结果表明,当脉冲被压缩到飞秒量级时,会导致脉冲畸变,从而出现信号失真,也限制了光信号的传输距离，这在实际的光孤子通信中是十分不利的。因此通过研究，深入了解拉曼自频移效应的原理，了解高阶效应的起因，通过数值计算高阶效应对超短光脉冲传输的影响，以便掌握更好更多的方法对高阶效应进行补偿，从而克服光纤色散对线性光通信系统传送容量的限制,实现超高速率、超长距离的传输。12国内外在该方向的研究的历史现状及分析在过去的数十年里，关于光纤通信的研究得到了充分的发展。1973年提出了“通过色散和非线性效应的相互作用将会导致光纤中产生类弧子脉冲”这样一个重要结论，随后在1980年观测到光弧子并在20世纪导致了超短光脉冲的产生和应用。光纤的拉曼自频移效应对光纤通信的影响成为通信领域研究的热点课题之一，其中GPAGRAWAL著的已被译成中文,书中详细地讲述了光纤中拉曼自频移现象的起因，高阶效应对超短脉冲的影响。我国各高校的光电实验室也非常重视拉曼自频移效应的研究，广大科研工作者积极研究拉曼自频移效应对光纤通信的影响并发表了大批的学术论文。这些都说明了光纤的拉曼自频移效应对光通信的影响已成为国内外学者关注的热点之一。光纤的拉曼自频移效应对超短脉冲传输影响不可忽略,它可以导致第5页共18页光脉冲展宽,引起脉冲的畸变。对于光通信来说,脉冲的畸变意味着信噪比的降低,导致通质量下降。2拉曼自频移效应的基本知识21拉曼自频移效应的定义对于谱宽大于01THZ的脉冲，通过从同一个脉冲的高频分量转移能量，其拉曼增益能放大其低频分量，这种效应称为脉冲内拉曼散射。脉冲内拉曼散射使得脉冲在光纤内传输的过程中，脉冲频谱移向红光一侧，这就是拉曼自频依效应。22孤子拉曼自频移的物理意义从物理意义上讲，可以通过受激拉曼散射来了解红移现象。对于脉宽约1PS或更短的入射脉冲，其谱宽非常宽，使得脉冲的蓝移谱分量可作为泵浦，通过拉曼增益有效的放大相同脉冲的红移分量。此过程在光纤中连续进行，致使能量不停地从蓝移分量转移到红移分量，随着距离的增加，这种能量的转移就表现为孤子频谱的的红移。而从对非线性薛定谔方程的推导过程可以知道，频移量沿光纤线性增加，对于短脉冲，频移量相当大。23孤子传输的基本原理光纤中的色散效应可以使得频率不同的光波以不同的速度进行传播，因此，对于同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这就使得脉冲展宽，从而使得信号畸变失真。随着光纤制造技术的不断进步，光纤损耗已经降低到接近理论极限值的程度，于是色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。光纤色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性效应，这种非线形效应会使光信号的脉冲产生压缩效应。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快，而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。如果有办法将光脉冲变窄和变宽这两种效应相互抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，就能够在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。事实上，光孤子通信是一种新型的非线性通信方案，它的工作原理是群速色散导致的光脉冲展宽可以与光纤折射率的非线性（例如自相位调制）效应引起的光脉冲的压缩相平衡，如果满足一定的条件（即是光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大），光孤子能够实现长距离不变形地在光纤中进行传输。它可以彻底摆脱光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量将会比当今最好的通信系统还要高得多，中继距离也可以达到几百KM，它被认为是二十一世纪最具发展前途的传输方式之一。从光孤子传输理论分析，光孤子是非常理想的光脉冲，因为它非常窄，其脉冲宽度局限在皮秒级（即PS）。光孤子通信可以使得邻近的光脉冲间隔变得非常小但又不至于发生脉冲重叠互相干扰的情况。光孤子通信的传输容量非常大，甚至可以说是没有限制，传输速率甚至可以达到每秒兆比特。如此高速的传输意味着美国国会图书馆的全部藏书，也只需要100秒就可以全部传送完毕。由此可见，光孤子通信的传输能力是非常惊人的2。第6页共18页24实现孤子传输的技术方法近年来，对光孤子通信的研究取得了很大进展。光纤放大器的应用对孤子放大和传输非常有利，它使孤子通信的的实际应用成为现实。光孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题降低光纤损耗对光孤子传输的影响，光孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响以及单模光纤中的双折射现象等。研究光孤子通信系统的一项重点就是了解光孤子沿光纤进行传输时的演化情况。研究在特定光纤参数条件下光孤子在光纤中传输的有效距离，这样就可以确定能量补充的中继距离，这样的研究不但为光孤子通信系统的设计提供可靠的数据，而且还有可能导致新型光纤的产生。由此需要涉及到的技术主要有241“动态光孤子通信控制”技术90年代，NAKAZAWA和他的合作者提出了“动态光孤子通信”的概念。其理论依据是N阶孤子能够保持光孤子振幅A在动态范围A1/2NA1/2内，通过与小损耗光纤传输相结合，对光孤子传输很有益；输入每段传输光纤始端的光孤子功率，应该是基阶孤子的标准功率的144倍，即形成二阶孤子的功率范围，这样就可以在传输到放大器的临界距离LC后还能够保持光孤子的特性，再经下一个EDFA放大以恢复其功率，然后进入到下一段LC长的传输光纤，使入射光的峰值功率达到一阶孤子功率的34倍，在光脉冲经过长距离的传输后，仍保持光孤子的性质。光孤子在光纤传输过程中，因每段LC输入的初始峰值功率都比较大，脉宽先是变窄，然后经损耗光纤而逐渐展宽，在恢复到与输入脉宽大致相等的距离上用EDFA放大以恢复原来的功率。这样做的目的是使输入的光孤子预先放大，以保证光孤子脉冲在动态的起伏变化中稳定地传输更大的距离3。242光孤子源技术光孤子源是实现光孤子通信的关键技术。而根据理论研究知道，只有输出的光脉冲波形为双曲正割形，且振幅满足某种条件时，光孤子才能在光纤中稳定地传输。目前，研究和开发的光孤子源种类繁多，有掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器、拉曼孤子激光器、参量孤子激光器等。现在的光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关DFB半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤子源。它们的输出光脉冲是高斯形的，且功率较小，但是经过光纤放大器的放大后，就可以达到形成光孤子传输的峰值功率。事实已经证明光孤子传输对波形要求并不是很严格。高斯光脉冲在色散光纤中传输时，通过色散效应与非线性自相位调制的共同作用，光脉冲中心波形可以逐渐演化为双曲正割形。243光孤子放大技术全光孤子放大器采取对光信号直接放大的方法，避免了目前光通信系统中光/电、电/光的转换模式。它既可作为全光中继器，也可以作为光端机的前置放大器，是光孤子通信系统的关键器件。事实上，光孤子在光纤的传播过程中，是肯定存在光纤损耗的。不过光纤的损耗只会降低孤子的脉冲幅度，不会使孤子的形状改变。所以，补偿光纤损耗成为实现光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法一种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掺铒光纤放大器；另一种方法是采用集总的光放大器，即采用半导体激光放大器或者掺铒光纤放大器。受激拉曼散射效应光放大器就是采用分布式光放大器的。其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数比较小，这就意味着要使用高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源。集总放大方法是利用掺铒光纤放大器来实现的，它的稳定性第7页共18页已从得到理论研究和实践的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心技术问题。25光孤子通信的优势目前非常热门的光孤子通信是一种新型的、超高速度传输、超长距离的光纤通信系统，也是光纤通信领域中最具开拓性、最有发展前途的前沿课题。全光式光孤子通信和常规的线性光纤通信相比有很多显著的优点一、光孤子通信的传输容量比性能最佳的线性通信系统大12个数量级；二、光孤子通信可以实现全光中继传输。因为孤子脉冲的特殊性质所以中继过程可以被简化成一个绝热放大的过程，从而简化了中继设备，达到经济、简便、高效的要求。光孤子通信与线性光纤通信相比，无论在经济还是在技术领域都有着明显的优势。光孤子通信在长距离传输、高保真度等方面，优于直接检测方式、光强度调制和相干光通信。正因为光孤子通信的这些显著的优点和广阔的发展前景，国际国内都十分关注这个领域的研究。到目前为止，已经为实现无中继、超高速、超长距离光孤子通信系统奠定了理论和技术基础一光纤放大器的使用，特别是用激光二极管泵浦的掺铒光纤放大器补偿了损耗；二孤子脉冲的不变性决定了无需中继；三采用预加重技术，且用色散位移光纤传输，掺铒光纤集总信号放大，这样便在低增益的情况下减弱了ASE的影响，扩大了中继距离；四光孤子碰撞分离后的稳定性为设计波分复用提供了方便；五导频滤波器有效地减小了超长距离内噪声引起的孤子时间抖动；六本征值通信的新概念使孤子通信从只利用基本孤子拓宽到利用高阶孤子，从而可增加每个脉冲所载的信息量4。就目前的技术水平已经使得孤子通信系统实验达到了传输距离1300020000公里，传输速1020GBIT/S的水平。我门可以预测光孤子技术未来的前景是在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域与频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率从1020GBIT/S提高到100GBIT/S以上；在延长传输距离方面采取重定时，整形，再生技术和减少ASE，运用光学滤波可以使传输距离达到100000公里以上；对于EDFA则可以获得高输出低噪声的EDFA。当然实际的光孤子通信还是存在许多技术方面的难题的，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在实现超高速、大容量、超长距离的全光通信中，特别是在海底光纤通信系统中，具有广阔的发展空间。3孤子拉曼自频移对光脉冲在光纤中传输的影响首先，当泵浦脉冲的波长靠近或位于光纤的反常色散区时，由于非线形效应和色散效应的相互作用，SRS（受激拉曼散射）产生的拉曼脉冲可以表现出孤子效应。如果条件适当，在光纤的反常色散区，几乎所有的泵谱脉冲能量都可以转移给拉曼脉冲，并形成基态孤子在光纤中无畸变传输。数值结果表明，如果以高阶孤子形式传输的泵浦脉冲在其达到最小的距离上形成拉曼脉冲，上述情况是可以实现的；相反，如果转移给拉曼脉冲的能量被延迟了，而且产生在泵浦脉冲已经分裂成其分量时的距离上，拉曼脉冲不能形成基态孤子，并且其能量很快被色散掉。脉冲内拉曼散射提供了一种产生拉曼孤子的简便方法。用132UM锁模NDYAG激光器产生的100PS脉冲泵浦也产生了拉曼孤子，有实验用零色散波长接近13UM的普通光纤，在14UM附近产生了100FS的拉曼脉冲。对于泵浦波长位于光纤反常GVD区的情形，调剂不稳定性对于拉曼孤子的形成起着重要的作用。调制不稳定性的作用可以这样理解当泵浦脉冲在反常GVD区传输时，产生表示调制不稳定性的边带，低频边带（典型间隔约1THZ）落在拉曼增益谱的带宽内,并由此形成拉曼脉冲。当泵浦功率很高时,第8页共18页拉曼脉冲频浦变宽约为10THZ。这样,即使入射泵浦脉宽大于100PS,光纤也能形成约100PS的拉曼孤子。其次,当超短脉冲的脉宽达到飞秒量级时,非线性延迟效应对压缩脉冲的影响与自陡峭效应对压缩脉冲的影响类似，同样会导致压缩脉冲破裂，而这主要是因为当脉宽变窄时，介质的拉曼效应引起的非线性延迟效应变得明显，造成脉冲的频谱发生移动，从而引起脉冲的破裂。脉冲内SRS可以改善压缩脉冲的质量，产生无基座脉冲。脉冲内SRS与感应调剂不稳定性结合使用，可以得到高重复率无基座的超短脉冲。其基本思想是将一束正弦调制的连续光注入光纤，如果调制频率位于不稳定增益带宽内，则弱AM边带被调制不稳定提供的增益放大。同时，当峰值功率足以激发高阶孤子时脉冲通过孤子效应被压缩。当存在脉冲内SRS时，压缩脉冲依托于由连续波背景形成的基座上，由于脉冲内的SRS引起的拉曼自频移效应，脉冲列与脉座的频谱相分离。而用一个带通滤波器可以去掉基座，得到一列重复频率由初始调制频率决定的超短光脉冲。4计算孤子拉曼自频移对超短光脉冲在光纤中传输的影响当脉冲宽度T05PS时，脉冲在光纤中的传输方程必须包括高阶非线形效应和高阶色散效应，于是光子晶体光纤中脉冲的传输可以用广义非线性薛定谔方程描述|1|26222023TATAIAITAIZR（1）式中A为脉冲包络的慢变振幅；GVZT,/为群速度；2为群速度色散（GVD）参量，3为三阶色散（TOD）参量；代表光纤损耗；为非线形系数，202,/NCANEF为非线形折射率，EFA为有效纤芯截面，RT为非线形函数的一阶矩；表示延时拉曼效应RRRRTTHT,对非线形极化的贡献，TH为拉曼响应函数。方程（1）右端前两项描述群GVD和TOD，第三项表征光纤损耗，最后一项分别为自相位调制（SPM）、自变陡（SST）以及脉冲内受激拉曼散射（SRS）。具有初始啁啾的超短脉冲形式为21EXP,0200MTICPTA5；式中表示超短脉冲的阶数，由脉冲沿的锐度决定，可以通过测量脉冲上升时间R（从峰值10上升到90的时间）和脉冲1/E处宽度0T来确定，C为初始啁啾参量，0P为入射脉冲的峰值公RM/0率，由于方程（1）没有解析解，一般采用数值计算。常用的方法为分步傅里叶算法。因此AZND（2）5，式中为差分运算符，表示色散和吸收；623TI；为非线性算符，描述脉冲在光纤中传输的非线形效应，第9页共18页|1|2202TAAIIRRN。在高阶非线形效应中，脉冲内拉曼散射起重要的作用，它对孤子的影响有方程（1）的最后一项决定，当考虑到孤子自频移这种现象时，必须将这一项包括进去。孤子自频移可以由拉曼散射的衰减特性做出解释。为了突出脉冲内拉曼散射的影响，可以把方程（1）的和设为零，这样描3述光纤内脉冲演变方程表示为（3）|1|22202TATAIAITIZAR而孤子频率的变化方程为，由于孤子振幅不受拉曼效应的影响而且是常数，4158RD容易将方程积分，结果为。利用1和，拉曼效应4/T20/|/TZLD引起的频移用实数单位可以写成（4）15/|802ZZRR负号表示载频减小，即孤子频谱移向长波长侧或者说产生红移。从方程（4）可以看出，频移量沿光纤线形增加，更重要的是频移于成正比，表明对短脉冲，频移量相当大。一般而言，若脉宽40T窄于5PS，拉曼引起的频移不能忽略。数值计算结果及分析模拟初始脉宽为100FS60FS,中心波长为800NM，峰值功率为1KW的二阶超短脉冲在0T0PPCF（忽略损耗）中的传输特性。选用直径2UM的PCF零色散波长767NM），其参数为非线性系数，800NM处GVD参量，06M,175KMWKMPS/622|/20TLD。其中群速度色散长度以及非线形长度描述了脉冲PLMTLND013/,63|/30演变过程中，色散或是非线形效应哪个起主导作用。第10页共18页5绘制拉曼自频移影响下的脉冲演化曲线51比较一阶光孤子和三阶光孤子的传输特性201001020024680020406081传传PS传传传传M传传传图1A一阶光孤子的脉冲变化2010010200246801234传传PS传传传传M传传传图1B由脉冲内拉曼散射引起的二阶光孤子的衰变从图1A可以看出，在理想的无损耗的光纤，脉冲将无畸变地传输，在任何距离都不会改变形状。这是因为对于基态的光孤子，GVD和SPM互相平衡，使得脉冲的形状沿光纤的长度方向不会发生变化；而从图1B可以清楚地看出，光孤子发生了衰变。红移的较宽的谱峰对应于图1B中移向右侧的强孤子，而蓝移的谱对应图1B移向左侧的的峰。从图1（B）可以看出，随着传输距离的增加，光谱逐渐展宽，谱的红移现象越来越显著，这种红移现象可用孤子的自频移来解释。由于蓝移分量较红移分量传输得快，和一阶孤子相比，蓝移分量超前，而其它分量被延迟，第11页共18页这一点可以从图1B清楚的看到。其次，能量也发生了转移，在这里由于脉宽很短所以其谱宽非常宽，使得脉冲的蓝移谱分量可作为抽运，通过拉曼增益有效地放大相同脉冲的红移分量，此过程在光子晶体光纤中连续进行，致使能量不断地从蓝移分量转移到红移分量上。这种孤子的自频移现象主要是由脉冲内拉曼散射引起的。52比较一阶光孤子和二阶光孤子的时域、频域特性0051152253354455X10400102030405060708091图2A一阶时域波形图0051152253354455X1040051152253354图2B二阶时域波形图从图2A可以看出，一阶孤子在传输的整个过程中脉冲波形保持不变；从图2B可以看出，二阶孤子在T06PS时能量显著增加，这是因为在T06PS时拉曼自频移使得能量发生了明显的红移。相应地，脉冲会产生蓝移分量。第12页共18页050010001500200025003000350040004500500000102030405060708091图3A一阶频谱曲线图050010001500200025003000350040004500500000102030405060708091图3B二阶频谱曲线图从图3A可以看出，一阶孤子能量均匀分布，没有随频率的变化发生明显的能量迁移。而从图3B可以看出，脉冲内SRS（受激拉曼散射）使频谱发生显著红移,蓝移分量所占能量比例很小；脉冲中的精细结构被削弱，脉冲变得平滑，出现了主峰与次峰,分别对应于频谱的红移分量和蓝移分量，脉冲频谱被极大展宽。6孤子拉曼自频移的应用光孤子是传输过程中宽度和幅度都不会发生变化的超短脉冲，如果将它应用在光通信，其传输距离会达到上万公里。光孤子自频移SOLITONSELFFREQUENCYSHIFT是由光纤色散系数、非线性效应变化引起的。在19851986年就有文献报道光孤子自频移现象，但是只在最近几年才有报道利用光孤子自频移产生波长调谐飞秒孤子脉冲。有报道在75M长光纤中获得脉冲宽度为180FS，波长变化在156178MM内的孤子脉冲。文献5利用70M长光纤获得波长156213MM，脉冲宽度为350FS的孤子脉冲输出。不过，如果光纤具有强的非线性，则可以大大缩短实现孤子自频移的长度从而降低抽运功率。在长为15CM、具有高度非线性空气石英微结构的光子晶体光纤中，利用光孤第13页共18页子自频移获得了波长13165MM的飞秒孤子脉冲输出。光子晶体光纤的独特的性能引起科研人员的广泛关注。日本、美国、英国、德国等在光子晶体光纤的理论研究和原型器件的制作方面进行了大量的研究和实验，特别是英国的BATH大学在光子晶体光纤制造和理论研究方面相当出色，制造出了单模和非线性光纤系列产品。国内在光子晶体光纤理论、光子晶体光纤制造等方面近几年也开展了工作，取得了突破性的进展6。本节重点介绍如何利用光子晶体光纤实现波长调谐飞秒孤子输出的机理，重点介绍和讨论了由超短脉冲光纤激光器、普通光纤放大器、光子晶体光纤和由超短脉冲光纤激光器，光子晶体光纤放大器以及由超短脉冲光纤激光器、光子晶体光纤所组成的波长调谐飞秒孤子激光系统，并对这些这些系统进行了比较和分析，从中了解拉曼自频移效应对光纤通信的影响。如果根据系统的结构进行分类波长可调谐飞秒孤子系统可分为波长直接调制的飞秒孤子系统和有光纤放大器的波长调谐飞秒孤子系统。前一种系统由飞秒激光源、光纤放大器和非线性光子晶体光纤所组成或者由飞秒激光源和具有高度非线性光子晶体光纤放大器所组成；后者则由飞秒激光源和非线性光子晶体光纤所组成，无光纤放大器，在以下两小节中将分别对它们进行介绍，从而了解这两种孤子系统的优点和缺点。61有光纤放大器的波长调谐飞秒孤子系统有光纤放大器的波长调谐飞秒孤子系统中的放大器既可以由掺发光离子的光子晶体光纤所构成，也可以由掺发光离子的常规结构的光纤所组成。为一有光纤放大器的波长调谐飞秒孤子系统。由锁模掺YB3光纤激光器和具有异常色散特性的掺YB3光子晶体光纤放大器两部分构成。锁模激光器输出正啁啾飞秒脉冲，脉冲重复率为54MHZ,脉冲宽度为110FS,平均输出激光功率为3MW脉冲能量约60PJ,中心波长为106MM。光子晶体光纤放大器的纤芯为掺YB3实心结构，芯径约2MM，包层为多孔结构，光纤长度在1790M范围激光器输出的飞秒脉冲耦合进入具有异常色散特性的掺YB3的光子晶体光纤放大器，放大器的增益由半导体激光器控制。半导体激光器中心波长为966NM,最大输出功率为250MW，飞秒脉冲进入光子晶体光纤放大器后在非线性和异常色散的共同作用下形成拉曼孤子，由于光子晶体光纤的非线性系数依赖于传输脉冲峰值功率而光子晶体光纤的色散系数随波长的变化而变化，因此改变光纤放大器的抽运功率即改变光子晶体光纤中的光功率，便可引起孤子中心波长发生变化即孤子自频移，即可实现拉曼孤子的波长调谐，这种系统比其它孤子系统在如下几个方面有独到之处首先，为产生孤子和实现波长移动所需要的飞秒激光源输出脉冲能量低，典型值1NJ量级；第二，改变放大器的抽运功率可控制输出脉冲的波长；第三，可获得较宽的波长调谐范围。在图4的系统中飞秒孤子脉冲的波长在106133MM内实现了波长调谐7。第14页共18页图4有光子晶体光纤放大器的波长调谐孤子脉冲实验系统结构示意图7利用这种系统还可满足某些特殊需要，比如获得高重复率、宽带波长调谐飞秒孤子输出。高重复率、宽带波长调谐飞秒孤子脉冲非常适用于未来的高速光时域波分复用通信系统。ABEDIN采用重复率为10GHZ、脉冲宽度为11PS、波长为156MM的主动锁模光纤激光器作为种子源，将激光器输出的光脉冲耦合到饱和功率为33DBM的色散补偿ER/YB光纤放大器进行放大，再传入长为126M、纤芯直径为17MM、掺锗浓度为2、零色散波长在780NM的光子晶体光纤，实现了10GHZ、300FS、120NM波长调谐飞秒孤子脉冲输出8。事实上，光子晶体光纤的非线性特性被开发利用之前，很难在高重复率情况下产生光孤子和实现100NM范围波长调谐，因为在普通光纤中高重复率比如10GHZ脉冲对应的峰值脉冲功率低，非线性系数很低，几乎无法产生光孤子。因此，在本实验中了解和应用非线形效应就显得非常重要。62波长直接调制的飞秒孤子系统利用一台被动锁模掺铒光纤激光器、LINBO3倍频晶体和光子晶体光纤产生飞秒孤子脉冲。被动锁模掺铒光纤激光器输出脉冲的宽度为110FS，脉冲重复率为48MHZ，中心波长为156MM，飞秒光脉冲进入LINBO3晶体，倍频产生波长为078MM的光。倍频光经衰减片衰减后耦合进入长为60CM、芯径为17MM、零色散波长在690NM附近的光子晶体光纤。从实验中可以知道由于孤子自频移随着光子晶体光纤输入功率的增加，孤子脉冲的中心波长向长波长方向移动。当注入光子晶体光纤的功率足够小时，孤子脉冲的波长随功率几乎成线性关系变化。但是，随着入射功率的增加，孤子脉冲波长移动效率逐渐降低，最后波长移动才会逐渐稳定下来。有报道讲述了利用光子晶体光纤直接压缩脉冲并产生孤子输出的实验，其实验系统如图（5）所示9。光源为一半导体激光器抽运的YBSYS飞秒激光器，其输出脉冲宽度为110FS，脉冲重复率为108MHZ，脉冲平均功率是10MW。中心波长为1068MM。光子晶体光纤长度为95CM，纤芯直径为26MM、孔间距为2MM、孔直径与间距之比为035，光纤零色散波长为950NM、波长为106MM的群速度色散为20PS/NM/KM。实验结果显示当输入光子晶体光纤的功率超过2MW时，脉冲就会被压缩，在功率为3MW时，110FS的脉冲被压缩成75FS。随着耦合功率的增加，开始出现受激拉曼散射和孤子自频移遥在进入光子晶体光纤的功率低于30MW的情况下，获得了调谐波长113MM的光孤子，第15页共18页调谐因子为9NM/MW10。图5半导体激光器抽运的YBSYS飞秒激光器和光子晶体光纤构成的孤子脉冲系统示意图10同有光放大的波长调谐光子晶体光纤飞秒孤子脉冲系统相比，该系统结构非常简单，无放大部分，只需控制飞秒脉冲光源输出功率的大小，但可能不适合于当今超高速通信光源的应用。有光放大的波长调谐光子晶体光纤飞秒孤子脉冲系统较为复杂，波长调谐依赖于抽运功率的大小，可在较低的飞秒脉冲种子光源输出功率的情况下产生高重复率光孤子，并实现波长调谐。光子晶体光纤具有普通光纤所不具备的独特特性，其光学非线性系数高、反常色散特性易于控制，同常规结构光纤系统相比，可在短光纤、低功率情况下利用光子晶体光纤获得宽带波长调谐的飞秒孤子脉冲。孤子脉冲系统既可以是有光纤放大器的波长调谐飞秒孤子系统，也可以是波长直接调制无放大器的孤子系统，二者各有优势。前者结构相对复杂，波长调谐通过调整放大器的抽运功率予以实现，可在较低的种子光源输出功率情况下产生光孤子和实现波长调谐，还可在获得超高重复率情况下同时获得宽带波长调谐，满足某些特殊需要；后者结构非常简单，飞秒脉冲直接在光子晶体光纤中压缩，产生光孤子并实现较宽范围的波长调谐。波长调制依赖于耦合进入光子晶体光纤的功率大小11。总之，波长可调谐光子晶体光纤飞秒孤子脉冲系统是一种新型的很有发展前途的光孤子系统，用于高速光通信，可以大大改善光通信系统的性能，增加通信距离，减少系统成本，具有重大经济价值和社会效应。7结束语本文用分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程，重点模拟了在受激拉曼散射影响下超短脉冲在光子晶体光纤中的传输特性。从模拟的结果可以看出在理想的无损耗的光纤，对于一阶孤子，因为GVD和SPM互相平衡，一阶孤子将无畸变地进行传输；而二阶孤子在传输过程中孤子前沿相对中心频率产生红移，孤子的后沿产生蓝移，脉冲的蓝移分量被作为泵浦，通过拉曼增益有效的放大相同脉冲的红移分量，此过程在光子晶体光纤中连续进行，致使能量不断地从蓝移分量转移到红移分量上，从而使得孤子发生了显著的自频移。这种孤子的自频移现象主要是由脉冲内拉曼散射引起的。脉冲变得平滑，出现了主峰与次峰,分别对应于频谱的红移分量和蓝移分量，脉冲频谱被极大展宽。高阶色散和非线形效应的共同作用可以使得脉冲以孤子的形式进行传输，脉冲的宽度和幅度都不会第16页共18页发生变化。【参考文献】1GPAGRAWAL著，贾东方等译非线性光纤光学原理及应用电子工业出版社，20024404672MICHAELBASS主编，胡先志等译。光纤通信通信用光纤、器件和系统。人民邮电出版社，2004342272873姜广东光脉冲压缩技术理论研究西南大学硕士学位论文，20064黄天水,曹文华,尹新付,郭力争高阶色散效应对光纤中高斯光脉冲的影响电子工业出版社200735645665FERMANNME,GALVANAUSKASA,STOCKMLETALULTRAWIDETUNABLEERSOLITONFIBERLASERAMPLIFIEDINYBDOPEDFIBEROPTLETT，199962202456沈廷根,谢秉川,姚洁,方云团高阶色散效应对孤子和孤子对传输的影响人民邮电出版社2004,55535547朱震高速光通信系统中的色散补偿技术电光与控制2003,10251548李曙光微结构光纤中超短激光脉冲传输及色散特性研究IEEE/ACM网络汇刊2007,1240569张山彪,王文军,毕军,李丽华超短激光脉冲技术及其研究进展激光杂志,2003,93210GPAGRAWAL,EFFECTOFINTRAPULSESTIMULATEDRAMANSCATTERINGONSOLITONEFFECTPULSECOMPRESSIONJOPTLETT1993,81150115211WENHUACAO,SONGHAOLIUULTRASGORTSOLITONTRANSMISSIONUSINGCONCATENATEDGAINDISTRIBUTEDNONLINEARAMPLIFYINGFIBERLOOPMIRRORSCHINESEOPTICSLETTERS,2005,3562565第17页共18页致谢本课题在选题及研究过程中得到曹文华老师的悉心指导，曹老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。曹老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时半年，却给以终生受益无穷之道。对曹老师的感激之情是无法用言语表达的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，曹老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在论文即将完成之际，我的心情无法