（光学专业论文）光脉冲压缩技术理论研究.pdf

摘要 光脉冲压缩技术理论研究 光学专业硕士研究生：姜广东 指导教师：夏光琼教授 摘要 高重复率超短光脉冲的产生是高速光时分复用( o t d m ) 系统的关键技术之一。c r r 叫系 统的传输速率越高。所需要的光脉冲的宽度就越窄。目前常采用g s d f b 半导体激光器作为 o t d m 系统的光脉冲源，这种脉冲源产生的光脉冲一般较宽并带有一定的负啁啾，因而必 须采用光脉冲压缩技术才能满足高速o t d m 系统的要求。本文在已有工作的基础上，提出了 一些切实可行、且能得到较好压缩效果的方案。 提出了一种基于正常色散递减光纤( n d d d f ) 、单模光纤( s m f ) 和非线性环镜( n o l m ) 组成的全光纤超短脉冲压缩方案。利用光脉冲在正常色散区的色散递减光纤( n d - d d f ) 中传 输时，在脉冲的中心部分将带上线性正啁啾，这样的脉冲在s i l i f 中传输时将有一个脉冲压缩 的过程，晟后利用n o l m 对压缩后的脉冲进行进一步的压缩和消基座处理。 从脉冲绝热压缩的理论出发，提出一种利用非线性递增光纤实现脉冲绝热压缩的新方 案。数值计算结果表明：当选取合适的光纤参量时，脉冲在非线性递增光纤中的压缩过程基 本符合绝热脉冲压缩的要求：由于非线性系数随传输距离增大而不断增大。使得高阶效应 尤其是拉曼自频移作用得到加强。从而出射脉冲相对于入射脉冲有一定的延时：即使考虑到 高阶效应的作用，依然能得到很好的脉冲压缩效果。 该论文的研究成果对高重复率超短光脉冲的获取具有一定的指导意义。 关键词：光脉冲压缩孤子压缩绝热压缩非线性光纤环镜色散递减光纤 t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i n go no p t i c a l p u l s ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e m a j o r ：o p t i c s a d v i s o r ：p r o f g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：g u a n g d o n gj i a n g ( $ 2 0 0 3 5 7 8 ) a b s t r a c t t h eg e n e r a t i o no fu l t r a - s h o r to p t i c a l p u l s ew i t hh i g i lr e p e t i t i o n r a t ei so n eo ft h ek e y t e c h n i q u e si nt h eh i g h - s p e e do p t i c a lt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o t d m ) s y s t e m t h eh i g h e rt h e t r a n s m i s s i o ns p e e di s ，t h es h o r t e rt h eo p t i c a lp u l s ew i d t hi se x p e c t e dt ob e n o w a d a y s 。t h eo p t i c a l p u l s eu s e di nt h eo t d ms y s t e mi so f t e ng e n e r a t e db yt h eg a i n - s w i t c h e dd i s l x i b u t e d - f v o d b a c k ( g s - d f b ) s e m i c o n d u c t o rl a s e r , w h i c hh a sal a r g ep u l s ew i d t ha n dn e g 鲥v cc h i r p t h e r e f o r e ，i n o r d e r t os a t i s f yt h ed e m a n do f t b eo t d m s y s t e m ，t h et e c h n i q u eo f o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o nm u s t b ea d o p t e d b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k s ，m a n yt e e s i b l es c h e m e sa b o u tp u l s ec o m p r e s s i o nh a v e b e e np r o p o s e da n di n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r , t h r o u g hw h i c ht h ep u l s ec b ec o m p r e s s e d e f f e c t i v e l y an o v e ld e s i g n e dm o d e lo fo p t i c a lp u l s ec o m p r e s s o r , w h i c hi sb a s e do nt h ed i s p e r s i o n d e c r e a s i n gf i b e ri nt h en o r m a l - d i s p e r s i o nr e g i m e ( n d - d d f ) ，s i n g l em o d ef i b e r ( s m f ) a n d n o n l i n e a ro p t i c a lf i b e rl o o pm i r r o r ( n o l m ) ，h a sb e e np r e s e n t e d w h e nap u l s ei sp r o p a g a t i n gi n t h en d - d d f , t h ec e n t r a lp a r to f t h ep u l s ew i l lg e n e r a t el i n e a ru p - c h i r p ，w h i c hc a nb ec o m p r e s s e d t h r o u g hp r o p a g a t i n gi nas i n g l em o d ef i b e rw i t hr e a s o n a b l el e n g t h , a n dan o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r m i r r o ri su s e df o rf l l l t h e l c o m p r e s s i o na n dp e d e s t a ls u p p r e s s i o n s t a n d i n gf r o mt h ea d i a b a t i cc o m p r e s s i o nt h e o r y , an e wp u l s ea d i a b a t i cc o m p r e s s i o nm o d e b a s e do nt h en o n l i n e a r i t yi n c r e a s i n gf i b e rh a sb e e ns u g g e s t e da n di n v e s t i g a t e d t h en u m e r i c a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep u l s ec o m p r e s s i o np r o c e s si nt h i sk i n do ff i b e rs a t i s f i e st h ea d i a b a t i c c o n d i t i o nb ys e l e c t i n gt h er e a s o n a b l es y s t e m a t i cp a r a m e t e r s f o rt h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n t s i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp r o p a g a t i n gd i s t a n c e ，t h eh i i g h e ro r d e rn o n l i n e a re f f e c t s ，e s p e c i a l l y t h er a m a ns e l f f r e q u e n c y - s h i f t , w i l lb ee n h a n c e d ，w h i c hw i l ll e a dt ot i m e - d e l a yb e t w e e nt h e o u t p u ta n dt h ei n p u tp u l s e h i g i lq u a l i t yc o m p r e s s e dp u l s ec a l ls t i l lb eo b t a i n e de v e ni f t h eh i g h e r o r d e re f f e c t sa r ei n v o l v e d t h ea b o v er e s u l t sc a np r o v i d ea ni n s t r u c t i v ei n s i g h tt oo b t a i nu l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s ew i t h h i g hr e p e t i t i o nr a t e k e y w o r d s ：o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o ns o l i t o nc o m p r e s s i o na d i a b a t i cc o m p r e s s i o n n o n l i n e a r o p t i e a lf i b e rl o o pm i r r o rd i s p e r s i o nd e c r e a s i n gf i b e r 独创性声明 学位论文题目： 盘然擅压缱量盛堡竣受塞 一 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究一作 及取褥越研究成果。据我所知，除了文中特剔加以标注和致谢的媲方 外，论文中不包含熊他人已经发表或撰写过的研究成聚，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 固工作的网志对本研究所傲鳇任何贡献均忍在论文中作了骧确的说明 并表示谢意。 学位论文作者：。摹_ 焉签字日期：沙年岁月jb 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被套阅和错麓。本人授权秀赢大学磷究生院可 ；乏将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据瘁进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密魏学位论文在簿密后适周本授权书，本论文：崮不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：毒丁寺， 、2、 签字露期：土一6 年分月 g 秘 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导痨签名：疆乞秽孑 签字瑗黧：，g 年歹月谗露 电话： ! 鄄缡： 绪论 第一章绪论 1 光纤通信发展简介 伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大容 量。长距离的方向发展已经是必然的发展趋势。由于光波具有极高的频率( 大约 3 亿兆赫兹) ，也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以 用光波作为载体来进行通信一直是人们追求的目标所在。 在六十年代中期以前，人们虽然历经苦心研究过光圈波导、气体透镜波导、 空心金属波导管等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因它们或者 衰耗过大或者造价昂贵而无法实用化。也就是说历经几百年人们始终没有找到传 输光波的理想传送媒体。 1 9 6 6 年7 月英藉华人高锟博士( k c k a o ) 发表了一篇十分著名的文章用 于光频的光纤表面波导，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现 光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结。更重要的是科学地预言了制造 通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把 光纤的衰耗系数降低到2 0 d b k m 以下。他的预见很快就变成了现实：1 9 7 0 年康 宁公司根据高锟文章的设想用改进型化学相沉积法( m c v d 法) 制造出当时世 界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。虽然当时康 宁公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约2 0 d b k m ，而且几个小时之后便损坏了。 但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全 有可能的，也就是说找n - j 实现低衰耗传输光波的理想传输媒体，是光通信研究 的重大实质性突破。1 9 7 0 年以后，世界各国对光纤通信的研究倾注了大量的人 力与物力，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。到了8 0 年代初，单模 光纤在波长1 5 5 0 n m 的损耗已降到0 2 d b k m “1 ，接近了石英光纤的理论损耗极限。 到1 9 9 0 年最低损耗已经到达0 1 4 d b k m ，它已经接近石英光纤的理论衰耗极限 值0 i d b k m 。 在光纤损耗降低的同时，作为光纤通信使用的光源，半导体激光器也研制成 功，并取得了实质性的进展。1 9 7 0 年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在 室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器 件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分 绪论 布反馈式单纵模激光器( d f b ) 以及多量子阱激光器( m o w ) 。光接收器件也从简 单的硅p i n 光二极管发展到量子效率达9 0 的一v 族雪崩光二极管a p d 。低损 耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。 光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成 电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短 距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制( p d h ) 到新体制( s d f l ) 的迅猛发 展。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率 为4 5 m b s ，中继距离为l ok m 。1 9 8 0 年，多模光纤通信系统商用化( 1 4 0 m b s ) ， 并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。1 9 9 0 年，单模光纤通信系统进入商 用化阶段( 5 6 5 m b s ) ，并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场 试验，而且陆续制定数字同步体系( s d h ) 的技术标准。1 9 9 7 年，采用波分复用 技术( w d m ) 的2 0 g b s 和4 0 g b s 的s d h 产品试验取得重大突破。此外，在光孤 子通信、超长距离通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。 总之，从1 9 7 0 年到现在虽然只有短短三十多年的时问，但光纤通信技术却 取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这 一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前的光纤 通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2 左右，尚有巨大的潜力等待人们去 开发利用。随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩展光纤传输 不仅在高速率长距离干线网上得到广泛的应用，而且在用户接入网上的应用也逐 年扩大。随着光电技术的发展和逐渐成熟，世界光纤市场和光电器件市场大幅增 长，而市场价格却急剧下降，光纤通信产业应该向更高水平、更高阶段方向发展。 2 光脉冲压缩技术研究的背景及现状 随着全球互联网( i n t e r n e t ) 的迅猛发展，以因特网技术为主导的数据通信 在通信业务总量中的比例迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为 迅速、竞争最为激烈的领域。同时，无论是从数据传输的用户数量还是从单个用 户需要的带宽来讲，都比过去大很多。特别是后者，它的增长将直接需要系统的 带宽以数量级形式增长。因此如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足 不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。 面对市场需求的增长，现有通信网络的传输能力的不足的问题，需要从多种 可供选择的方案中找出低成本的解决方法。缓和光纤数量的不足的一种途径是铺 绪论 设更多的光纤，这对那些光纤安装耗资少的网络来说，不失为一种解决方察。但 这不仅受裂许多物理条俘的限制，也不能鸯效零j 用光纾带宽。另一秘方案楚采用 光的复鲻技术。舀翦有两种技术可以掇离光纡的传输窖蛩，一种是光波分复用 ( w d m ) 技术“。5 1 ，一种是光时分复用( 0 r r d m ) 技术”，前者利用已经铺设好的 光纤，通过增加单根光纤中传输的信道数泉提高光纤的传输容量，后者是提高单 信遒的速率。霉前采用w d m 技术实现龚孽袋商速率己达2 6 t b i t s ，嚣嘲技术 实现的单信道最高速率达6 4 0 g b i t s 。和波分复用相比，0 t d m 由于关键器件尚处 于试验阶段，因此仍然很不成熟。与w d m 复用方式不同，0 t d m 是通过使用比特 闻插来实现扩大容量的。攘然o t 隧的概念早在1 9 6 8 年藏被提出，但由予耱关技 术与器徉的辗制，壹到1 9 8 8 年以螽，0 t d m 方成为广为瞩嚣的研究热点。0 t d m 备受人们关注主要有以下几个原因引起： ( 1 ) 它可以克服w d m 的一些固有的缺点，如：放大器级联产生增益的不平 坦、竞纾赣线性的限捌等等。 ( 2 ) o t d m 技术被认为是一种长远豹网络技术，将来网络资源的分配废毒是 统计复用的，可以高效的灵活的为用户提供服务：但作为波分复用系统，在信道 视上无法提供满足于需求的统计性需求，资源分配很不灵灌。蕊作为o t d m 技 术，它毒罄翦入 f 】使嗣瓣t d m 有羞翊叛弱特性，它毯含了t d m 豹许多俊淼， 在将来的采用全光交换和全光路由选择的全光网络中，o t d m 的这些特点使它 作为将来的网络技术方察更县有吸引力。 ( 3 ) w d m 与暖蹦怒霹以兼容复合的两秽溺络，并不是捧蓐数关系，我们可 议在w d m 中结台o t 脯技术，可以利用o t d m 来提高单信邋容攘，然后再馒用罚辑 技术来实现网络的扩容。 当前，实现0 t d m 的荧键是产生高重复率的超短脉冲源。识由于从激必器中 直接产生的躲狰一毂其露较大艉赫砖宽菠，因蔼难殴适应0 t d m 技术的簧求。为 了解决这一问题，从而产成了光脉冲压缩这一研究课题。特别是利用光纤中的非 线性效应来实现对脉冲的压缩已受到人们极大的关注。目前，光脉冲压缩的主要 方法有；光终一光撵辩麓光躲；串压缩，孤子效应光璐压缩、缝热黥争压缡、基 于交叉相位调制的光脉冲的蕊缩，疆瞅躲狰压缩，以及巍纤光掇脉冲匿缩筹。 2 1 光纤一光栅对的光脉冲压缩 在可见光和近红外区( 曼( 1 3 p r o ) 脉冲压缩，最常用的是光绥一光栅对藤缩 绪论 器。图1 给出了这种压缩器的双通结构示意图i l l d 输入脉冲耦合进单模光纤，在 光纤中其频谱被展宽，产生沿整个脉宽分布的正啁啾。光谱的展宽起源于自相位 调制效应，线性正频率啁啾的形成是由于自相位调制效应与正常群速度色散效应 的相互作用。输出脉冲进入光栅对，再次通过反常g v d 将脉冲压缩。最后，光束 通过光栅对返回到初始截面。镜m 略加倾斜以将输入输出脉冲分开；地镜( 虚 线所示) 置于图所在平面上面，将压缩后的脉冲折射出压缩器而不带任何附加任 何损耗。 压缩脉冲 图1 ：光纤一光栅对压缩器 最早利用脉冲在光纤中的自相位调制效应压缩光脉冲的是n a k a t s u k a 等人 喁l ，他们用类似于光纤一光栅对压缩器的结构，将锁模染料激光器输出的波长为 0 5 8 7 9 m 、宽度为5 5 p s 脉冲压缩到1 5 p s ，但当时用的反常色散器件是钠原子蒸 汽而不是现在所用的光栅对。随后不久，s h a n k 等人1 9 采用光栅对作为反常色散 器件，将波长为0 6 1 9 9 m 、宽度为9 0 f s 脉冲压缩到3 0 f s ，这一结果导致了后来的 一系列突破 1 0 - h 1 。1 9 8 5 年，k n o x 等人【1 1 用光纤一光栅对将波长为o 6 2 9 m 、宽度 为4 0 f s 、峰值功率约1 0 1 2 w e m ，的脉冲压缩到8 f s ，所用光纤仅7 c m 。1 9 8 7 年， f o r k 等人】通过抵消光栅对的立方相位项，成功地获得了迄今仍为晟短的波长 为o 6 2 p m 的6 f s 脉冲。在这期间，人们将这种压缩技术一直推广到对波长为 1 3 2 9 m 的激光脉冲压缩【1 2 】。在该波长附近的优点是，一方面可用色散位移光纤 来代替光栅对，实现全光纤脉冲压缩【”1 ，另一方面由光纤一光栅对压缩后的脉 冲还可通过常规光纤进行第二级孤子效应压缩。 2 2 孤子效应光脉冲压缩 孤子效应压缩器仅由一根能提供反常群速度色散的光纤构成【i 脉冲压缩 机制与高阶孤子在光纤中周期性演化的初始变窄过程有关，如图2 所示。实际上。 输入光纤的脉冲不一定具有孤子形态，而且往往带有一定的初始频率啁啾，但当 输入脉冲的峰值功率高于一定程度以后自相位调制效应与反常群速度色散效应 的相互作用能使脉冲经历一初始变窄过程。在一定范围内，输入脉冲的峰值功率 愈高，脉冲的初始变窄过程愈显著。 图2 孤子阶数为5 时，孤子效应脉冲压缩的演化图。 最早观察到光纤中孤子效应压缩现象的是m o l l e n a u e r 等人【1 4 1 ，他们用1 0 0 m 长的常规光纤，将波长为1 5 1 a m 的7 p s 脉冲压缩到o 2 6 p s ，并通过计算机模拟， 得到了与实验一致的结果。后来的实验表明，孤子效应压缩不仅技术上简单，而 且也适用于初始脉宽较大的脉冲压缩【”l ，并可获得很高的压缩比。最近的研究 表明【l6 j 对于初始宽度较大的脉冲压缩，若脉冲波长不靠近光纤的最低损耗处， 则光纤损耗对脉冲压缩的影响不可忽略，特别是在选择最佳光纤长度时应考虑到 光纤损耗这一影响因素。 在孤子效应脉冲压缩中，压缩比随输入脉冲峰值功率的升高而增大。因此， 一个有效地提高压缩比的途径是采用两级压缩法，即先用光纤一光栅对压缩较宽 的脉冲，使压缩脉冲获得尽可能高的峰值功率，然后通过孤子效应压缩来进一步 提高脉冲压缩比。g o u v e i a - n e t o 等人f 17 】曾采用这种两级压缩方法，将锁模n d ：y a g 4 3 2 1 0 4 美苹目i 绪论 激光器输出的波长为1 3 2 9 m 、宽度为9 0 p s 脉冲压缩到1 8 f s 压缩比高达5 0 0 0 倍。 对于飞秒脉冲的孤子效应压缩，人们认识到描述皮秒脉冲传输的非线性薛定 谔方程不能较好地解释已有的实验结果。这是由于在光纤中传输的飞秒脉冲其光 谱很宽，脉冲内部的受激喇曼散射( i s r s ) 效应愈来愈影响脉冲自相位调制效应与 反常群速色散效应的相互作用。a g r a w a l 1 8 l 通过计算机模拟指出，考虑到i s r s 效应以后，飞秒脉冲压缩所需的最佳光纤长度比不考虑到i s r s 效应时要长这 与当时已有的实验结果相一致。此后又有人对i s r s 效应影响下的飞秒脉冲孤子 效应压缩进行详细的数值研究【l ”0 1 ，实际上，对于皮秒脉冲孤子效应压缩，当入 射脉冲峰值功率提高到一定程度后，受激喇曼散射效应也是影响脉冲压缩的一个 主要因素，这里皮秒脉冲的i s r s 效应与飞秒脉冲的i s r s 效应有一定区别【2 。 由于i s r s 效应，在通常的光纤一光栅对压缩或孤子效应压缩中，光纤中传输的 主脉冲能量会向s t o k e s 脉冲转移，从而引起主脉冲能量的损耗，这就使得人们 不能够通过继续增加入纤脉冲峰值功率的办法来获得更高的压缩比。 2 3 绝热脉冲压缩技术 绝热压缩是利用基孤子在光纤中传输时。在微弱能量扰动情况下仍能保持稳 定来达到脉冲压缩口“3 0 1 。在理想情况下，由于群速度色散作用导致的脉冲展宽可 被自相位调制作用补偿，基孤子能够在光纤中无限传输而保持形状不变，即使在 某种微扰下而打破这种平衡，孤子也可以通过自我调整而恢复到稳定状态。然而 在实际情况中，理想光纤并不存在，增益、损耗、色散和非线性总是会对基孤子 平衡态造成一定的扰动。 基孤子在能量扰动下的作用关系可如此说明f 3 ”。首先，引入参量l d ，l n r ， | l 0 2 赫和面1 = 东= 掣 ， 其中幻色散长度，l n r 为非线性长度，t f w h m 表征初始光脉冲的半极大全宽度， 芦。为群速度色散系数，表示孤子阶数，p d 表示入射脉冲峰值功率。对于一个 具有峰值功率为j p p 酬k 的双曲正割形脉冲，所含能量为 绪论 肚2 k 需 “。2 其中t f w n m 为半极大全宽度，把( 1 ) 式中p d 带入( 2 ) 中基孤子所含能量为 e ：3 5 2 5 1 f i 2 1 ( 1 3 ) 门南一 假设基孤子在微弱能量扰动下仍能保持稳态孤子传输则脉冲宽度随传输距离的 变化可以从能量守恒的角度来观察： 塑：g ：型盟血业( 1 4 ) e ( o )厦0 ) ，( z ) ( = ) = 器焉竿 s ， 其中g = p 4 表示光纤中的损耗，口为损耗系数。式( 5 ) 表示基孤子在具有损耗 的光纤中传输的情况。当脉冲在具有恒定非线性系数r 和群速度色散系数卢，的 光纤中传输时，脉冲将被展宽： m ( z ) = ( 0 ) e 。 ( 1 6 ) 此方程只有在低损耗的情况下，即满足a l l 的情况才成立。当传输距离较长 或损耗较大时，脉冲被展宽，基孤子随传输距离的增加将被衰减直至消失。 同时，由式( 1 2 ) 还可以看出在下面三种情况下，均可以实现对输入脉冲的压 缩： 1 ) 当采用光纤放大器对脉冲进行放大( 即d 1 ) 时，光脉冲的放大可引入啁 啾，如果光纤中的g v d 合适，则可以使输入脉冲得到压缩。1 9 9 9 年，y m m a t s u i 等人用6 m 铒光纤制成的e d f a 将i p s 的脉冲压缩到了2 6 0 r s ：1 9 9 4 年，m n a k a z a w a 等用l k m 的色散渐减的e d f 将2 9 p s 的脉冲压缩到了1 7 0 f s ，压缩 因子达到了1 7 ；在另一实验中阻1 ，利用2 0 k i n 长普通单模光纤制成的后向泵浦喇 曼放大器可以将l o p s 脉冲压缩到l p s ，但压缩因子取决于泵浦功率，若想得到 1 0 倍的压缩因子，泵浦功率要超过1 5 w 。 2 ) 如果使f 口。( z ) i y ( 0 ) ，如利用逐渐减小光纤芯径方法制作的d d f ，芯径渐减时非 线性系数会逐渐增大：此外还可通过掺杂例如通过往纤芯中掺杂锗元素，可使 光纤弱爿# 线性系数褥捌增大。 2 4 其它脉冲压缩技术 交叉相使调制m 4 q 。利用s p m 引起的啁啾匿缩脉冲要求入射脉冲足够强，从而 辣渖褒必纤内传输露箕频谱能褥到穗对稷度的震宽，驻然，这种压缨技术不能很 好的压缩低能量脉冲原因在于弱脉冲在传输过程中的s p m 效应也很微弱。由 于x p m 效应也能对光脉冲施加频率啁啾【4 卜43 1 ，为此，人们提出基于交叉相位调 割的弱躲砖歪缩方法。郄让被压缩黥 孛和勇一个波长不慰豹强泵藩脉；中在光纾孛 共同转输，) m 和g v d 豹共同作用可谴嚣脉冲得到有效援缩。利用这原理不 仅可通过弱脉冲压缩方法获取超短光脉冲，而且也可以点接从连续波产生超短光 脉冲。 光纾党裰脉冲压缨 h 。光纤光摇戆够维菏布拉椿孤予，这些孤予可被疆来进 行脉冲眶缩，其工作方式与无光栅的光纤中高阶孤子产生的孤子效应聪缩相同。 只不过所需要的光纤光栅的长度大大减小，仅有几个厘米。其次光纤光栅由于具 有较大的群速疫色散，因她可眉作压缩媚嗷脉冲。 光放大器脉；孛压缩h 1 。在一定的条律下，光脉捧舱放大茸萼l 入脉冲稠嗽，如 果随后将此脉冲在一段适当的g v d 光纤中传输，可使脉冲获得压缩，半导体放 大器就是例证；这种方法的优点是低能麓的脉冲可由一放大器和适当的类型的光 纤丽时技放大和垂缩，聪魏低能量辣冲幽予其峰值功率较低，不能直接谯党纤串 压缩。此外，光纤放大器也可用于压缩脉冲，如掺铒光纤放大器、拉受光纤放大 器，其压缩机理与高阶孤子相似仅产生予反常g v d 区。特别是峰值功率足够大 时，放大脉冲形成孤予：当为基态孤予对，照着信号抟放大脉冲宽度逐渐减小， 孤子阶数可保持不交，这样脉冲便保持7 绝热放大1 2 冀 当为高阶弧子辩，脉冲 在传输过程中便形成了商阶孤子压缩。 8 3 压缩脉冲的整形 目前大部分压缩技术产生的脉冲都具有一定的脉冲基座这将给信息传输带 来不便，极容易造成码间干扰，因此需对压缩后带有基座的脉冲进行脉冲整形。 常用的脉冲整形技术是非线性光纤环镜脉冲整形 4 4 - 4 9 1 ，以及非线性双折射脉冲整 形 5 0 - 5 1 】。 3 1 非线性光纤环镜脉冲整形 非线性光纤环镜( n o l m ) 是一种得到广泛应用的新型光纤器件，包括一个x 形耦合器和一个光纤环。它最初是由n j d o r a n 于1 9 8 8 年提出，根据光学克尔 ( k e r r ) 效应，使光纤环内两路反向传播的光束绕环一周后产生不同的相移，从而 实现其强度滤波特性。目前，脉冲的整形大多采用n o l m 。由于n o l m 的强度 滤波特性，我们可以将其设计成通过强度高的脉冲中心部分而抑制强度低的基座 部分：这样压缩后脉冲b 3 a p , c , 部分与背景基座部分的强度相差甚大的脉冲，中心 与边缘部分的透过率相差很大，通过n o l m 后，脉冲的两翼被强烈抑制从而 达到消基座的目的。此外，n o l m 也可以用于抑制短脉冲演化过程中所产生的 低强度的高阶色散波和拉曼散射波。用n o l m 对脉冲整形具有结构简单、成本 低廉的优点。广泛应用于光纤通信系统信号处理领域。 3 2 非线性双折射脉冲整形 光纤的非线性双折射现象可用来消除脉冲基座1 4 9 1 。因为强脉冲引起非线性 双折射，当脉冲通过光纤和检偏器时，其透射率与强度有关，所以可用此双折射 来修正脉冲自身的形状。这种器件能阻挡脉冲的低强度部分而是中心较强的部分 通过，因此可以用来消除压缩脉冲的低强度基座，达到脉冲整形的目的。 4 本文的主要研究内容 本文在研究了前人工作的基础上，对光脉冲压缩技术进行了进一步的研究， 并从理论上提出了一些可行性的方案、及改进压缩效果的方法。具体研究内容如 下： 提出了一种基于正常色散递减光纤( n d d d f ) 、单模光纤( s m f ) 和非线 性环镜( n o l m ) 组成的全光纤超短脉冲压缩方案。利用光脉冲在正常色散区的 色散递减光纤( n d d d f ) 中传输时，在脉冲的中心部分将带上线性正啁啾，这 样的脉冲在s m f 中传输时将有一个脉冲压缩的过程，最后利用n o l m 对压缩后 的脉冲进行进一步的压缩和消基座处理。 从脉冲绝热压缩的理论出发，利用非线性递增光纤实现脉冲绝热压缩。数值 计算结果表明：当选取合适的光纤参量时，脉冲在非线性递增光纤中的压缩过程 基本符合绝热脉冲压缩的要求；但由于非线性系数随传输距离增大而不断增大， 使得高阶效应，尤其是拉曼自频移作用得到加强，从而出射脉冲相对于入射脉冲 有一定的延时：即使考虑到高阶效应的作用，依然能得到很好的脉冲压缩效果。 对于以上研究内容，本文将在第三章到第四章进行详细分析和介绍。 参考文献 【l 】g p a g r a w a l ，n o n l i n e a rf i b e ro p t i c si m a c a d e m i cp r e s s ，n e wy o r k , 1 9 9 5 2 】s h i d e y u k i ，c w a t a r u , k k e n - i e h i ，p h o t o n i cg a t e w a y ：t d m - t o w d m t o t d m c o n v e r s i o na n dr e c o n v e r s i o na t4 0g b i t s ( 4c h a n n e l s x1 0g b i t s s ) j 】，o p t s o c a m b ，2 0 0 2 ，1 9 ( 11 ) ：2 8 1 0 - 2 8 1 6 【3 】n i n g o ，b o l i v e r , m m a n f r e d ，e la 1 ，m u l t i c h a n n e lw a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gw i t l lt h e r m a l l yf i x e db m g gg r a t i n g si np h o t o r e f r a c t i v el i t h i u m n i o b a t ec r y s t a l s 【】，o p t s o c a m b ，2 0 0 3 ，2 0 ( 8 ) ：1 5 9 3 1 6 2 0 【4 】j f l d e v a n e y , w f o r y s i a k ，a m n i c u l a e ，e la 1 ，s o l i t o nc o l l i s i o n s i n d i s p e r s i o n m a n a g e dw a v e l e n g t h - d i v i s i o n - m u l t i p l e x e ds y s t e m s j 】o p t l e t t ， 1 9 9 7 ，2 2 ( 2 2 ) ：1 6 9 5 1 6 9 7 5 】x j g u ，w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gi s o l a t i o nf i b e rf i l t e ra n dl i g h ts o u r c e u s i n gc a s c a d e dl o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g s 【j 】o p t l e t t ，19 9 8 ，2 3 ( 7 ) ：5 0 9 510 6 】t y a m a m o t o ，m n a k a z a w a t h i r d - a n d f o u r t h - o r d e ra c t i v e d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n w i t ha p h a s e m o d u l a t o ri nat e r a b i t - p e r - s e c o n do p t i c a l t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x e dt r a n s m i s s i o n 【j 】o p t l e t t ，2 0 0 1 ，2 6 ( 9 ) ：6 4 7 6 4 9 【7 】s c l i c h u a n g ，t l w a n g ，e ta 1 ，o t d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e me x p l o i t i n ga m o d e l o c k e df i b e rl a s e ra st h ec l o c ke x t r a c t o r j 】o p t c o m m u ，19 9 8 ，1 4 9 ： 2 5 2 _ 2 5 4 【8 】h n a k a t s u k a ，d c r i s c h k o w s k y , a n da c b m a n ln o n l i n e a rp i c o s e c o n d - p u l s e p r o p a g a t i o nt h r o u g ho p t i c a lf i b e r sw i t hp o s i t i v eg r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n 【j 】 p h y s r e v l e t t ，1 9 8 1 ，4 7 ( 1 3 ) ：9 1 0 9 1 3 9 c vs h a n k ，r l f o r k ，r y e ne ta 1 ，c o m p r e s s i o no ff e m t o s e c o n do p t i c a lp u l s e s l o 绪论 【j 】a p p l i p h y s l e t t ，1 9 8 2 ，4 0 ( 9 ) ：7 6 1 7 6 3 【1 0 】w h k n o x ，r l f o r k ，m c d o w n e r , e ta 1 ，o p t i c a lp u l s e sc o m p r e s s i o nt o8 f s a ta5 - k h z r e p r e t i o nr a t e 【j 】a p p l i p 协，l e t t ，1 9 8 5 ，4 6 ( 1 2 ) ：1 1 2 0 - 1 1 2 1 【1 1 】r l f o r k ，c h b r i t o ，ec b e c k e re ta 1 ，c o m p r e s s i o no fo p t i c a lp u l s e st os i x f e m t o s e c o n d sb yu s i n gc u b i cp h a s ec o m p e n s i t i o n 【j 】o p t l e t t ，1 9 8 7 ，1 2 ( 7 ) ： 4 8 3 - 4 8 5 【1 2 】k t a i ，a t o r n j 饥1 1 0 0 xo p t i c a l f i b e rp u l s ec o m p r e s s i o nu s i n gg r a t i n gp a i ra n d s e l i t o ne f f e c ta t1 3 1 9um 【j 】a p p l i p h y s l e t t ，1 9 8 6 ，4 8 ( 1 6 ) ：1 0 3 3 1 0 3 5 f 1 3 】k j b l o w , n j d o r a na n db p n e l s o n , a l l - f i b e rp u l s ec o m p r e s s i o na t1 3 2 “m 【j 】，o p t l e t t ，1 9 8 5 ，10 ( 8 ) ：3 9 3 - 3 9 5 【1 4 】l f m o l l e n a u e r , r h s t o l e n ，j eg o r d o ne la 1 ，e x t r e m ep i c o s e c o n dp u l s e n a r r o w i n gb ym e r n so fs o l i t o ne f f e c ti ns i n g l e m o d eo p t i c a lf i b e r sm o p t l e t t ， 1 9 8 3 ，8 ( 5 ) ：2 8 9 2 9 1 【1 5 】e m d i a n o v , a y - k a r a s i k ，evm a m y s h e we t a 1 ，1 0 0 - f o l dc o m p r e s s i o no f p i c o s e c o n dp u i s e sf r o map a r a m e t r i cl i g h ts o u r c ei ns i n g l em o d eo p t i c a lf i b e r sa t w a v e l e n g t h s l 5 - 1 6 5 1 a m 肥 l e t t ，1 9 8 4 ，4 0 ( 4 ) ：9 0 3 9 0 6 【1 6 曹文华等，光纤损耗对皮秒脉冲孤子效应压缩的影响，光学学报，1 9 9 3 ， 1 3 ( 1 1 ) ：1 0 0 3 - 1 0 0 7 。 【1 7 a s g o u v e i a - n e t o ，a s l g o m e s ，j r t a v l o r , 5 0 0 0 一f o l dc o m p r e s s i o no f p i c o