（光学专业论文）光纤超连续谱产生的特性研究(1).pdf

摘要 光纤中超连续谱s u p e r c o n t i n u u ms p e c t r u m ( s c ) 的产生源于光 纤中各种非线性效应( 如自相位调制效应、交叉相位调制效应，四 波混频效应、受激r a m a n 散射与受激b r i l l o u i n 散射等) 和群速度 色散共同作用。本文研究了光纤的色散特性、交叉相位调制效应对 s c 谱展宽的影响。论文分七章，第一章为绪论，第二章为该论文基本 理论，第三、四、五、六为论文的主要工作，第七章为总结与展望。 第一章：回顾、介绍了超连续谱的研究进展及其重要的应用。 第二章：介绍了本文研究工作的理论基础。 第三章：研究了色散渐减光纤中超连续谱的产生情况。研究结 果表明，光纤的色散特征对光脉冲的传输和超连续谱的产生均有重 要影响。由于色散渐减光纤的色散斜率不为零，因此脉冲在光纤中 传输时产生不对称的情形，并最终产生不对称的光纤超连续谱。色 散渐减光纤的色散斜率越小，越有利于脉冲和超连续谱的对称性， 也越有利于超连续谱的展宽。 第四章：研究了色散平坦渐减光纤中超连续谱的产生情况。研 究结果表明，由于在泵浦波长处光纤的色散斜率为零，因此脉冲在 光纤中传输时保持对称，并产生对称的超连续谱。光纤的色散曲线 越平垣，色散曲线的两个零色散波长相距就越远，也越有利于超连 续谱的展宽。 第五章：研究了在色散平坦渐减光纤中，交叉相位调制效应对 光脉冲的传输以及超连续谱产生的影响。研究结果表明，交叉相位 调制效应对超连续谱的产生起到增强的作用，提高了超连续谱产生 的效率。在一定条件下，尽管脉冲的两个偏振分量的模式折射率不 同，但由于交叉相位调制效应，它们能相互俘获并以共同的群速度 传输，产生自捕获现象。当输入脉冲的泵清功率较低时，交叉相位 调制效应对超连续谱的产生的增强效果更为显著，它极大地提高了 超连续谱的产生的效率。数值计算的结果还表明，与其他高阶非线 性效应相比，拉曼自频率移效应对超连续谱产生的影响更为明显。 第六章：研究了非色散渐减光纤中平坦光纤超连续谱的产生。 发现在光纤的正常色散区，色散曲线与波长的成凸型函数关系的色 散特征，有利于平坦光纤超连续谱的产生。色散曲线的特性对超连 续谱平坦度及宽度有重要的影响。通过对色散曲线的优化设计，可 以获得平坦展宽的超连续谱。 第七章：总结与展望 关键词：光纤光学；超连续谱；色散渐减光纤；色散平坦渐减光纤 交叉相位调制；群速度色散； a b s t r a c t t h eo r i g i no fs u p e r c o n t i n u u ms p e c t r u m ( s c ) g e n e r a t i o ni no p t i c a l f i b e r sh a sb e e ns h o w nt ob et h ei n t e r p l a yb e t w e e nf i b e rn o n l i n e a re f f e c t s ( s u c h a ss e l f p h a s em o d u l a t i o n ，c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ，s t i m u l a t e d r a m a n s c a t t e r i n g a n ds t i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n ge t c ) a n d g r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o n ( g v d ) t h ed i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h e f i b e r sa n dt h ec r o s sp h a s em o d u l a t i o ne f f e c to ns c g e n e r a t i o na r es t u d i e d t h et h e s i sa r ec o m p o s e do f7c h a p t e r s ，a m o n gw h i c ha r e ，c h a p t e r1i sa s u r v e y ，c h a p t e r2 i st h eb a s i ct h e o r yo ft h i s t h e s i s ，c h a p t e r3 ，4 ，5 ，6 a r e t h ei n t r o d u c t i o n so f m y o w nw o r k ，a n d c h a p t e r7a r et h ec o n c l u s i o na n d e x p e c t a t i o n c h a p t e r l ：t h ed e v e l o p m e n t a n d a p p l i e ds i g n i f i c a n c e o fs ca r e i n t r o d u c e d c h a p t e r 2 ：i nt h i sc h a p t e r ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h er e s e a r c hw o r ka n d t h ep u l s e p r o p a g a t i o ne q u a t i o na r ei n t r o d u c e d c h a p t e r 3 ：t h eg e n e r a t i o n o fs c s p e c t r u m i nt h e t y p i c a l d i s p e r s i o n - d e c r e a s i n g f i b e ri s t h e o r e t i c a l l y r e s e a r c h e d t h er e s e a r c h i n d i c a t e dt h a tt h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ef i b e rh a sm u c he f f e c t o n p u l s e e v o l u t i o na n ds c s p e c t r u mg e n e r a t i o n w h i l e t h e p u l s e p r o p a g a t e si n t h ef i b e r ，i tb e c o m e sa s y m m e t r i c a la n dt h e a s y m m e t r i c a l s cs p e c t r u mi sr e s u l t e d e v e n t u a l l yb e c a u s et h ed i s p e r s i o ns l o p eo ft h e d i s p e r s i o n - d e c r e a s i n gf i b e ri sn o te q u a lz e r o t h es m a l l e rt h ed i s p e r s i o n s l o p e ，t h em o r ea s y m m e t r i c a lt h ep u l s ea n dt h es cs p e c t r u ma r c i ti s m o r es u i t a b l ef o rb r o a d e ns cs p e c t r u mg e n e r a t i o nw h e nt h e d i s p e r s i o n s l o p ei ss m a l l e r c h a p t e r 4 ：t h es cs p e c t r u mg e n e r a t e di nt h ed i s p e r s i o n - f l a t t e n e da n d d e c r e a s i n gf i b e ri st h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t t h e p u l s ek e e p ss y m m e t r yw h i l e p r o p a g a t e s i nt h e f i b e r ，a n d t h e s y m m e t r i c a ls cs p e c t r u mi sr e s u l t e de v e n t u a l l yb e c a u s et h e d i s p e r s i o n s l o p e o ft h ef i b e r a tt h e p u m pw a v e l e n g t h i s e q u a l z e r o i t i sm o r e s u i t a b l ef o rt h eb r o a d e rs cs p e c t r u mg e n e r a t i o n w h e nt h e d i s p e r s i o n c u r v eo ft h ef i b e ri sf l a t t e ra n dd i s t a n c eb e t w e e nt h et w oz e r o d i s p e r s i o n w a v e l e n g t h so ft h ef i b e ri s f a r t h e rf r o me a c ho t h e r c h a p t e r 5 ：t h e e f f e c to f c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) o np u l s e p r o p a g a t i o na n d scs p e c t r u mg e n e r a t i o ni nad i s p e r s i o n f l a t t e n e da n d d e c r e a s i n gf i b e ra r er e s e a r c h e d i t i sf o u n dt h a tx p mc o u l de n h a n c et h e s cs p e c t r u mg e n e r a t i o na n di n c r e a s et h eg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s ，i ns p i t e o ft h e i rd i f f e r e n tm o d a li n d i c e st h et w o p o l a r i z e dc o m p o n e n t so f t h e p u l s e c a nt r a po n ea n t h e ra n dm o v ea ta c o m m o n g r o u pv e l o c i t y d u et o x p m ，t h e p h e n o m e n o n r e f e r r e da s s e l f t r a p p i n go c c u r w h e nt h ep u m pp o w e ro ft h ei n p u tp u l s ew a sl o w e r ， t h ee n h a n c e m e n to ns c s p e c t r u mg e n e r a t i o n d u et o c r o s s - p h a s e m o d u l a t i o ne f f e c ti sm o r e s i g n i f i c a n t l y t h ec r o s s - p h a s e m o d u l a t i o n e f f e c ti n c r e a s e dt h es c s p e c t r u mg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yg r e a t l y b y n u m e r i c a la n a l y s i s ，w ea l s ok n e wt h a tt h er a m a ns e l f f r e q u e n c ye f f e c t h a sm o r e s i g n i f i c a n t e f f e c to ns c s p e c t r u mg e n e r a t i o n t h a no t h e r h i g h e r - o r d e rn o n l i n e a r e f f e c t s c h a p t e r 6 ：t h eg e n e r a t i o n o ff l a ts ci nn o n 。d i s p e r s i o n d e c r e a s i n g f i b e ri ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i b e rw i t hc h r o m a t i cd i s p e r s i o n t h a ti sac o n v e xf u n c t i o no fw a v e l e n g t hi nn o r m a ld i s p e r s i o nr e g i o ni s f a v o r a b l ef o r g e n e r a t i n g af l a ts c s p e c t r u m t h e f l a t n e s sa n dt h e b a n d w i d t ho ft h es c s p e c t r u m a r ea f f e c t e d b y t h e d i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i ci nas cf i b e r af l a ta n db r o a ds cs p e c t r u mc a nb e o b t a i n e db yo p t i m i z i n gt h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o nd e s i g no ft h es cf i b e r c h a p t e r t ：t h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a l f i b e r o p t i c s ；s u p e r c o “n u u m ；d i s p e r s i o n - d e c r e a s i n g f i b e r ；d i s p e r s i o n f l a t t e n e da n dd e c r e a s i n gf i b e r ：c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ： g r o u p - v e l o c i t yd i s p e r s i o n 第一章绪论 高速、大容量光纤通信系统是当前国际上光通信研究的主要方向。以半导体l d 为光 源的田d m 技术在4 0 ( ；b s 已到尽头，更高的传输速率是用光波分复用( 咖d m ) 技术和光 时分复用( a r d m ) 技术，而在高速、大容量光纤通信网中，为了获得更大的通信容量， 目前的趋势是将伽d m 技术与研d m 技术相结合，即用0 f r d m 技术来提高伽d m 系统的单信 道容量。o t d m 与嗍d m 的结合己使系统的传输容量突破了太比特( t b s ) 。但是熟知的增 益开关半导体激光器或锁模光纤激光器都只能产生某波长的近变换极限超短光脉冲， 依靠选取特定波长的n 个增益开关半导体激光器或锁模光纤激光器作为硎d m m 通信 光源会给工作带来很大困难。迄今为止，d w d m 系统使用最成熟的光源仍然是不同波长的 多个分离的l d ，l d 的数量伴随着波长而增加，信道数垦也增加，波长间隔控制越来越困 难，而目成本上升，可靠性变差，目前实用化的最大詹道间隔限于1 0 0 个左右。而超连 续( s u p e r e o n t i n u u m , 简称s o 光源是将来超大容量光纤j 匿信系统最有希望的发射装置， 它有具有以下优点啪：( 1 ) 不用半导体光源，成本低：( 2 ) 可用光纤激光器作为光源， 易于与传输光纤耦合；( 3 ) s c 光源脉冲重复率高，能葩睦续光谱区产生脉宽 2 0 0 n m ) ，传输容量可达5 t b s 。( 5 ) 频道之间的光 频稳定性高。近年，s e 光脉冲源己相继应用于光纤群速度测量和自频率转换、c f r 蹦通信 光源、全光艄! 复用、t b i t sa i 吼瑚附组合复用通信光源等一系列实验，并取得了很好 的成果。尤其在1 9 9 9 年的吐帚糖干j 面信会议e ，s n i s h i 等 成功利用s c 光源实 现了3 t b i t s 的高速传输。可见，理论和实验研究光纤中的s c 光脉冲对光通信特别是高 速、大容量光通信技术的发展及其实现具有极为重要的理论和现实意义。 1 1 s c 谱的形成机制 s c 谱的产生是指当高功率超短啪删刚粒光学万卜质蜘固体、气体阳半导体韵 后，由于非线性光学介员中的自相位调制( s p m ：s e l fp h a s em o d u l a t i o n ) 、交叉相位调 制( x 嗍：c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 、四波混频( f 刚：f o u rw a v em i x i n g ) 和受激拉曼 第一章绪论 散射( s r s ：s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ) 等非线眭效应作用。“( 其中主要是s f g t 效 应) ，使透射脉冲的光谱中产生许多新的频率成份且谱宽远远大于入射光脉冲的谱宽。现 在最流行的、报道最多的就是利用光纤的非线性产生超连续谱，由于光纤的纤i 激细， 一定强度的光脉冲入射到光纤后比较容易形成高的功率密度，产生光纤超连续谱。由于 光纤本身固有的优点，利用光纤产生宽超连续i 眷电较为经济实用。光纤超连续谱的产生 冲也是源于光纤中的s d a 、x p m 、f w m 及s r s 等非线性效瘦和光纤群速度色散( g v d ：g r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o n ) 的共同作用”。 1 1 1s p m 效应导致谱展宽“。 s p m 是指光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化，导致光脉冲频谱扩展的非线 性现象。当超短光脉冲在光纤中传输时，由于三阶电极化系数的作用，使得光纤的折射 率n 与光脉冲的强度l e l2 有关： 九( ，le1 2 ) = 以o ( ) 十玎2i e 1 2( 1 1 1 ) 其中：，l ，) 代表总的折射率指数 n o ) 为线性部分；咒：是与z 3 有关的非线性折射 指数。 光脉冲的不同部位强度不同，x 啦的折射率也就不同，在术搿蝴中就产生不同的相 移，形成s p m ： 妒= n ko 一( n o + 以2ie1 2 ) 七o l( 1 1 2 ) 其中：k 。- 2 u l a ；l 是光纤长度；九一n o k 。l 是相位变化的线性部分；而 妒j z - 一2 七o li e 1 2 贝4 毒塾讳“立粤芝化的非型e 性部分，与岁6 i 虽成正比。s p m 旁应是产g j 琏琏续 谱的重要机锖m 其主要作用是通过使光脉冲产生频率啁啾而馒光脉冲的光谱展宽。般瞬 态情况下，s p m 效应产生的频率嘞魄獬的，使光脉冲在沿中心波长的两个相反方向 上，增加的频率成分相同，整体的频谱对称展宽。在非瞬态情况下，不同频率成分的非 线性效应不同，s 附效应会导致脉冲产生非对称的非线性啁啾，非对称的非线性啁啾会 导致频谱的非对称展宽。为了获得较大的s p m 展宽谱，光脉冲的宽度应尽量窄而峰值功 率应尽量高。 1 1 2 ) 酬效应导致谱展宽n 町 当两个或多个光波觥纤中同时传输时，它们将通过光纤的非线性而相互作用。此时 的光波有效折射率不仅与该波波长的强度有关，也与其它光波波长的强度有关。x p m 是 2 第一章绪论 指某一波长的光场e 。由同时传输的另一波长的光场的作用引起相位变化，导致光谱扩 展的非线l 生现象。显然，在发生x p m 效应时总伴随着s p m 效应。此时，光场e l 的非线性 相位移如下： 矿旭= n z k o l ( ie 。1 2 + 2 le 21 2 ) ( 1 1 3 ) 前项为s p m 项，后项为x p m 项。x p m 引起相同波长不同偏振态光波之间、相同偏振 态不同波长( 频率) 光波之间的耦合，造成光谱展宽。 1 1 3 f 吼效应导致频谱展宽 光纤中的f 踟是产生s c 现象的另个重要因素。f w 实际上是个参量过程，它起 源于光纤的三阶电极化率。光纤中的f w m 是三阶电极化系数z ( 3 ) 参与的三阶参量过程， 是非线性介质对多个波同时传输时的一种响应现象。如果有三个频率分别为，吐，屿 的光场同时在光纤中传输，三阶电极化系数将会引起频率为的第四个光场产生。它的 频率为三个 射光泼频率的各种组合： 0 3 42 q ( - 0 2 0 3 3 ( 1 1 4 ) 光纤中的f 删过程包括由于s p m 及x p m 效应产生的新频率成分与泵浦光之间及四波混 频光与泵浦光间的四波混频。f 咖要求参加混频的光黻滞t 足相位匹配条件： k 3 + k 4 = 蠡+ k 2 ( 1 1 5 ) 式中：墨，k ：，墨，墨为微的波矢垦。根锯文献 1 3 ，若要訇财啦匹配，泵浦 光必须处于光纤的反常色散区。 1 1 4 s r s 效应导致频谱展宽嘲 s r s 是光纤中的另重要的非线性过程。它可以看作是介质中分子振动对入射光( 泵 浦光) 的调制，即分子内部粒子之间的相对运动导致分子感应电偶极矩随时间的周期性 调制，从而对入射光产生散射作用，造成光谱展宽。设入射光的频率为。，介质的分 子振动调制频率为饥，则散射删员率为： s2 p 一v 和口s5 p + v( 1 1 6 ) 我们把这种现象称为s 竭所产生频率为，的散射光叫斯托克波( s t o k e s ) ，频率为。 的散射光叫反斯托克波。s r s 只有在光强超过某一阈值是才会发生。 3 第一章绪论 总之，光纤中的s c 的产生是以上多种非线性效应的综合作用的结果，而比较起来 s p m 效应对光谱的展宽起先导作用。 1 1 5g v d 对频谱展宽的作用“ 光纤g v d 是光纤的一重要参数，它来源于光纤介质对光波的响应与该光波的频率相 关，即光纤折射率是光波频率( 波长) 的函数“”。而光脉冲的频率并不是单色的。这由两 方面的原因引起：第一光源发出的并不是单色光；第二调制脉冲信号有定的带宽。所 以当光脉冲输入光纤中时，由于受到6 v d ( 二阶g v d ) 的作用，脉冲的不同频率成份其运 动速度不同，从而使脉冲在传输过程中发生形变( 展宽) 。研究表明，在光纤的正、负 色散区域，光脉冲的传输特性不同。在光纤的正常色散区，光脉冲的高频分量( 蓝移) 比低频分量( 红移) 传输得慢，而在光纤的反常色散区，其传输特性刚好相反。脉冲在 光纤中传输时，由s 刚引起的频率啁啾随传输距离的增大而增大新的频率分量在不断产 生，展宽了频谱。当不存在g v d 时，脉冲形状应保持不变。若考虑到6 v i ) ，则s p m 和6 v d 的相互作用将导致脉冲在蝴频域部发生变化。s p m 引起的频率啁啾与反常6 v 1 ) 相互 作用的结果导致光纤中的高阶孤子效应，从而压缩脉冲，频谱展宽，使脉冲发生形变。 s 蹦引起的频率啁啾与正常g ，d 相互作用，也使脉冲波形在传输中发生变化，如果光纤 的色散参数满足一定条件，则脉冲可诱导线性频率啁啾，将平坦地展宽脉冲谱，且展宽 的谱中无残余泵浦部分。 另外，当二阶g v d 比较小或光脉冲达到飞秒量级时，光纤的高阶g v d 会对脉冲的传输 产生重要的影响，导致脉冲前后沿不对称变形。总之，g v d 效应的最终结果是导致光脉 冲的变形。而我们知道，光纤的非线性效应不仅和光脉冲的峰值强度相关，它还与光脉 冲的强度分布密切相关，即和脉冲形状密切相关婵。由此可见，g v d 对非线性效应的走 向起着一定的约束作用，从而对频谱的展宽有着重要的影响。 总之，光纤中s c 谱的产生是以匕门种非嘲甥女应和光纤g 共同作用的结果。其中 最重要的是s p m 与g v d 的作用，因为相对而言s p m 比其它非线性效应更容易发生且为一 种无代价变换过程( 光波没有无谓的损失) 。本 所做的工作就是基于s p m 效应这种非线 性来展开的。 4 第一章绪论 1 2sc 谱的研究进展及其应用 1 2 1sc 谱的研究进展 r r a 1 f a n o 和s l s h a p i r o 于1 9 7 0 年利用倍频锁模钕玻璃皮秒激光脉冲泵浦b k 7 光学玻璃，首次获得4 0 0 7 0 0 n m 的s c 谱0 1 ，从此宣告s c 谱研究的开始。由于s c 谱的 形成是个极其复杂的非线性光学过程，当时并没有完善的理论解释，所以人们最初的 研究主要是集中在对s c 谱形成棚理的解释上。r r m f m l o 和a p e n z k o f e r 等人最先提 出s c 谱的形成是一种f w m 过程“一。随之，n v l o e m b e r g e n 和w l s m i o t h 等人通过研究 笈现s d a 效应、自聚焦效应是s c 谱的主要形威谢瞒俨”。在前人的基础上，j t m a n m o l s s o h 通过大量的实验，发现s c 谱的结构、形状和谱宽女陧著地依赖于介质非线性折射率系数 泵浦脉冲形状、波长、脉冲宽度、功率密度、相位调制和介质的有效长度“”。 与此同时，光纤技术迅速发展，上世纪8 0 年代中期超低损耗单模光纤的研发成功， 使得光纤中的非线性效应开始变得显著起来。光纤中的s c 谱产生由l 师成为种可能。 为克服在普通非线性介质中产生s c 谱作用长度不女 控制以及所需泵浦脉冲功率太高等 缺点，人们逐渐地把目光投向了光纤波导中s c 谱产生的研究，并取得了辉煌的研究成果： 1 9 8 9 年，m n i s l a m 等人首次在光纤中获得宽带的孤子脉冲阿；1 9 9 2 年，b g r o s s 和 j t a s s a h 对光纤负色散区s c 谱的形成进行了e 蹲繇统的理论研究阳；1 9 9 4 年， t m o r i o k a 等人利用6 3 0 h z 主动锁模掺铒光纤环形激光器产生的3 3 p s 超短光脉冲泵浦 色散位移光纤( d s f ：d i s p e r s i o n - s h i f t e df i b e r ，色散值d 为0 1 p s m d k m ) 获得谱 宽达2 0 0 a m 的s c 谱，进步采用光学带通滤波器首次获得脉宽小于4 p s 的s c w d m 脉冲 d 伽；1 9 9 7 年，k m o r i 等人利用g v d 与波长的二次幂函数关系成功实现了在色散平坦渐 减光纤( d f d f ：d i s p e r s i o n - f l a t t e n e d a n dd e c r e a s i n gf i b e r ) 中产生近2 0 0 n m 的平坦 s c 谱”。研究表明，光纤g v d 与光波波长满足二次幂函数关系目沿着光纤长度g v d 值呈 线性递减时，有利于平坦、宽带s c 光谱的形成，d f d f 光纤由此成为产生s c 谱的重要手 段。但是d f d f 光纤不易拉制、价格昂贵，为此，1 9 9 8 年， l s o t o b a y a s h i 和kk i t a y a m a 成功利用常规负色散光纤( 色散值d 为0 7 6 2 p s n m k m ) 和正色散平坦光纤( 简称d f f ， 色散值d 为- 0 1 9 7 p s m v 飞m ) 级联组合实验获得谱宽达3 2 5 n m 的s c 谱伽：1 9 9 9 年， g f 6 i n o w a k 等人粤报道在短距离常规d s f 光纤中产生稳定的s c 谱，从而使s c 脉冲光源 向应用领域跨进了大步。2 0 0 0 年，t a b i r k s 等 报道在锥形光纤( t a p e r e df i b e r ) 中得到谱宽达1 1 7 5 m n ( 从3 7 0 m 到i 5 4 5 n m ) 的超宽s c 谱唧。局丘n 年，利用微结构光纤 5 第一章绪论 产生超连续谱的研究引起人们广泛的关注。称微结构光纤( m o f ，m i c r o s t r u c t u r e o p t i c a l f i b e r ) ，又称为多孔光纤( i f ，h o l e yf i b e r ) ，是光子晶体与光纤技术发展相结合的新兴 技术。光子晶体的概念最早由e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n l 9 8 7 年提出。相对于电子晶体 的晶格周期性变化产生电子能带和带隙，光子晶体则是折射率周期性变化产生光子能带 和带隙( p b g ，p h o t o n i cb a n d c y a p ) ，频率( 波长、能量处于禁带范围内的光子禁【e 在光予 晶体中传播。利用此原理，r u s s e l l l 9 9 1 年独到地提出了微结构光纤的概念。 与普通光纤不同，m o f 的结构是在其包层内沿轴向排列了一些有序或无序的空气孔， 纤芯则为纯硅实芯或空气孔。从m o f 的端面看，存在着周期性的二维结构。其中，包层空 气孔高度有序排列的m o f 被称为光子晶体光纤( p c f ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ) 。 p c f 的导光原理需要用光子带隙( p 踮，p h o t o n i cb a n d s a p ) 的概念解释。具有光子能 带结构的材料就称为光子带隙( p b g ) 材料，或成为光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 。光 子晶体性质决定于其周期结构，但尺度要比电子带隙晶体大得多，约为波长量级。在p c f 中，包层的周期结构产生p b g ，从而阻止一定波长的光传输，而在中心部分( 无论是实 心还是空心) 是不完全的光子带隙，形成导光的纤芯。p c f 有许多奇妙的特性，是普通 单模光纤所没有的，而目这些特殊的性能只要简单地改变孔及孔距大小就可以实现。由 于光子晶体光纤具有高的非线性系数和适当的色散条件，因此光子晶体光纤是产生光纤 超连续谱最为突出的种非线性介质。这主要是由光子晶体的特性决定的，这类光纤可以 实瑚次期【值孑吲蜘积的设计，因此能够增大单位面积的光功率密度，提高光学非线性 作用的效率，而目通过合理设计，能够在很宽的谱带范围内支持低损耗的单模传输并目在 可见光波段可具有反常色散阻嗣，这些特性满足了产生超连续谱的高非线性系数和色散 要求，因此光子晶体光纤被广泛用于产生超连续谱的研究捌。迄今为止报道的最宽超 遵嬖潜从3 5 0 n t o 直拓展到2 2 0 0 n 玛实验中使用的光子晶体雌由s f 6 琥晴制成尸， 相信这一方面的研究成果将很快走向实用。 1 2 2sc 谱的应用 光纤技术的日臻成熟，特别是i 眸来高速、大容量光通信的迅猛发展，促进了s c 谱 技术的逐步完善，其应用领域不断的得到扩大。超连续谱光源在光谱检测、生物医学、 高精密光学频率测量及波分复用光通信系统等方面有着重要的应用，主要有以下几个方 面： ( 1 ) 光脉冲波形钡4 量： 6 第一章绪论 i i 着- - i i i 高速光通信的发展，提高光波测量的时问分辨率日益重要。利用基于非线性效 应的光取样方法( 如x p m 、f w m ) 可以获得较短的响应时间，很引人注目，但是由于i y 球4 脉冲持续时间过长，测量的时间分辨率仅限于几个皮秒”一。h t a k a r a 等人通过利用甄 飞秒s c 脉冲进行光取样的方法，成功地实现对l o o g b i t s 的光脉冲序列的测量，时间分 辨率提高到0 6 p s ，而目通过增大s c 光纤后的带通滤波器的带宽，时间分辨率可以得到 进步的提高。 ( 2 ) 光纤群速度测量： 单模光纤和光学设备的g v d 在设计高速光通信网络中非常重要。到目前为止，对g v d 的测量方法主要有干涉仪法、相位法、飞行时间法等删，但是这些方法只能澳4 量单一 波长附近的g v d ，而对于 、们感兴趣的长光纤连续波长范围的g v d 测量 图1s c 脉冲用于g v d 测量 很困难。i 粉i 等 报道了利用光纤中s c 脉冲的产生来澳4 量光纤g v d 的新方法嘲，如 图1 所示。他们以锁模激光器作为泵浦光源，以4 5 嘶保偏光纤作为s c 光纤来 获得s c 脉冲，以此来测量g v d 。此方案可对1 2 0 0 1 3 9 5 r m 的连续波长进行g v d 的测量， 优点是误差小，而且测量范围容易扩展到1 5 咖l 波段嘲。 ( 3 ) 超高速w 嘲通信光源和o r 嘶佃晰结合复用通信光源： 为构建超高速、大容量灵活的佃m 通信网络，对低时间抖动和频率高度稳定的多波长 光脉冲源的要求日益迫切。熟知的增益开关半导体激光器g 啪和锁模光纤激光器儿f l 都只能产生单波长的近变换极限超短光脉冲，依靠逸噼睁t 电啵长的几个d f b 或儿f l 作为a t d m 硼晰通信光源显然很难满黾这种要求。其中个很有前途的方法是从单一宽带 光源中采用光波切啪觑踅圭蛛，滤出多波长组分。对s c 光源滤波产生多波长脉冲是种 很有吸引力的方法，如图2 所示。因为它的平坦和高度相干的宽连续谱范围，有望在未 7 第一章绪论 来的w d m 网络中起着重要作用。为提高通行容量，w d m 和o t d m 的结合成为一种必然，其 中宽带、低噪声光源起着重要作用。 s c 脉冲发生器 肛 归- 2 ： ；肛- n 波长 图2s c 脉冲用于w d m 的多波长光脉冲源 s c 脉冲源就是产生用于这种o t d m w d m 系统的宽带、多通道短脉冲的有效方法 “”1 。用可调的波导阵列光栅( a w g ：a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 滤波器，对宽带 s c 谱滤波，可以获得低噪声、谱宽和脉宽可调的皮秒、飞秒脉冲。近年来，随着互联网 业务的快速增长，速率超过t b i t s 的超高速光传输技术越来越引起人们的注意。尤其 是1 9 9 9 年s k a w a n i s h i 等 报道成功利用s c 光源建立速率达到3 t b i t s 的o t d m 、v d h l 传输系统最具代表性湖，该实验所用s c 光纤是保偏的色散平坦渐减光纤( d f d f ) 。 ( 4 ) 实瑚玉泵浦的自频瘁转换( 波长变j 奂器) ： 宽带范围内的高速光信号的光频率变换在陶建灵活的超大容量w 肋、o t d m 网络中起 着重要的作用。频率( 波长) 变换的最重要的要求是宽带可调谐、脉宽可调，多波长信 道输出。基于s c 谱产生技术实现的自频率变换，其优点是不需要泵浦源。k m o r i o k a 等 人以s c 脉冲产生为基础，实现了1 5 3 5 1 5 6o u m 范围的2 5 p s 、6 3 g b i t s 的脉冲 序列到1 4 4 1 6 4 u m 的波长变换，如图3 所示。l 电撇可以为w d m 网提供调谐范围 达2 0 0 h m 、脉宽扶皮秒到飞秒可变的多波长信道输出。 自频率转换器s f c l 人九。 黟避嵋 浦脉冲 8 皿l ， 从 x ： 儿l 九。 第一章绪论 ( 5 ) 全光解复用 全光信号传输是实现灵活的超大容量光融络的关键技术之一，在此过程中，全光解 复用是连接f 氐比特电信号和高比特o t d m 信号的桥梁。至今，基于光纤和半导体激光器的 f _ l v m 无误码的全光解复用已经达到一个新的水平( 2 0 0 g b i t s ) 。t m o r o k a 等人用时间抖动 小于1 0 0 f s 的低噪声s c 短脉冲作为泵浦源，利用一段3 0 0 m 长的保偏光纤的f w m ，成功 地对5 0 0 g b i t s 的信号进行了无误码的全光解复用m 。若利用带宽达到4 5 姗的宽昔 掺饵 光纤放大器( e d f a ) 和脉宽小于0 5 p s 的超短脉冲，有望实现对t b i t s 脉冲信号的解复 用。 全光纤s c 光源简单轻便，可以以1 0 ( ；b i t s 的速率产生脉宽连续可调的超短光脉冲， 再结合随后研制出的阵列波导光栅脚g 波长解复用器和滤波器，几乎可以把这种s c 光源 的性能推向极致。有人用它做光源成功实现了1 4 t b i t s 的t d 嗍传输实验。这种光 源就其结构的简单性、经济性和系统的误码特性等综合指标而言是相当完美的。可见， 它是未来高速、超大容量光通信研究中极其重要的工作光源，也具有潜在的商业价值。 1 2 3 产生sc 谱的主要光纤 ( 1 ) 色散渐减光纤 d d f 的缺点是在b 。约为零时的微小色散容易诱发高阶孤子，6 而使脉冲发生畸竞 导致s c 谱中有较大的波动，并目有较强的残余泵浦成分。利用d d f 的主要目的是d d f 有较小的群速度色散，从而可把谱展宽与脉冲压缩和整形分开。 ( 2 ) 色敝咐旦鞫诚光纤( d f d f ) 特点是其色散值从反常色散区到正常色散区逐渐减少，有利于产生超宽, s c 脉冲，与 其他光纤相比，性能铰优，产生的超连续谱宽且平坦。这种光纤的色散平坦且较小，故 在其小色散的宽度范围内都可以产生s c ，较有助于s p m 效应。其缺点是制造工艺复杂， 价格昂贵，目其谱有较强的残余泵浦成分。 ( 3 ) 普i 百单模色散位移光纤a d s f ) 泵浦光波长在光纤的零色散点附近，可产生超连续谱，但谱的平坦性相对较差。d s f 工艺相对较简单，价格便宜，应用最多。 ( 4 ) 色散平坦光纤( o f f ) 采用特殊的双包层或多包层结构，形成狭而深的折射率陷阱，加强波导色散，从而 在1 3 0 0 m 和1 5 5 0 r 蚰处获得零色散，使光纤在1 3 0 0 - 1 6 0 0 m 的波长范围内总色散i 日平 9 第一章绪论 坦，使光纤的带宽得到扩展，有利于d w d m 及相干光通f 言的发展。有研究表明，具有较小正 常色散的d f p 对于产生平坦、宽带的超连续谱极为有效。通过增强脉冲泵浦功率，可以 得到谱强起伏小于l o d b 、带宽达3 0 0 h m 以上的平坦超连续谱。 ( 5 ) 光子晶体光纤( p c f ) 作为新型光纤，正受到广泛的关注。它具有独特的波导特性，允许所设计的光纤具 有高的非线性系数和可控的色散零点。高的非线性系数和适当的色散条件是产生超连续 谱的介质要求，因此光子晶体光纤与传统光纤相比更容易产生超连续谱，用这种光纤可 以在整个可见光区甚至近红外区产生超连续谱。目前被广泛用于产生超连续谱的研究。 光子晶体光纤的特性以及其超连续谱的展宽机理仍处于研究当中。可以预见，随着其制 造技术的突破及研究的深入，光子晶体光纤的发展前景异常广阔。 1 3 本文所做的工作 目前，国外对s c 的研究已经很热门，其工作主要集中对实验设计和分析上，而国 内在这方面的研究也开始重视起来，现在已经精华大学、天津大学、深圳大学等一些 单位开展了对s c 谱的研究工作。研究人员早就发现，光纤中s c 谱的产生是受到光纤的 色荷蚪寺性影响的。但光纤的色散特性具体是如何影响s c 的产生，还没有过比较系统的理 论研究a 我们从理论匕对不同色散特性光纤中光脉冲的传输、s c 谱的产生以及平坦棚圭 续谱的形成进行了比铰详细、系统的研究，并目对交叉相位调制激应喇赶瞄势谱产生的 影响做了研究，取得了有意义的研究结果。 1 0 第一章绪论 参考文献 1r r a l f a n oa n ds l s h a p i r o ，p h y s r e v ，1 9 7 0 ，2 4 ：5 8 4 2 n b l o e m b e r g e n ，o p t c o n m u n 1 9 7 3 ，8 ：2 8 5 3w ls m i o t he ta 1 ，p h y s r e v ，1 9 7 7 ，a 1 5 ：2 3 9 6 4 a p e n z k o f e r ，w k a i s e r ，o p t q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 7 7 ，9 ：3 1 5 5r lf o r k ，c w s h a n ka