（光学工程专业论文）光通信系统中光脉冲压缩技术及应用的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：光通信与光信息处理 作 者：2 q q z 级研究生奎型指导教! j i t i ；墓搓室熬援 题目：光通信系统中光脉冲压缩技术及应用的研究 英文题目： i n v e s t i g a t i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o n o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i e d 主题词：分步傅里叶算法、色散渐减光纤、孤子效应压缩、 初始啁啾、非线性光纤环型镜 k e y w o r d s ：s p l i t s t e pf o u r i e ra l g o r i t h m ，d i s p e r s i o nd e c r e a s i n gf i b e r , s o l i t o n e f f e c tc o m p r e s s i o n ，i n i t i a lc h i r p ，n o n l i n e a ro p t i c a lf i b e r r i n gm i r r o r 南京l l l g t g 大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 光脉冲压缩技术即输入脉冲在光纤的反常色散区传输，并且通过自相位调制( s p m ) 和 群速度色散( g v d ) 的互作用被压缩。本文着眼于这一压缩机制，运用分步傅罩叶方法对单 模光纤中皮秒脉冲的传输进行数值模拟，进而研究其孤子效应压缩。 文中分别讨论了常规光纤和色散渐减光纤两种不同性质传输介质中的孤子效应压缩 过程。在常规光纤中，计算并分析了初始啁啾和光纤损耗分别或者共同作用时对孤子效应 压缩参量的影响；在色散渐减光纤中，采用群速度色散线性减小的理论模型，通过数值模 拟带有初始啁啾的皮秒脉冲在色散渐减光纤中的传输，全面地计算和分析了初始啁啾对皮 秒脉冲孤子效应压缩的影响，并与无初始啁啾脉冲作了比较。 虽然色散渐减光纤中高阶孤子非绝热压缩可以得到皮秒或亚皮秒短脉冲，但是利用这 种光纤压缩技术获得的脉冲往往伴有较宽的基座，本文利用数值模拟方法验证了采用色散 渐减光纤组成的非线性光纤环型镜( d d f n o l m ) 不仅可压缩高阶光孤子，而且能有效地 消除压缩后脉冲的底座，提高光脉冲的输出能量，在此基础上对不同光纤环长度的环型镜 及不同输入功率得到的压缩脉冲进行了特性分析。 为了更好的消除脉冲基座，提高脉冲压缩质量，本文将常规光纤与色散渐减光纤组合 起来构成新的非线性光纤环型镜，通过数值模拟仿真我们发现，使用新的光纤环型镜对脉 冲进行压缩，可以得到无基座，啁啾小，压缩因子大的超短脉冲，输出的超短脉冲能在常 规光纤中稳定传输。与d d f n o l m 进行比较，新的光纤环型镜使用的光纤更短，获得的 压缩因子更大。 关键词：分步傅里叶算法、色散渐减光纤、孤子效应压缩、初始啁啾、非线性光纤环型镜 南京邮l 乜大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es o l i t o n e f f e c tc o m p r e s s o r sc o n s i s to fo n l ya p i e c eo ff i b e rw h o s el e n g t hi ss u i t a b l yc h o s e n t h ei n p u t p u l s ep r o p a g a t e si nt h ea n o m a l o u s d i s p e r s i o nr e g i m eo ft h e f i b e ra n di sc o m p r e s s e dt h r o u g ha ni n t e r p l a y b e t w e e ns p ma n dg v d i nt h i sp a p e r ，b ya n a l y z i n gt h ec h a n g eo fc o m p r e s s i o nf a c t o r ，o p t i m u mf i b e rl e n g t h ， p e a k p o w e ro fc o m p r e s s e dp u l s ea n dc o m p r e s s i o nq u a l i t y , t h es o l i t o n e f f e c tp i c o s e c o n dp u l s ec o m p r e s s i o ni s s t u d i e db ys i m u l a t i n gt h et r a n s m i s s i o no fp i c o s e c o n dp u l s ei nc o n v e n t i o n a lf i b e r sa n dd i s p e r s i o n d e e r e a s i n g f i b e r sn u m e r i c a l l yw i t ht h em e t h o do fs p l i t s t e pf o u r i e f i nc o n v e n t i o n a lf i b e r s ，t h ee f f e c to fi n i t i a lc h i r pa n df i b e rl o s so nt h eq u a l i t yo fs o l i t o n e f f e c tp i e s e e o n d p u l s ec o m p r e s s i o na r es t u d i e d ；i nd i s p e r s i o n d e c r e a s i n gf i b e r , u s i n gt h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h el i n e a rr e d u c e t h e g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ，b yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw i t ht h ei n i t i a l c h i r po fp i c o s e c o n dp u l s e si n d i s p e r s i o n d e c r e a s i n gf i b e rt r a n s m i s s i o n ，c o m p r e h e n s i v ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ee f f e c tt h a ti n i t i a lc h i r p o np i c o s e c o n dp u l s es o l i t o n e f f e c tc o m p r e s s i o n ，a n dc o m p a r ew i t ht h en oi n i t i a lc h i r p e dp u l s e a l t h o u g hi t i sp o s s i b l et oo b t a i np i e o s e e o n do rs u b p i c o s e c o n do p t i c a lp u l s ei nad i s p e r s i o nd e c r e a s i n g f i b e rb ya d i a b a t i cs o l i t o nc o m p r e s s i o n ，t h eo u t p u tp u l s ei sn o ts a t i s y f i n gd u et ot h ew i d ep e d e s t a la c c o m p a n i e d w i t ht h ep u l s e ，i nt h i sp a p e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di sv e r i f i e db yu s i n gd i s p e r s i o nd e c r e a s i n gf i b e rr i n g c o m p o s e do fn o n l i n e a ro p t i c a lm i r r o r ( d d f - n o l m ) n o tn o l yc o m p r e s sh i g h o r d e ro p t i c a ls o l i t o n ，b u ta l s oc a n e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h eb a s eo ft h ec o m p r e s s e dp u l s e ，i m p r o v et h eo p t i c a lp u l s eo u t p u te n e r g y o nt h i sb a s i s ， c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i st h ep u l s e - c o m p r e s s i o nf o rd i f f e r e n tl e n g t h so ff i b e rl o o pm i r r o ra n dd i f f e r e n ti n p u t i no r d e rt oe l i m i n a t ep u l s eb a s e ，i m p r o v et h eq u a l i t yo fp u l s ec o m p r e s s i o n ，t h i sa r t i c l ew i l ll e tc o n v e n t i o n a l f i b e ra n dd i s p e r s i o n - d e c r e a s i n gf i b e rc o m b i n e dt oc o n s t i t u t ean e wt y p eo fn o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r , b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw eh a v ef o u n dt h a tu s et h en e wp a i r so ff i b e r o p t i cl o o pm i r r o rc o m p r e s st h ep u l s ew e c a ng e tt h en ob a s e ，c h i r pi ss m a l l ，al a r g ec o m p r e s s i o nf a c t o ru l t r a s h o r tp u l s e t h eo u t p u to fu l t r a s h o r tp u l s e s c a nb es t a b l ei nc o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n c o m p a r e dw i t ht h ed d f - n o l m ，t h en e wf i b e rr i n g m i r r o ru s eas h o r t e rf i b e r , o b t a i nt h eg r e a t e rc o m p r e s s i o nf a c t o n k e y w o r d s ：s p l i t s t e pf o u r i e ra l g o r i t h m ，d i s p e r s i o nd e c r e a s i n g 舶e r s o l i t o n - e f f e c tc o m p r e s s i o n ，i n i t i a lc h i r p ， n o n l i n e a ro p t i c a lf i b e rr i n gm i r r o r i i 南京邮i i i 火学硕上研究生学位论文 目录 目录 摘要i 目录i i i 第一章绪论j 1 1 1 光纤通信发展简介1 1 2 光脉冲压缩技术研究的现状3 1 2 1 孤子效应光脉冲压缩4 1 2 2 绝热脉冲压缩技术5 1 3 压缩脉冲的整形7 1 3 1 非线性光纤坏镜脉冲整形8 1 3 2 非线性双折射脉冲整形8 1 4 本文的研究重点和内容安排8 第二章光脉冲在光纤中的传输特性1 0 2 1 脉冲在光纤中的传输，1 0 2 1 1 麦克斯韦方程组 2 1 2 光纤中的模式 1 0 1 2 2 2 光脉冲的基本传输特性1 4 2 3 数值分析方法1 6 2 3 1 分步傅里叶算法1 6 2 3 2 有限差分法1 9 第三章基于孤子效应的光脉冲压缩2 1 3 1 常规光纤中的孤子效应压缩2 l 3 1 1 理论模型2 1 i i i 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文目录 3 1 2 计算结果及分析2 2 3 2 色散渐减光纤中的孤子效应压缩2 5 3 2 1 理论模型2 5 3 2 2 光纤色散的最佳变化及对各压缩参量的影响2 6 3 2 3 初始啁啾对色散最佳变化的影响及对各压缩参量的影叭2 9 第四章色散渐减光纤组成的环型镜的研究3 1 4 1 对高阶孤子的理想压缩3 1 4 1 1 理论模型3 1 4 1 2 计算结果和分析3 3 4 2 新型色散渐减光纤环型镜设计与讨论3 6 4 2 1 理论模型：3 6 4 2 2 模拟计算结果3 7 总结与展望4 6 参考文献4 7 致谢5 2 硕士研究生期间发表论文5 3 i v 南京邮i u 大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 光纤通信发展简介 第一章绪论 伴随社会的进步与发展，以及人们同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，英藉华人高馄博士( k c k o a ) 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 年康宁公司根据高馄文章的设想，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，也就是说找到了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 m n 的损耗已降到 0 2 d b k m ，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 1 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 南京邮哇三大学硕士研究生学位论文第一章绪论 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 砷化稼铝半导体激光器，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i i i v 族 雪崩光二极管a d p 。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 重要罩程碑。 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 h ) 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 o k 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 6 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间，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己成为活生生的现实。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 南京邮电火学硕，上研究生学位论文 第一章绪论 1 2 光脉冲压缩技术研究的现状 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，不失为一种解决方案。但这不仅受到许多物理条件的 限制，也不能有效利用光纤带宽。另一种方案是采用光的复用技术。目前有两种技术可以 提高光纤的传输容量，一种是光波分复用( o w d m ) 技术【l 卅，一种是光时分复用( o t d m ) 技 术5 矧，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来提高光纤的传输 容量，后者是提高单信道的速率。目前采用w d m 技术实现的最高速率己达2 6 t b i t s ，而 o t d m 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，o t m d 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，o t m d 是通过使用比特问插 来实现扩大容量的。虽然o t d m 的概念早在1 9 6 8 年就被提出，但由于相关技术与器件的 限制，直到1 9 8 8 年以后，o t d m 才成为广为瞩目的研究热点。o 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、光纤非线性 的限制等等。 ( 2 ) o t d m 技术被认为是一种长远的网络技术，将来网络资源的分配应当是统计复用的， 可以高效的灵活的为用户提供服务；但作为波分复用系统，在信道机上无法提供满足 于需求的统计性需求，资源分配很不灵活。而作为o t d m 技术，它与当前人们使用的 t d m 有着相似的特性，它包含了t d m 的许多优点，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案更具有吸引力。 1 南京邮电大学硕二i ：研究生学位论文第一章绪论 ( 2 ) w d m 与o t d m 是可以兼容复合的两种网络，并不是排斥的关系，我们可以在w d m 中 结合o t d m 技术，可以利用o t d m 来提高单信道容量，然后再使用w d m 技术来实现 网络的扩容。 当前，实现o t m d 的关键是产生高重复率的超短脉冲源，但由于从激光器中直接产生 的脉冲一般具有较大的脉冲宽度，因而难以适应o t m d 技术的要求。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：光纤一光栅对的光脉冲压缩， 孤子效应光脉冲压缩、绝热脉冲压缩、基于交叉相位调制的光脉冲的压缩，啁啾脉冲压缩， 以及光纤光栅脉冲压缩等。本文只着重介绍孤子效应光脉冲压缩和绝热脉冲压缩。 1 2 1 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【7 】，脉冲压缩术j t , t j 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1 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，脉冲的初始交窄过程愈显著。 孤子阶敦= 5 一 。 图1 1 孤子阶数为5 时，孤子效应脉冲压缩的演化图 4 4 3 2 l o l 归一化强眨t 南京i l l i ； b , 大学硕： ：研究生学位论文第一章绪论 最早观察到光纤中孤子效应压缩现象的是m o ll e n a u e r 等人【7 】，他们用l o o m 长的常规 光纤，将波长为1 5 , u m 的7 声脉冲压缩到0 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【8 1 ，并可获得很高的压缩比。最近的研究表明【9 】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n 向不可忽略，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【i o 】曾采用这种两级压缩方法，将锁模n d ：y a g 激光器输出的波长为 1 3 2 , u r n 、宽度为9 0 p s 脉冲压缩到1 8 声，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 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【1 2 - 13 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【1 3 】。 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 入射脉冲峰值功率的办法来获得更高的压缩比。 1 2 2 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 南京邮电大学硕：仁研究生学位论文 第一章绪论 脉冲压缩1 4 之2 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念造成一定的扰动。 基孤子在能量扰动下的作用关系可如此说明【2 3 - 2 4 1 。首先，引入参量l d ，l 。，n ，其 中： 厶= 赫ki 1 = i l d = 掣 ( 1 2 1 ) 其中乙为色散长度，为非线性长度，n 为孤子阶数，耳为初始光脉冲的半极大值 奎宽度，屈为群速度色散系数，岛表示入射脉冲峰值功率。对于一个具有峰值功率为r 的双曲正割形脉冲，所含能量为 肚2 0 翻k 需 “2 2 1 ，0 j 把( 1 2 1 ) 式中的p 。代入( 1 2 2 ) 中，基孤子所含能量为： e ：! ：堕l 剑( 1 2 3 ) r l ? f 咿h m 假设基孤子在微i i i i 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 ：丝巡q ! 堡型型 ( ，2 1 4 )ol ，= 0 0 2 一叶， e ( o ) ( o ) y ( z ) 砟w h m ( z ) 耳舶) = 黼竿 2 其中g = e 1 表示光纤中的损耗，口为损耗系数。式( 1 2 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7 和群速度色散系数的光纤中传输时，脉冲 将被展宽： 巧w h m ( z ) = 乃删( o ) p ( 1 2 6 ) 此方程只有在低损耗的情况下爿成立，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。 南京邮电大学硕： ：研究生学位论文第一章绪论 同时，由式( 1 2 4 ) 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g 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 饵光纤制成 的e d f a 将l p s 的脉冲压缩到2 6 0 f s 。1 9 9 4 年，m n a k a z a w a 等【2 5 】用l k m 的色散渐减的e d f a 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 2 6 】，利用2 0 k m 长普通 单模光纤制成的后向泵浦喇曼放大器可以将1 0 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ip c z ) r ( o ) ，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，可使光纤的非线性系数得到 增大。 1 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， 极容易造成码问干扰，因此需对压缩后带有基座的脉冲进行脉冲整彤。常用的脉冲整形技 术是非线性光纤环型镜脉冲整形【2 9 - 3 4 1 ，以及非线性双折射脉冲整形。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 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。目自i ，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：这样压缩后脉冲的中心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，因此广泛应用于光纤通信系统信号处理领域。 1 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【3 4 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。 1 4 本文的研究重点和内容安排 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。以下是本文的内容安排： 第一章首先介绍了光纤通信发展的现状，接着分析了光脉冲压缩在未来光网络传输中 的重要性，随后介绍了几种常见的光脉冲压缩技术，同时就脉冲压缩中的个重点问题即 压缩后脉冲的整形技术进行了分类，本章还讨论了光脉冲压缩的研究进展及其在光通信中 的应用，最后对本文的研究重点和内容安排做了简单介绍。 第二章从麦克斯韦方程和波动方程出发，对光脉冲在单模光纤中传输时满足的方程即 南京邮电大学硕j z l , j f 究生学位论文第一章绪论 非线性薛定谔方程进行了理论介绍，在此基础上对分步傅里叶算法做了比较详细的分析， 这是本文分析和仿真光孤子在色散渐减光纤中的传输特性的理论基础，其中各种参数的合 理设置非常重要。 第三章分别讨论了常规光纤和l 色散渐减光纤两种不同性质传输介质中的孤子效应压 缩过程。在常规光纤中，计算并分析了初始啁啾和光纤损耗分别或者共同作用时对孤子效 应压缩参量的影响；在色散渐减光纤中，采用群速度色散线性减小的理论模型，通过数值 模拟带有初始啁啾的皮秒脉冲在色散渐减光纤中的传输，全面地计算和分析了初始啁啾对 皮秒脉冲孤子效应压缩的影响，并与无初始啁啾脉冲作了比较。 第四章介绍了非线性光纤环型镜的工作原理，利用数值模拟验证了采用色散渐减光纤 组成的非线性光纤环型镜( d d f n o l m ) 不仅可压缩高阶光孤子，而且能有效地消除压缩 后脉冲的基座，提高光脉冲的输出能量，在此基础上对不同光纤环长度的环型镜及不同输 入功率得到的压缩脉冲进行了特性分析。最后本章将常规光纤与色散渐减光纤组合起来构 成新的非线性光纤环型镜，通过数值模拟仿真我们发现，新的光纤环型镜对脉冲进行压缩， 可以得到无基座，啁啾小，压缩因子大的超短脉冲，输出的超短脉冲能在常规光纤中稳定 传输。 9 南京邮电大学硕：i ：研究生学位论文第二章光脉冲在光纤中的传输特性 第二章光脉冲在光纤中的传输特性 2 1 脉冲在光纤中的传输 2 1 1 麦克斯韦方程组 同所有的电磁现象一样，光纤中光脉冲的传输也服从麦克斯韦方程组，该方程组为： v x e ：= a b 研 v h ：，+ a d a ， v d = p v b = 0 式中，e ，h 分别为电场强度矢量和磁场强度矢量；d ，b 分别为电位移矢量和磁感应强度 矢量；电流密度矢量j 和电荷密度p ，表示电磁场的源。在光纤这样无自由电荷的介质中， 显然是j = 0 ，p = 0 。 描述光纤中光传输的波方程可以从麦克斯韦方程组得到： v 概肛7 1 可0 2 e 一觞窑a tc 。d f 。 。 ( 2 1 1 ) 为完整表达光纤中光波的传输，还需要找到电极化强度p 和电场强度e 的关系。当光 频与介质共振频率接近时，p 的计算必须采用量子力学方法。如果只考虑与z 3 有关的二 阶非线性效应，则感应电极化强度由两部分组成： p ( r ，t ) = r ( ，- ，t ) + ( ，| ，t ) 式中，线性部分置( ，f ) 和非线性部分( 厂，f ) 与场强的关系为： 置( ，t ) = c oj z ( t - t ) e ( 叫) d t ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( ，t ) = s 0i ii z 舢( t - t i ，t - - t z ，t - t 3 ) e ( ， ) e ( ，f 2 ) e ( ，) d t i d t 2 d q ( 2 1 4 ) 假设上述这类介质响应是局域的，在电偶极子近似下，这些关系式是有效的。 l o 南京邮n 三大学硕：l ：g f 究生学位论文第二章光脉冲在光纤中的传输特性 式( 2 1 1 ) 一( 2 1 4 ) ) 给出了处理光纤中三阶非线性效应的一般公式。由于它们比较 复杂，需要对它们做一些简化近似，最主要的简化是把方程( 2 1 2 ) 中的非线性部分处理 成微扰，因为石英光纤中的非线性效应相当弱，因而这是合理的。这样，第一步是在 ( ，f ) = 0 时解方程( 2 1 1 ) ，由于( 2 1 1 ) 关于e 是线性的，因此在频域内具有简单的 形式，即( 2 1 1 ) 变为j v x v e 。( r ，彩) 一e ( c o ) 篓e 4 ( r ，缈) ：0 v x ，彩) 一，缈) = c 。 _ 式中，e ( r ，) 是e ( r ，t ) 的傅立叶变换，定义为： 聊) = 去弘咖删 e p ，hp ，e ，h _ e = ( r ，缈) = a ( o ) f ( p ) e x p ( i m ) e x p ( i f l z ) 与频率有关的介电常数定义为： e ( c o ) = 1 + 石( 彩) 式中，x ( c o ) 是z 1 ( t ) 的傅里叶变换。 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 因为通常x ( c o ) 是复数，6 ( c o ) 也是复数，它的实部和虚部分别与折射率n ( c o ) 及吸收系数有 关，且定义如下： g = ( n t z a 缈c ) 2 ( 2 1 8 ) 利用( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 可以得到n ( c o ) 和a ( c o ) 与x ( o j ) 的关系： 门( 缈) = l + 圭r e ；( 彩) 】 ( 2 1 9 ) 口( ) ：c oi m ；( 缈) 】 式中，r e 和i m 分别代表实部和虚部。 ( 2 1 1 0 ) 解方程( 2 1 5 ) 以前还可以进一步做两个近似：首先，由于光纤的损耗很小，e c c o ) 的 虚部相对于实部可以忽略，因而在下面的讨论中可用n 2 ( ) 代替，以微扰的方式将光纤损 南京i t l l l q l 大学硕：l 研究生学位论文第二章光脉冲在光纤中的传输特性 耗包括进去；其次，在阶跃光纤的纤芯和包层中由于折射率与n ( c o ) 方位无关，于是有： v x v x e = v ( v e ) 一v 2 e = - v 2 e ( 2 1 1 1 ) 这晕，用到了v d = 刃e = 0 。通过简化，方程( 2 1 5 ) 变成： v z 茜7 + n 2 ( 彩) 霉三：0 ( 2 1 1 2 ) 2 1 2 光纤中的模式 对任何频率缈，光纤仅能容纳有限的几个传导模，这些传导模的电场强度e ( r ，6 0 ) 的空 间分布是满足一定边界条件的波动方程的解。除此之外，光纤还能容纳非传导辐射模的连 续光谱。尽管辐射模的含义在涉及到束缚和辐射模之间的能量交换问题时是决定性的，但 由于已假定光纤为严格的圆柱形，因此它们在非线性效应的讨论中不起太重要的作用。 ( 1 ) 本征值方程 由于光纤的圆柱对称性，在柱坐标p ，矽，z 中，波动方程的表达式表示为： 筹+上茜+去等+磐崭铭2茜=。(2113p p o z ) a 矿8 p z a 扩 1 u 式中，：竺：_ 2 ，言是电场强度e 的傅里叶表达式，即： 啪) = 去弘咖醑泐矽缈 ( 2 1 1 4 ) 类似的关系式对于磁场强度h ( r t ) 也是成立的。因为e 和h 都满足麦克斯韦方程，因而 六个分量中只有两个是独立的， - j 惯上选择e ：和：作为独立分量，由e ：和日：得到 e ，h p ，e ，h ，。e ：和日：都满足方程( 2 1 1 3 ) 。关于e ：的波动方程可以通过下面的分离 变量方法来求解： e ：( ，6 0 ) = a ( 6 0 ) f ( p ) e x p ( + i m # ) e x p ( i f l z ) ( 2 1 15 ) 式中，a 为归一化常数，是传输常数，m 是整数。把方程( 2 1 1 5 ) 代入方程( 2 1 1 3 ) ， 发现f ( p ) 满足： 筹弓嚣帕2 碍2 = 。 6 ， 南京邮电火学硕二i ：研究生学位论文 第二章光脉冲在光纤中的传输特性 方程( 2 1 1 6 ) 是贝塞尔函数的微分方程。它在纤芯内的通解可以表示为： e ( p ) = c i 厶( 尼p ) + c 2 虬( 尼p ) ( 2 1 1 7 ) 式中，厶( 七尸) 和虬( 七p ) 分别是贝塞尔函数和诺依曼函数，并且： k = ( - p 2 + 刀1 2 瑶) “2 ( 2 1 1 8 ) 常数c l 和c 2 由边界条件决定，由于n m ( k p ) 在p = 0 ，c 2 = 0 处是个奇点，则其物理解为： g ( p ) = 厶( k p ) ( 2 1 1 9 ) 常数c i 已经通过归一化常数消去。在包层区( p 口) 衰减，修f 的贝塞尔函数k 代表了 这样的解，因此： e ( p ) = k m ( 胗) ( p 0 时，光纤模是混合型的，即电磁场的所有六个分量均不为 零。 ( 2 ) 单模条件 南京邮电火学硕二l 研究生学位论文第二章光脉冲在光纤中的传输特性 在给定波长的情况下，特定光纤所容纳的模式数依赖于其设计参数，即纤芯半径a 和 纤芯一包层折射率差，z 。一玎：。对每个模式来说，一个重要的参数是它的截止频率，此频率 由y = 0 决定。当y = 0 时，对一给定k 值的模式，由方程决定了其截止频率，它对定义归 一化频率v 是很有用的，它们之白j 的关系为： v = k c a = k o a ( n 卜以y 2 ( 2 1 2 4 ) 本征值方程也能用来确定各不同模所能达到的截止频率的v 值，虽然这个过程较为繁 杂，但也有文献对它进行过论述。由于主要对单模光纤感兴趣，因此仅限于讨论允许光纤 维持一个模式的截止条件。单模光纤只维持称为基模的h e i 模，若参量矿 1 ，瓦毛 0 ) 下，则有s g n ( 屐) = 1 ，若反常色散区( 即屈 o ) 下，则有 s g n ( f 1 2 ) =