（光学专业论文）光纤超连续谱产生的特性研究.pdf

摘要 由于近年来在光度量学、光谱学、生物医学以及光通讯，特别是 o t d m 和d w d m 高速光通信中的广泛应用，超连续谱( s u p e r c o n t i n u u m ， 简称为s c ) 脉冲光源引起人们越来越多的关注，而光纤中超连续谱的 产生正是获得这种光源的一种非常有效的方法。超连续谱是指当强度 较高的短光脉冲通过光纤后，透射光谱中产生很多新的频率成分，光 谱的宽度远大于入射光脉冲的谱宽的一种非线性现象。光纤中的多种 非线性效应均可导致光谱展宽。本文研究了色散平坦渐减光纤中超连 续谱的产生。结果表明，入射光的初始啁啾和光纤的色散特性都对超 连续谱产生重要影响。论文分为五章，第一章为绪论，第二章为该论 文基本理论，第三、四章为论文的主要工作，第五章为总结与展望。 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：研究了色散平坦渐减光纤中，入射光脉冲的初始啁啾对 超连续谱产生的影响情况。研究表明，初始频率啁啾是一个重要参数， 因此对超连续谱的产生过程也有重要影响。一定范围内正的频率啁啾 能够明显的增强超连续谱的谱宽和强度，而在此范围之外的频率啁啾 将不利于超连续谱的产生。进一步的分析表明，预啁啾对色散平坦渐 减光纤中光脉冲的压缩过程产生重要影响，一定范围内正的频率啁啾 补偿了由色散导致的啁啾而增强了由自相位调制导致的啁啾，从而使 光脉冲得到了更好的压缩而获得更高的峰值功率和相应产生的更强的 非线性效应，最终使超连续谱的宽度和强度都得到了增强。 第四章：研究了色散平坦渐减光纤的色散特性对超连续谱的影响。 结果表明，色散平坦渐减光纤的初始色散和色散斜率对超连续谱的产 生有重要影响，当超连续谱宽度小于某一特定阙值时，谱宽随初始色 散或色散斜率显著变化：而当s c 谱宽大于此值以后，谱宽随这两个参 量的变化较缓慢。并且发现色散递减曲线为凸型的光纤比色散线性递 减的光纤更有利于产生宽的超连续谱；而色散递减曲线为凹型的光纤 不利于形成宽的超连续谱。计算表明经过优化选择光纤的色散参量， 可以得到谱宽达3 3 0 n m 的超连续谱。 第五章：总结与展望。 关键词：光纤光学：超连续谱；色散平坦渐减光纤；群速度色散；初 始频率啁啾 a b s t r a c t b e c a u s e o fi t s m a n ys i g n i f i c a n tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si n o p t i c a lm e t r o l o g y ， s p e c t r o s c o p y ，b i o m e d i c a lo p t i c s ，a n do p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s ，e s p e c i a l l y i nt h e o t d ma n dd w d m s y s t e m s ，s u p e r c o n t i n u u m ( s c ) l a s e r s o u r c eh a sa t t r a c t e d i n t e n s i v ea t t e n t i o n sr e c e n t l y a n ds u p e r c o n t i n u u m g e n e r a t i o ni no p t i c a lf i b e ri so n eo f t h em o s te f f e c t i v em e t h o d st oo b t m nt h i ss o u r c e s u p e r e o n t i n u u mi ss u c ha no p t i c a l p h e n o m e n at h a tw h e na nh i g hp o w e ro p t i c a lp u l s ei sp u ti n t oa no p t i c a lf i b e r ，i t s o p t i c a ls p e c t r u mb e c o m e sv e r yb r o a d ，m u c hw i d e rt h a nt h a to f t h eo r i g i n a ls p e c t r u m al o to fn o n l i n e a re f f e c t sb e t w e e nt h eh i g h p o w e rp u l s ea n d t h ef i b e rc o n t r i b u t et ot h e s cg e n e r a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es c g e n e r a t i o ni nt h ed i s p e r s i o nf l a t t e n e d a n dd i s p e r s i o n d e c r e a s i n g f i b e r r d f d f ) t h er e s u l t s s h o wt h a tb o mt h ei n i t i a l f r e q u e n c yc h i r po ft h ep u m pp u l s ea n dt h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i b e r s i n f l u e n c et h es c g e n e r a t i o ns i g n i f i c a n t l y t h et h e s i sc o n s i s t so f 5c h a p t e r s t h ef i r s t o n ei sab r i e fs u r v e y ，a n dt h es e c o n do n ep r e s e n t st h eb a s i ct h e o r yo ft h ew o r k c h a p t e r3a n d 4a r et h ei n t r o d u c t i o no f t h em a i nw o r ko f t h ea u t h o r c h a p t e r5m a k e s ac o n e l u s i o no ft h ew h o l ew o r ka n ds h o w ss o m e p r o s p e c t i v e v i e w s c h a p t e r1 ：i n c l u d e s t h eh i s t o r yo ft h e s t u d yo nt h e s cg e n e r a t i o na n dt h e s i g n i f i c a n td e v e l o p m e n t o f t h es c a p p l i c a t i o n s c h a p t e r2 ：p r e s e n t st h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo f t h ew h o l er e s e a r c h ，i n c l u d i n gt h e b a s i c p r o p a g a t i o ne q u a t i o no f o p t i c a lp u l s e si nf i b e r s c h a p t e r3 ：f o c u s e s o nt h ee f f e c to ff r e q u e n c yc h i r p i n go ns u p e r c o n t i n u u m g e n e r a t i o ni nd i s p e r s i o nf l a t t e n e da n dd i s p e r s i o nd e c r e a s i n gf i b e r s t h er e s u l t ss h o w t h a ti n i t i a l f r e q u e n c yc h i r p i n gi sv e r yi m p o r t a n tt o t h es cg e n e r a t i o n ar a n g eo f o p t i m a lp o s i t i v ef r e q u e n c y c h i r p s i si d e n t i f i e dt oo b t a i nt h em a x i m i z e d s u p e r c o n t i n u u m b a n d w i d t ha n di n t e n s i t y ，t h em e c h a n i s mo f t h i se n h a n c e m e n ti sa l s o d i s c u s s e dd e t a i l e d l yt h r o u g ht h ee v o l u t i o n so ft e m p o r a la n ds p e c t r a lw i d t hr e l a t e dt o d i f f e r e n tp r e c h i r p e dp u l s e s i ti ss h o w nt h a tar a n g eo fo p t i m a lp o s i t i v e i n i t i a l f r e q u e n c yc h i r pc o m p e n s a t e s t h ed i s p e r s i o n i n d u c e dc h i r pa n de n h a n c e st h ec h i r p c r e a t e db ys p m - a sar e s u l tt h ei n i t i a lp u l s e c o m p r e s s i o ni se n h a n c e da n dh i g h e rp e a k p o w e r i so b t a i n e d ，a n dt h u sab r o a d e ra n d s t r o n g e rs cs p e c t r u m i sg e n e r a t e d c h a p t e r4 ：s t u d i e st h ee f f e c t so fd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ns u p e r c o n t i n u u m g e n e r a t i o ni nd i s p e r s i o nf l a t t e n e da n dd i s p e r s i o nd e c r e a s i n gf i b e r s i ti n d i c a t e st h a tt h e i n i t i a ld i s p e r s i o na n dt h ef i b e rd i s p e r s i o n d e c r e a s i n gr a t eh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so n t h es cg e n e r a t i o n s cb a n d w i d t hc h a n g e s s l o w l yw h e nt h e s et w op a r a m e t e r sa r e w i t h i nc e r t a i nt h r e s h o l dv a l u e s ，w h i l ei t c h a n g e sd r a s t i c a l l yw h e nt h e ye x c e e ds u c h v a l u e s t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tc o n v e xd i s p e r s i o nf i b e ri sm o r ef a v o r a b l et h a nt h e l i n e a r d i s p e r s i o n f i b e ri nt h e g e n e r a t i o n o fw i d es cs p e c t r u m , w h i l ec o n c a v e d i s p e r s i o nf i b e ri sn o ts u i t a b l ef o rt h eg e n e r a t i o no f w i d es cs p e c t r u m a3 3 0 n m w i d e s c s p e c t r u m c a nb e g e n e r a t e d f r o mad f d ff i b e rw i t h o p t i m a ld i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c s c h a p t e r 7 ：i n c l u d e st h ec o n c l u s i o n sa n d p r o s p e c t i v e v i e w s 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 t i n u u m ；d i s p e r s i o n f l a t t e n e da n d d i s p e r s i o nd e c r e a s i n gf i b e r ；g r o u p - v e l o c i t yd i s p e r s i o n ；i n i t i a lf r e q u e n c yc h i r p 华南师范大学硕士学位论文答辩合格证明 学位申请人：叁：垒 向本学位论文答辩委员会提交 题为生耸筮垄缝鲎芒玺堑盟些堕的硕士论文， 经答辩委员会审议，本论文答辩合格，特此证明。 学位论文答辩委员会委员( 签名) 主席： 退曼鲍 委员： 蕉地丝 篡塞盛 论文指导老师( 签名) ： 如s 年穸月弓日 第一章绪论 第一章绪论 超连续谱( s c ) 光脉冲是指频谱很宽( 从几十纳米到上千纳米) 的光 脉冲，也称白光脉冲。近几年来，随着宽带光源在光度量学、光谱学、 生物医学以及光通讯中广泛应用，特别是高速光通信的发展，g h z 皮秒量级的s c 脉冲光源引起人们越来越多的重视。这种s c 光脉冲 源已相继应用于光纤群速度测量、超短光脉冲产生和自频率转换、 o t d m 通信光源、全光解复用、t b i t so t d m w d m 组合复用通信光 源等一系列实验，并取得了出色的成果。特别是随着各种特种光纤， 如色散位移光纤( d s f ) 、色散渐减光纤( d d f ) 、色散平坦光纤( d f f ) 、 色散平坦渐减光纤( d f d f ) 、高非线性光纤( h n l f ) 、光子晶体光纤 ( p c f l 、锥形光纤( t a p e rf i b e r ) 等作为非线性介质在超连续谱产生 中的深入研究，超连续谱的谱宽已经由最初的几十纳米扩展到现在的 一千多纳米。s c 光脉冲源和其他用于光纤通信的超短脉冲光源相比， 具有很多优点：( 1 ) 带宽宽，可在1 0 0 n m 的连续光谱区得到脉宽 o 3 p s 的超短脉冲；f 2 ) 3 4 用光谱切片滤波技术可从中提取任意带宽的多个 中心波长组分，所得的脉冲是变换限制的( 对于s p m 展宽) ，并且脉冲 的带宽和形状由滤波器决定；( 3 ) s c 的稳定性好，主要由所用的光滤 波器决定，典型值是l g h z t 。c ，是激光二极管的l 1 0 ；( 4 ) 重复频率由 泵浦激光源决定。据日经b p 社2 0 0 5 年3 月报道，n t t 未来网络研 究所利用超连续谱光源，成功实现了1 0 4 6 个信道的w d m 通信试验 系统。在京都和大阪的1 2 6 k mj g n2 试验线路上实现总速率达到 2 7 t b i t s 的传输。 1 1s c 谱形成的机制 s c 谱展宽机理来自光脉冲在非线性光学介质( 如固体、气体和半 导体等) 中的自聚焦( s e l f _ f o c u s i n g ) 、白相位调制( s p m ：s e l fp h a s e m o d u l a t i o n ) 、交叉相位调$ 1 j ( x p m ：c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ) 、受激拉 第一章绪论 曼散射( 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 ) 和四波混频( f w m ：f o u r w a v e m i x i n g ) 等非线性效应的共同作用，使光脉冲光谱中产生许多新 的频率成份，从而输出脉冲的谱宽远远大于入射光脉冲的谱宽d - s 。 而光纤由于其特殊的波导特性，光能量被限制在极小的纤芯中，从而 局部出现极高的功率密度，非常有利于非线性效应的产生，因此成为 超连续谱产生的重要介质。同时光纤的群速度色散对光脉冲的传输也 有很重要的影响，它会改变光脉冲的波形，从而影响光能量的时域分 布，进而影响到光脉冲的非线性效应【9 7 1 。总之，光纤中超连续谱的 产生时多种非线性效应与光纤群速度色散相互作用的结果。 1 1 1s p m 效应导致光谱展宽 自相位调制( s p m ) 是指光脉冲在传输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 度例2 有关： n b 盯) = b ) + 1 2 阿 ( 1 - 1 ) 其中：n ( 。，i ) 代表总的折射率指数；n o ( 。) 为线性部分；n 2 是与x ” 有关的非线性折射指数。 由于光脉冲的不同部位强度不同，所以对应的折射率也不同，从 而在传输过程中产生的相移也不同，可以表示为： = n , o l = ( h o + 1 2 吲2 ) l ( 1 - 2 ) 其中：k = 2 x 1 1 ；l 是光纤长度；九= 三是相位变化的线性部分； 而。= n 2 k 。吲2 则是相位变化的非线性部分，与光强成正比，这种相 位变化将引起光脉冲频率漂移从而形成光谱的展宽“。 1 1 2 交叉相位调制( x p m ) 导致谱展宽 当两束或更多具有不同波长的光场同时在光纤中传输时，它们将 同光纤中的非线性效应发生相互作用。此时的光波有效折射率不仅与 第一章绪论 该波波长的强度有关，也与其他光波波长的强度有关。x p m 是指某一 波长的光场e - 又同时传输的另一波长的光场e 2 的作用引起相位变化， 导致光谱扩展的非线性现象。显然，在发生x p m 效应时总是伴随着 s p m 效应。此时，光场e l 的非线性相位位移如下： = n ：k o l o e 1 2 + 2 2 ) ( 1 3 ) 前一项为s p m 项，后一项为x p m 项。x p m 引起相网波长不同偏振态光 波之间、相同偏振态不同波长光波之间的耦合，从而使光谱不对称的 展宽【1 8 1 。 1 1 3 四波混频( f w m ) 效应导致频谱展宽 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相应现象。如果有三个频率分别 为。，珊：，q 的光场同时在光纤中传输，三阶电极化系数将会引起 频率为吼的第四个光场的产生。它的频率为三个入射光波频率的各种 组合，从而使光脉冲的频谱展宽1 8 】： 甜4 = t o ) 1 2 士3 ( 1 4 ) 光歼中的f w m 包括泵浦光本身之间，s p m 效应、x p m 效应产生的 新频率成分与泵浦光之间，以及新产生的f w m 光与泵浦光之间的 f w m 。然而，要有显著的四波混频现象发生，参加混频的光波必须 满足相位匹配条件： 足3 + k 4 = k l + k 2 ( 1 5 ) 其中，世。，墨：，x ，足；为各自光场的波矢量。根据文献 1 3 】，若要 实现相位匹配，泵浦光必须处于光纤的反常色散区。 1 1 4 受激拉曼散射( s r s ) 效应导致频谱展宽 受激拉曼散射效应是光纤中的另一重要非线性过程。它可以看作 是介质分子振动对入射光的调制，及分子内部粒子之间的相对运动导 第一章绪论 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。如果入射光的频率为国。，介质的分子振动调制 频率为国。，则散射光频率为： ，= 。一c o ，和脚。= 国。+ 珊， ( 1 6 ) 这种现象称为受激拉曼散射( s r s ) 。所产生频率为彩。的散射光叫斯 托克波( s t o k e s ) ，频率为珊。的散射光叫反斯托克波。s r s 只有在光 强超过某一阈值时才会发生【 】。 1 1 5 群速度色散( g v d ) 对频谱展宽的作用 群速度色散( g v d ) 是光纤的一个重要参数，它反映了不同频率的光 在光纤中传播时速度不同的现象。当光脉冲输入光纤中时，由于受二 阶g v d 的作用，脉冲的不同频率成分运动速度不同，最终导致脉冲在 传输过程中发生形变i t s 。研究表明，在光纤的正负色散区，光脉冲 的传输特性不同。在正常色散区，高频分量比低频分量传输得慢，而 在反常色散区，则正好相反。当光脉冲在光纤中传输时，由s p m 引起 得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g v d ， 则s p m 和g v d 的相互作用将导致脉冲在时域和频域都发生变化。s p m 引起的频率啁啾与反常g v d 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，脉冲发生形变。s p m 引起的频率啁 啾与正常g v 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，将平坦的展 宽脉冲谱。 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能量有关，还和光脉冲的强度分 布密切相关，即和脉冲形状密切相关。由此可见，g v d 对非线性效 第一章绪论 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。 综上所述，超连续谱的产生是以上几种非线性效应和光纤g v d 共同作用的结果。其中最重要的是s p m 和g v d 的作用，因为相对而 言s p m 比其他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) 。 1 2s c 谱的研究进展及应用 1 2 1s c 谱的研究进展 1 9 7 0 年，r r a i f a r i o 和s l s h a p i r o 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，从此宣告 了s c 谱研究的开始。由于s c 谱的形成是一个及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 谱形成的机理的解释上。r r a l f a n o 和s l s h a p i r o 等人提出s c 谱的形成是一种四波混频( f w m ) 过程4 1 。随之，n v l o e m b e r g e n 和w l s m i o t h 等人通过研究发现s p m 效应、自聚焦效应是s c 谱形成的 主要原因【2 ，3 1 。在前人的基础上，j t m a m n a s s a h 通过大量的实验，发 现s c 谱的结构、形状和谱宽都显著的依赖与介质非线性折射率系数 n ：、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【6 ，“。 上世纪8 0 年代中期超低损耗的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，在光纤中产生超连续谱成为可 能。由于光纤波导的长度可以灵活控制，所需泵浦光功率低，人们逐 渐将目光投向了光纤波导中的s c 谱研究，并取得了辉煌的成果：1 9 8 9 年，m n i s l a m 等人首次在光纤中获得宽带孤子脉冲【9 l ；1 9 9 2 年， b g r o s s 和j t m a n a s s a h 对光纤负色散区s c 谱的形成进行了比较系统 的理论研究d0 l ：1 9 9 4 年，t m o r i o k a 等人利用6 3 g h z 主动锁模惨铒光 纤环形激光器产生的3 3 p s 超短脉冲泵浦一色散位移光纤( d s f ) 获 得谱宽达2 0 0 n m l 拘s c 谱，进一步采用光学通带滤波器首次获得脉宽 第一章绪论 小于4 p s 的用于w d m 系统的s c 脉冲【l9 】：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 ) 中产生近2 0 0 n m 的平坦s c 谱。研究表明，光纤g v d 与波长满足二次 幂函数关系且沿着光纤长度g v d 值呈线性递减时，有利于平坦、宽带 s c 谱的形成【” 。1 9 9 8 年，h s o t o b a y a s h i 和k k i t a y a m a 成功利用常规 负色散光纤和正色散平坦光纤级联组合实验获得谱宽达3 2 5 n m 的s c 谱 2 t 1 。1 9 9 9 年，g a n o w a k 等人报道在短距离常规d s f 光纤中产生稳 定的s c 谱。2 0 0 0 年，t a b i r k s 等人报道在锥形光纤中得到谱宽达 1 1 7 5 n m 的超宽s c 谱1 2 2 。2 0 0 3 年，a r n a u dm u s s o t 等人利用亚纳秒y a g 激光器在常规色散位移光纤在试验中产生了1 l o o n m 的超宽超连续 谱，将常规光纤中超连续谱的研究推向及至，其输出的s c 谱如图1 1 所示【3 6 1 。 最近几年，高非线性光纤和光予晶体光纤在超连续谱产生的研究 中引起了人们的广泛关注。高非线性光纤( h n l f ) 是一种具有较小 有效纤芯面积，掺锗的石英光纤。通常它的模场直径小于5 u r n ，而普 通单模光纤的约为9 u m 。因此这种光纤的非线性系数一般为8 2 5 w k m ，比普通光纤的2 3 w k m 要高好几倍，从而更容易产生各 种非线性效应。另外由于它的色散零点在15 5 0 n m 附近，用它产生光 通信波段的超连续谱具有特别的优势3 7 1 。2 0 0 3 年，j w n i c h o l s o n 等 报道利用按色散逐渐减小的顺序连接的四段高非线性光纤 ( 3 8 ，2 2 ，0 ，2 p s n m k m ) 产生了超过1 1 0 0 n m 的超宽超连续谱。图1 2 显示了他们的实验结果1 3 8 。2 0 0 4 年，a k a b e e l u c k 等研究发现，高 非线性光纤中靠近色散零点处的反常色散区发生的调制不稳定 r m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y ) 导致了光谱发生展宽，而随后产生受激拉曼散 射( s r s ) 增强了这种展宽，最终超连续谱在这两种非线性效应的作用 下产生 3 9 1 。2 0 0 5 年，a k h e e l e s h k a b e e l u c k 等比较了高非线性光纤的 正常色散和反常色散区中超连续谱的产生，结果表明，除了调制不稳 定( m i ) 和受激拉曼散射( s r s ) ，蓝移( b l u e s h i f t ) 和非孤子散射 r n o n s o l i t o n i cr a d i a t i o n ) 也对超连续谱的产生有贡献。并且在正常色散 兰二里堕笙 区，很大频率范围内的泵浦光都可以产生超连续谱4 0 1 。 w 舢唰荫q m 黼 图1 _ 1 利用皿纳秒激光器在常规色散位移光纤中产生的s c 谱 w a v e l e n g t h ( n m ) 图1 2 利用高非线性光纤产生的超连续谱 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，p c f ) 是近年来出现的一种 通常由单一介质构成( 常用熔融硅或聚合物) 、并由在二维方向上紧密 排列( 常为周期性六角形) 而在第三维方向( 光纤的轴向) 保持不变的 波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤 4 h 。 光子晶体光纤的概念源自于光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) ，目前研 究上已经取得了很多进展 4 2 , 4 3 。光子晶体的概念最早由y a b l o n o v i t c h 和j o h n 于1 9 8 7 年分别提出。光子晶体与半导体领域的晶体性质类似。 晶体中原子的有序排列形成了周期势场，当电子在周期势场中传播 时，由于受到势场的布拉格散射而产生能带结构，在带与带之间可能 存在着带隙。如果电子波的能量落在带隙中，则不能传播，能带及带 越戛毫ful。受精簋妻 8 8 箍誊o c 第一章绪论 隙结构控制着电子或空穴的运动，光子晶体就是将不同介电常数的介 质材料在一维、二维或三维空间内组成具有光波长量级的周期结构， 使得在其中传播的光子形成光子带隙( p h o t o n i cb a n d g a p ) ，频率落于此 带隙中的光子将被禁止在光子晶体中传播。如果任何偏振的光都不能 在带隙中传播，那么此带隙就称为完全光子带隙。当在光子晶体中引 入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子带隙就形成了具有一定频宽 的缺陷态或局域态，而具有特定频率的光波可以在这个缺陷区域中传 播，因此光子晶体就可以控制光在其中的传播行为。同样，倒格子、 布里渊区、布洛赫原理等同样能够引入光子晶体理论中 4 4 - 4 6 。 传统光纤主要依赖自相位调制效应产生在中心频率两侧对称分 布的钟形超连续光谱，而在光子晶体光纤中自相位调制、高阶孤子、 群速度色散、三阶色散、四波混频、交叉相位调制、双折射以及自陡 峭等诸多效应对超连续光谱的形成都有贡献【47 1 。c o e n 等将入射脉冲 宽度为p s 量级时的超连续光谱的主要产生机理解释为受激拉曼散射 和参量四波混频，而自相位调制的作用可以忽略，而受激拉曼散射和 四波混频效应明显依赖于入射脉冲中心波长相对于光子晶体光纤零 色散波长的位置 4 8 , 4 9 。g a e t a 采用对应于r a n k a 等实验中的参数进行 了数值计算，结果表明，当入射脉冲波长在靠近零色散点的反常色 散区时，光谱包络主要由高阶色散决定；三阶色散和自相位调制的相 互作用决定了光谱短波方向的宽度，同时限制了长波方向的相对展宽 5 0 , 5 2 。此外，由于光子晶体光纤拉制中不可避免地产生或者特意引入 的双折射，沿光纤两个主轴方向的偏振模式的零色散波长有偏移，因 而入射脉冲的偏振态也会影响产生的超连续光谱的宽度和偏振态。此 外，入射脉冲的啁啾对超连续光谱的产生也有影响【5 ”。2 0 0 1 年， h u s a k o u 与h e r r m a n n 又提出了光子晶体光纤中超连续光谱产生的一 个新的机理一一高阶孤子裂变( f i s s i o n ) 效应，并得到了实验上的证实 5 3 ，5 4 1 。当入射的fs 脉冲位于光子晶体光纤的反常色散区时，在同样 脉冲强度下，宽脉冲比窄脉冲产生的超连续光谱可以更宽。这是因为 在脉宽较宽时，孤子的阶数更大，n 阶孤子会裂变为n 个脉冲，同 第一章绪论 时每个脉冲发出对应的蓝移而且相位匹配的非孤子波，这n 个脉冲 最终稳定并形成n 个红移的且中心波长不同的一阶孤子，简并的四 波混频最终将光谱加宽【5 ”。 最近，g g e n t y 等通过实验和理论计算， 提出一种具有两个零色散点的光子晶体光纤能够极大的增强超连续 谱的产生，并且认为，正色散区的色散波( d i s p e r s i v ew a v e s ) 得到 放大是超连续谱增强的原因。其实验结果如图l 一3 所示【5 6 1 。 图卜3 光子晶体光纤中超连续的产生 1 2 2 超连续谱的应用 超连续谱在光度量学、光谱学、生物医学以及光通讯中有非常广 泛应用，特别是最近高速、大容量光通信的迅猛发展，促进了s c 谱 技术的逐步完善，其应用领域不断得到扩大。主要有以下几个方面： f 1 ) 光脉冲波形测量： 随着超高速光通信的发展，提高光波测量的时间分辨率日益重 要。利用基于非线性效应的关取样方法可以获于导较短的响应时间，但 是由于取样脉冲持续时间过长，测量的时间分辨率仅限于几个皮秒 2 3 , 2 4 。h t a k a r a 等人通过利用亚飞秒s c 脉冲进行光取样的方法，成功 的实现对1 0 0 g b i t s 的光脉冲序列的测量，时间分辨率提高到o 6 p s ， 而且通过增大s c 光纤后的带通滤波器的带宽，时间分辨率可以进一 步提高25 1 。 “吖 一_葺蕊勺一籼一m面壮p芒h 第一章绪论 ( 2 ) 光纤群速度测量： 单模光纤和光学设备的群速度色散在设计高速光通信网络中是 很重要的，目前为止，主要有干涉仪法、相移法等报道，但这些方法 在测量人们感兴趣的长光纤的连续谱范围时，比较困难 2 6 - 3 0 。k m o r i 等报道了一种新的群速度测量方法【3 1 ，他们以锁模激光器作为泵浦 光源，以4 5 0 m 保偏光纤( p m ) 作为s c 光纤来获得s c 脉冲，用来测量群 速度色散。用此方案可对1 2 0 0 1 3 9 5 n m 的连续谱进行群速度色散测 量，优点是误差小，尤其是高阶色散测量，而且测量范围容易扩展到 1 5 u r n 波段【32 1 。 ( 3 ) 超高速w d m 通信光源和o t d m w d m 结合复用通信光源： 为了构建超高速、灵活的w d 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，现在主要是多波长分布 反馈激光二极管( d f b l d ) 和多波长锁模光纤环型激光器( m l f r l ) 。 其中一个较有前途的方法是从单一宽带光源中采用光谱切片滤波技 术，滤出多波长组分。对s c 光源滤波产生多波长脉冲是一种很吸引 人的方法，因为它的平坦和高度相干的宽连续谱范围，有望在未来的 w d m 网中起重要作用。为提高通信容量，w d m 与o t d m 结合是必然 的，其中宽带、低噪声光源起重要作用。s c 脉冲源是这种o t d m w d m 光源的较理想的对象，s c 脉冲源是产生用于o t d m w d m 宽带、多通 道短脉冲的有效方法。用带宽可调的a w g 滤波器，对宽带s c 滤波， 可获得低噪声、脉宽可调的p s 、f s 脉冲1 ，1 2 ，3 3 ，34 1 。 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。从近一两年出现的传输实验来 看，几乎都是采用超连续宽带w d m 光源1 3 4 , 5 7 ，2 0 0 2 年h i d e y u k i 等报 道的传输速率3 2 4 t b i t s 系统( 4 0 g b i t s 8 1 c h ) 就很有代表性，该实验 使用色散平坦非递减光纤，其群速度色散值在正常色散区，通过光脉 冲压缩技术产生谱宽为3 2 5 n m 的平坦超连续谱【5 ”。 第一章绪论 图i 一4 超连续谱在w d m 高速光通信系统中的应用 ( 4 ) 实现无泵浦的自频移 宽带范围内的高速光信号的光频率变换在构建灵活的超大容量 w d m 、o t d m 网中起重要作用。频率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。图7 所示的是基于s c 产生技术 实现自频率变换的装置，这种变换的优点是不需要泵浦源。k m o r i o k a 等以s c 脉冲产生为基础，实现了1 5 3 5 1 5 6 0 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”】。此方法可为 w d m 网提供调谐范围2 0 0 n m 、脉宽从p s 到f s 可变的多波长信道输出。 ( 5 1 全光解复用 全光信号传输是实现灵活的超大容量光网络的关键技术之一，在 此过程中，全光解复用是基本功能之一，是连接低比特电信号和高比 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 w m 无误码 的全光解复用已达到一个新的水平( 2 0 0 g b i t s ) 。t m o r i o k a 用抖动小于 1 0 0 f s 的低噪声超连续短脉冲作为泵浦源，利用一段3 0 0 m 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【3 6 1 。 若利用带宽达到4 5 n m 的宽带e d f a 和脉宽小于o 5 p s 的超短脉冲，有 望对t b i t s 的信号实现解复用。 1 3 本文所作的工作 目前，国内外对超连续谱的产生已经进行了比较多的研究，其工 作主要集中在对实验设计和分析上，国内的清华大学、天津大学、深 第一章绪论 圳大学等都开展了不少卓有成效的工作。但是所有这些研究对于光纤 的色散特性在超连续谱产生上的影响的研究还不够全面，另外输入泵 浦脉冲的啁啾特性对超连续谱的影响也没有详细的研究。本文从理论 上对不同色散特性的光纤中光脉冲传输、s c 谱的产生进行了比较详 细的研究。结果表明：对于色散平坦渐减光纤，光纤的初始色散和色 散斜率对超连续谱的产生有重要影响，当超连续谱宽度小于某一特定 阈值时，谱宽随初始色散或色散斜率显著变化；而当s c 谱宽大于此 值以后，谱宽随这两个参量的变化较缓慢。并且发现色散递减曲线为 凸型的光纤比色散线性递减的光纤更有利于产生宽的超连续谱：而色 散递减曲线为凹型的光纤不利于形成宽的超连续谱。另外，泵浦光脉 冲的初始频率啁啾对最后s c 谱的形成也有重要影响：一定范围的正 的初始啁啾能够增强s c 谱的产生，而负的初始啁啾不利于s c 谱的 形成。 参考文献 1r r a 1 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 m m u n ，1 9 7 3 ，8 ：2 8 5 3w l s 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 4a 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 l f o r k c v s h a n k a n dc h i r l i m a n ne ta 1 ，o p t l e t t ，1 9 8 3 ，8 ：1 6 j t w a n a s s a h e ta 1 ，p h y s l e t t ，1 9 8 5 ，a 1 0 7 ：3 0 5 7 j t m a n a s s a he ta 1 ，i e e eq u a n t u me l e c t r o n ，1 9 8 6 ，q e 一2 2 ：1 9 7 8 q r x i n g ，k m y o o a n dr r h l f a n o ，a p p l i e do p t ，1 9 9 3 ，3 2 ：2 0 8 7 9m n i s l a m ，g s u c h aa n di 8 a r j o s e p he ta 1 ，b r o a db a n d w i d t h s f r o m f r e q u e n c y s h i f t s o l i t o n si nf i b e r s ，o p t l e t t ，1 9 8 9 ，1 4 ：3 7 0 3 7 2 i ob g r o s sa n dj t m a n a s s a h ，s u p e r c o n t i n u m m i nt h ea n o m a l o u sg r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o nr e g i o n ，o p t l e t t ，1 9 9 2 ，9 ：1 8 1 3 1 8 1 8 11t m o r i o k a ，k m o r i a n dm s a r u w a t a r i ， m o r e t h a n 1 0 0 一w a v e l e n g t h c h a n n e lp