（电工理论与新技术专业论文）基于交叉相位调制的光脉冲压缩研究.pdf

重庆大学高校教师硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ff i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i m p r o v i n gi n f o r m a t i o n c a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp r o j e c tt ob es t u d i e da n da p p l i e d t h i s r e q u e s t st h ep r o d u c t i o no f u l t r as h o r to p t i c a lp u l s e ，b yt h ep u l s ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , i ta n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fo n ep u l s ec o m p r e s s i o nt c c l l i l o l o g y _ 一 t h ep u l s ec o m p r e s s i o nb a s e do no o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p i v d t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e st h r e ep a r t sa sf o l l o w s ， ( 1 ) i no r d i n a r yf i b e rs y s t e m t h r e ek i n d so fc o m p r e s s i o nm e t h o d sa r es i m u l a t e d a n da n a l y z e da c c o r d i n gt om c i rd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s t h ef i r s tm e t h o di st ou s ep u m p p u l s e i np o s i t i v ed i s p e r s i o nr e g i m et oc o m p r e s st h es i g n a lp u l s ei nn e g a t i v ed i s p e r s i o n r e g i m e t h i sk i n do fc o m p r e s s i o nm e t h o dc a na t t a i nh i # i e rc o m p r e s s i o nr a t i o ，b u tt h e o u t p u tp u l s ev i b r a t e s t h es e c o n dm e t h o di st ou s ep u m pp u l s ei nn e g a t i v ed i s p e r s i o n r e g i m et oc o m p r e s st h es i g n a lp u l s ei ns a m ed i s p e r s i o nr e g i m e ，i t sc o m p r e s s i o nr a t i o i st h eh i g h e s ta m o n gt h e s em e t h o d sa n dt h ef i b e r l e n g t ht h a tm e e t st h en e e do f c o m p r e s s i o nn e e d si st h es h o r t e s t t h el a s tm e t h o di ss i g n a lp u l s ei st ou s ep u m pp u l s e p a i r si np o s i t i v ed i s p e r s i o nr e g i m et oc o m p r e s st h es i g n a lp u l s ei ns a n l ed i s p e r s i o n r e g i m e t h i sm e t h o dc a ns o l v et h ed i f f i c u l t yo fp u l s ec o m p r e s s i o ni nf i b e r sp o s i t i v e r e g i m e ，b u tt h es h o r t a g ei st h a tt h ep u m pp u l s ep a i r sa r cd i f f i c u l ta c q u i r e t ot h e p r o b a b l ye x i s t i n gw a l k - o f fi n t h e s et h r e ec o m p r e s s i o n s ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h e i n f l u e n c eo f t h ew a l k - o f f e f f e c ta n df i n dt h a tt h r o u g hd e l a y i n gt h ei n p u t t i n go f t h ep u m p p u l s e , i ti sp o s s i b l et or e s t r i c te f f e c t i v e l yo ft h ew a l k - o f fa n di m p r o v et h eq u a l i t yo f o u t p u to p t i c a lp u l s e ( 2 ) t h ep a p e rp r o p o s e st w os c h e m e sa b o u tt h ep u l s ec o m p r e s s i o nb a s e do nx p m i nn o l m ，t h ef i r s to n ei sai n t e r v e n ec o m p r e s s i o nm e t h o dw h i c hc o m p o s e db y d i s p e r s i o ns h i f tf i b e r0 3 s n t h i sc o m p r e s s i o ns c h e m en e e dn o tg r o u pv e l o c i t y d i s p e r s i o n ( g v d ) e f f e c t , a n di td o e s n ts t r i c t l yr e q u i r et h ep a r a m e t e rs e l e c t i o no f s i g n a la n dp u m pp u l s e sa n dt h ew a l k - o f fe f f e c t si n f l u e n c ei ss os m a l lt h a tt i f f ss c h e m e c a nb eu s e dw i d e l y a n o t h e rm e t h o di sb a s e do nx p ma n dg v di nn o l mi f t h eg v d c a nn o tb en e g l e c t e 吐t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ee x i s t st h eb e s tv a l u ef o rt h e r a t i oi nn o l mt oa t t a i nb e s tp u l s ec o m p r e s s i o n ( 3 ) b yu s i n gt h ee n h a n e e dc o m p r e s s i o nm e t h o db a s e do nx p mi nd i s p e r s i o n d e c r e a s i n gf i b e r ( d d f ) ，i tc a l li m p r o v ep u l s ec o m p r e s s i o nr a t i oa n dd e c r e a s ef i b e r n 重庆大学高校教师硕士学位论文英文摘要 l e n g t hc o m p a r e dw i t ht h ed d fm e t h o do n l y k e yw o r d s ：o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o n ，c r o s sp h a s em o d u l a t i o n , p u m pp u l s e ， w a l k - o f f e f f e c t ，c o m p r e s s i o nr a t i o i i i 独创性声明 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工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弱敏 签字日期： 2 0 0 i 年卵2 牙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆盔堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：榻铜 签字日期：2 岬年r 月z q 目 导师签名：锵霉 产 ” 签字日期：7 年月孑日 重庆大学高校教师硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 光纤通信的发展及光脉冲压缩技术的重要性 随着二十一世纪的到来，世界已跨入信息化时代，正经历着前所未有的变革。 而推动这一进程的无疑是信息通信技术的惊人进步。其中，光纤通信技术作为信 息通信技术的重要组成部分，在短短的几十年中得到了迅猛的发展，越来越引起 人们的重视。目前，光纤传输已成为所有宽带通信系统的最佳技术选择。与传统 的传输介质电缆与无线传输方式相比，光纤作为通信网络的优良传输介质具有如 下优点【l l ： ( 1 ) 通信容量大。由于光纤的可用带宽较大，一般在i o g h z 以上，使光纤通信 系统具有较大的通信容量。而金属电缆存在的分布电容和分布电感实际起到了低 通滤波器的作用，使传输频率、带宽以及信息承载能力受到限制。现代光纤通信 系统能够将速率为几十g b i t s 以上的信息传输上百英里，允许约数百万条话音和 数据信道同时在一根光缆中传输。目前，实验室传输速率达t b i t s 级的系统现已研 制成功。光纤通信巨大的信息传输能力，使其成为了信息承载的主体。 ( 2 ) 传输距离长。光缆的传输损耗比电缆低，因而可传输更长的距离。光纤系 统仅需要少量的中继器，而光缆与金属电缆的造价基本相同，少量的中继器使光 纤通信系统的总成本比相应的金属电缆通信系统要低。 ( 3 ) 抗电磁干扰。光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引起的电磁干扰。 金属电缆发生干扰的主要原因就是金属导体向外泄漏电磁波。由于光纤的材料是 玻璃或塑料，都不导电，因而不会产生电磁波的泄漏，也就不存在相互之间的电 磁干扰。 ( 4 ) 抗噪声干扰。光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电、电机、荧光灯及 其他电器的电磁干扰( e m i ) ，外部的电噪声也不会影响光波的传输能力。此外， 光缆不辐射射频( r f ) 能量的特性使它不会干扰其他通信系统，这在军事上的运 用是非常理想的，而其它种类的通信系统在核武器的影响下( 电磁脉冲干扰) 会 遭到毁灭性的破坏。 ( 5 ) 适应环境。光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力。它比金属电缆更能适应温 度的变化，而且腐蚀性的液体或气体对其影响较小。 ( 6 ) 重量轻，安全，易铺设。光缆的安装和维护比较安全、简单，这是因为： 首先，玻璃或塑料都不导电，没有电流通过或电压的干扰；其次，它可以在易挥 发的液体和气体周围使用而不必担心会引起爆炸或起火；第三，它比相应的金属 重庆大学高校教师硕士学位论文 l 绪论 电缆体积小，重量轻，更便于机载工作，而且它占用的存储空间小，运输也方便。 ( 7 ) 保密。由于光纤不向外辐射能量，很难用金属感应器对光缆进行窃听，因 此，它比常用的铜缆保密性强。这也是光纤通信系统对军事应用具有吸引力的又 一个方面。 ( 8 ) 寿命长。尽管还没有得到证实，但可以断言，光纤通信系统远比金属设旋 的使用寿命长，因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。 目前光纤通信网络有光的波分复用【”1 ( w d m ) 、光的时分复用【4 棚( o t d m ) 两 种通信网络。 波分复用技术是通过在同一根光纤内复用多个传输不同信息的波长来实现网 络容量的提高，每个光信道的传输容量可以与单信道传输系统一样大，则总传输 容量就可成倍增加。这样一根光纤可以相当于几芯甚至几十芯或上百芯光纤的容 量。使用波分复用技术的优点有： ( 1 ) 总容量可以大大增加。例如y y a m o 报道了1 3 2 个信道的w d m 传输实验， 其总传输容量达2 6t b i t s ，其频谱利用率已达到o 6d b i h z 。 ( 2 ) 在实用化w d m 传输系统中，单信道传输码率为2 5 g b i t s ，可以直接使用 已大量铺设的普通单模光纤，在几百公里的传输距离内可以不使用任何色散补偿 措施，而总容量可达1 0 g b i t s ( 4 信道) 、2 0 g b i t s ( 8 信道) 甚至4 0 g b i t s ( 1 6 信道) 。 ( 3 ) 当使用w d m 技术组网时，由于使用光终端复接器( o a d m ) 和光交叉连接 ( o x c ) 在大容量交换时可大大简化网络结构，使组网更灵活。 ( 4 ) 大大降低系统的成本。由于一芯光纤可代替多芯光纤使用，因而可以在不 铺设新光缆的条件下大大提高线路的传输容量，既节省了经费，又缩短了工期， 不仅产生巨大的经济效益而且可带来很好的社会效益。 随着w d m 中技术以及相应器件的成熟，w d m 技术已成为商用的技术。现在， 单信道速率为1 0 g b i t s 、总容量达1 6 t b i t s 的w d m 系统已经商用，标志着w d m 技 术已经成熟。2 0 0 1 年各公司推出速率为4 0 g b i 体的产品，而今后单纯靠改良光电 器件来提高传输速率的方法已经没有多少余地。如果要进一步提高传输速率，改 善传输效率，唯一可行的办法就是采用光时分复用( o t d m ) 技术。光时分复用技 术是指在光纤通信系统中，当传输速率大于1 0 g b i t s 时，为了克服高速电子器件和 半导体激光器直接调制能力的眼制所采用的扩大传输容量的复用方式。 与w d m 复用方式不同，o t d m 是通过使用比特间插来实现扩大容量的。它是 用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光信道，经复用后在同一根光纤传 输的扩容技术。在o t d m 中，各支路脉冲的位置采用光学手段( 例如光延迟线) 来 调整，并由光纤耦合器来实现扩容的目的。在光时分复用中，超短光脉冲的产生、 调制技术、全光时分复用、解复用技术和光定时提取技术都将直接影响到系统的 2 重庆大学高校教师硕士学位论文 1 绪论 传输性能和传输速率。近年来，国外发达国家对光时分复用的研究取得了很大的 进展。 和w d m 相比，光时分复用技术革新由于关键器件尚处于试验阶段，因此还 不成熟。但o t d m 与w d m 技术相比，具有如下特点：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。正因为 这些特点，o t d m 技术被认为是一个长远的网络技术，使之作为未来全光网络方 案更具吸引力，被认为是最终的网络解决方案。 当前，光时分复用技术的关键技术是要解决短脉冲生成技术、时分复用分 离、高速同步泵浦技术等。其中，最关键技术是短脉冲生成技术，即产生高重复 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， 难以适应o t d m 技术的要求，从而使超短脉冲生成技术成为了一个重要的研究课 题。 目前，产生超短脉冲方法现主要有两种：一种是采用直接法产生超短光脉冲； 另一种方法是采用脉冲压缩方法来获得超短脉冲。 采用直接法产生超短光脉冲，主要通过超快受激拉曼散射以及直接由连续波 产生超短光脉冲。超快受激拉曼散射过程是通过拉曼泵浦，把短波能量转移到长 波。这种方法不仅能产生比输入脉冲更短和峰值功率更高的孤子形态超短光脉冲， 而且能实现脉冲中心波长的调谐，并且具有很大的调谐范围。这类非线性过程在 超短光脉冲产生的理论和实验中均占有很重要的地位。直接由连续波产生超短光 脉冲是让波长位于光纤负色散区的弱连续波和波长位于光纤正常色散区的强脉冲 串在光纤中共同传输，脉冲串作用在连续波上的x p m 效应可使后者演化为皮秒级 的超短光脉冲串。其特点是是：可利用短波长的脉冲串( 通常较易获得) 作用在 连续波上，从而产生适合于光纤通信所需的长波长脉冲串。 与采用直接法产生超短光脉冲相比，利用脉冲压缩方法获取超短脉冲具有从 技术上简单易行、可获得较高压缩比的特点，因而对光脉冲压缩的研究日益受到 人们的重视。 1 2 光脉冲压缩基本原理 所谓光脉冲压缩是指通过一定的技术手段实现输出脉冲宽度小于输入脉冲的方 法。光脉冲压缩的基本思想来源于啁嗽辐射【6 l ，对处于微波频段的啁啾脉冲通过一 段色散延迟线后其脉宽被压缩。而当脉冲在光纤这样的介质中传输时，由于色散引 入了啁啾，若又因其它效应如非线性效应、初始输入啁啾脉冲等，当它们和群速度 色散( g v d ) 引入的啁啾反向，则两者互相抵消，导致输出脉冲比输入脉冲窄。在 时域，压缩过程可以解释为：当群速度色散存在时，脉冲的不同频率分量以不同的 重庆大学高校教师硕士学位论文 1 绪论 速度运动，如果脉冲的前沿正好被延迟一个量，使其几乎和后沿同时到达输出端， 则输出脉冲被压缩。为使红移的脉冲前沿速度降低，正啁啾( 向后沿方向频率增加) 需反常( 或负) g v d ；负啁啾脉冲则需要正常( 或正) g v d ，以降低脉冲蓝移前沿 的速度。这就是光脉冲压缩的基本思想。为描述脉冲压缩效果常采用脉冲压缩比来 表征脉冲压缩效果，脉冲压缩比是指输入脉冲与压缩后的脉冲宽度之比，其表达式 为： ，c = 篇 ( 1 1 )，c2 赢( 1 1 ) 作为被压缩的信号光脉冲常见的有两种形式。其一是商斯型脉冲，它是实际 运用最多的信号脉冲形式。其二是孤子脉冲，是指在光纤中，由于色散与非线性 效应的相互影响所产生的一种特殊波包，它可传播很长距离而不变形，所以光学 孤子不仅具有基础理论研究价值，而且在光纤通信方面也有实际应用。 1 3 光脉冲压缩的种类 目前，对光脉冲压缩的技术手段常见的有：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、啁啾脉冲压缩，光纤光栅脉冲压缩、光放大 器脉冲压缩以及基于交叉相位调制的光脉冲压缩等。 光纤一光栅对压缩器【7 】由一根正常群速度色散光纤和一对光栅组成。正常群速 度色散光纤的作用是使输入脉冲光谱展宽，并形成一近似于线性变化的正频率啁 啾。光谱的展宽起源于自相位调制效应，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。光栅对则为从光纤输出的脉冲提供反常群 速度色散，使得从光纤输出的线性正啁啾脉冲在经过光栅对时由于反常群速度色 散效应而得到压缩。艮1 葡等人利用此方法在1 9 8 6 年曾成功地获得了o 6 2 1 a m 的 6 f s 这一迄今仍为最短的波长脉冲。但此方法的缺点在于：一、损耗大，其损耗主 要来于衍射损耗和耦合损耗：其次，光纤一光栅对还只适用于压缭波长处于光纤 正色散区的光脉冲，且压缩过程需要严格的光学准直。此外，由于它不是光纤化 器件，不适合在全光纤通信系统中应用。 孤子效应压缩器【纠o j 仅由一根能提供反常群速度色散的光纤构成。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。实际上，输入光纤的脉 冲不一定具有孤子形态，但当输入脉冲的峰值功率高于一定程度以后，自相位调 制( s p m ) 与反常群速度色散效应( g v d ) 的相互作用能使脉冲经历一初始变窄 过程。自相位调制效应在脉冲中心产生一个正的频率啁啾，反常g v d 将其压缩。 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。孤子效 应压缩也适用于初始脉宽较大的脉冲压缩。此种方法技术上简单，具有成本低， 4 重庆大学高校教师硕士学位论文 l 绪论 压缩比高的优点。但它的特点只能压缩高阶孤子，因此所压缩的信号脉冲也只能 是能量很高的脉冲；其次压缩后的脉冲带有明显的基座，所谓基座是指在反常g v d 区，脉冲的红移部分赶不上传输快的前尾，而使脉冲尾部的能量发散，从而产生 一个基座。孤子效应压缩器产生很宽基座的原因是由于高阶孤子的变化主要由 s p m 所支配，而由于s p m 引起的啁啾仅在脉冲的中心部分是线性的，所以也仅是 中间部分由反常g v d 压缩：而脉冲两翼的能量未被压缩，并表现为一个宽的基座。 而宽基座可能造成系统误码率的提高。 为改善孤子效应压缩效果，现也有利用在负色散区采用逐渐减小光纤色散的 方法 1 - 1 2 】，即在负色散区采用色散渐减光纤来代替常规光纤。色散渐减光纤( d d f ) 的概念是日本学者k t j h n a 于1 9 8 7 年首次提出的，目的是用于补偿光孤子在传输 过程中由于光纤损耗引起的脉冲展宽。其基本思想是，如果光纤的群速度色散 ( g v d ) 系数沿孤子传输方向以适当的关系逐渐减小，则可抵消损耗引起的非线性 自相位调制( s p m ) 效应的减弱，从而维持s p m 和g v d 之间的平衡，使得孤子在 传输过程中尽管能量不断衰减但不至于被展宽。在此之后，人们逐渐意识到d d f 的其它一系列应用，并于1 9 9 5 年成功拉制出首批d d f 。由于在此种光纤中群速度 色散系数随着纤长的增加而逐渐减小，这使得色散渐减光纤等价于一个等效增益 的放大器，等效增益使孤子在传输时不断放大，振幅增强，则自相位调制不断增 强，从而可利用它达到压缩目的。采用此种压缩方法不仅能有效地抑制压缩后脉 冲的次峰和脉座，且能显著提高地脉冲压缩比和压缩后的脉冲峰值功率，获得高 质量的压缩脉冲。当然，此种方法所使用的色散渐减光纤的拉制工艺复杂，而且 压缩时所需的光纤长度较长，对不同的脉冲还需拉制不同色散参量的色散渐减光 纤，因而限制了此方法的推广。 绝热脉冲压缩也称为绝热孤子压缩( a s c ) 1 4 - 1 5 ，这种压缩技术是将基态孤子输 入光纤，在微弱的参量扰动下通过保持其基态孤子的稳定性来实现脉冲压缩的。 基态孤子在无损耗反常色散光纤中能够传播无限长的距离而保持其形状和脉宽。 如果微扰传播过程中的这种平衡，孤子状态被破坏，脉冲就得调整其脉宽来维持 这种平衡。这种压缩特点是压缩脉冲的质量很好，但压缩比较低。 光纤光栅脉冲压缩( 1 6 - 1 7 1 。光纤光栅是近年来在光纤通信和光纤传感领域内最 令人感兴趣的新颖光纤器件。光纤光栅形成于光纤芯内，其损耗低，色散特性良 好，在光纤通信中有广泛的用途。对光纤光栅的研究中发现它能够维持布拉格孤 子，这些孤子可用来进行脉冲压缩，其工作方式与无光栅的光纤中高阶孤子产生 的孤子效应压缩相同。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度色散，还可用作压缩啁啾脉冲。 光放大器脉冲压缩【l s - 2 0 l 。在一定的条件下，光脉冲的放大可引入脉冲啁啾， 重庆大学高校教师硕士学位论文i 绪论 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量的脉冲可由一放大器和适当类型的光纤 同时放大和压缩，而此低能量脉冲由于其峰值功率较低，不能直接在光纤中压缩。 除半导体放大器，光纤放大器也可用于压缩脉冲，如掺铒光纤放大器、拉曼光纤 放大器，其压缩机理与高阶孤子相似，脉冲压缩仅产生于反常g v d 区。特别是峰 值功率足够大时，放大脉冲形成孤子：当为基态孤子时，随着信号的放大脉冲宽 度逐渐减小，孤子阶数可保持不变，这样脉冲便保持了绝热放大；当为高阶孤子 时，脉冲在传输过程中便形成了高阶孤子压缩。 1 4 本课题研究概况： 1 4 1 国内外研究现状： 本课题主要研究的是基于交叉相位调制( ，m ) 的光脉冲压缩。与压缩中最常 用的孤子效应压缩器相比，两种方法的相同之处在于它们都是利用光纤群速度色 散效应( g v d ) 与非线性效应的联合作用。但孤子效应压缩器由于输入的仅有信 号脉冲。所以它仅利用非线性效应的自相位调制( s p m ) 效应；而基于交叉相位 调制( ，m ) 的压缩器则是让信号脉冲与能量高的强泵浦脉冲共同输入光纤，输 入的泵浦脉冲基于交叉相位调制效应对信号脉冲进行相位调制，即x p m 效应使得 信号脉冲产生频率啁啾，而g v d 效应使脉冲的不同频率分量在光纤中以不同的速 度传输，因g v d 效应也将引入啁啾，当两者的啁啾反向时，互相抵消，导致输出 脉冲比输入脉冲窄，实现了有效压缩信号脉冲的目的。它的一个明显优点是不需 要入射脉冲有较高的强度和能量。另外与孤子脉冲压缩器的重要区别在于：孤子 脉冲压缩器使用的光纤为反群速度色散的光纤，而基于交叉相位调制的脉冲压缩 器在光纤的正常色散区和负色散区均可对信号进行压缩。这些优点使我们在实际 应用中对光纤的选择更为有利。 目前，国内外基于交叉相位调制效应应用于压缩已提出的方法有：基于交叉 相位调制效应基孤子的脉冲压缩；基于交叉相位调制的高阶孤子压缩效应的研究； 对可见光区( 正常色散区) 的信号脉冲进行压缩：强双折射光纤中超短光脉冲压 缩效应研究；对交叉相位调制脉冲压缩所产生的走离效应的克服等方面。 基于交叉相位调制效应的基孤子压缩是此种压缩方法中最为重要的应用。据 前所述，利用孤子效应压缩器因其利用的是高阶孤子在光纤中局期性演化的初始 变窄过程有关，所以它只能压缩高阶孤子，而基于交叉相位调制效应则不受此条 件限制，可压缩基孤子，由于基孤子是非常理想的一种通讯信号，因此此种压缩 法就具有很重要的理论意义和实际应用价值。1 9 9 3 年的一个实验中，用1 2 p s 的泵 浦脉冲将1 0 6 p s 的信号脉冲压缩到4 6 p s 。1 2 1 1 6 重庆大学高校教师硕士学位论文1 绪论 基于交叉相位调制的高阶孤子压缩效应的脉冲压缩【2 2 1 。除对基孤子能进行压 缩外，交叉相位调制效应也同样能对高阶孤子进行压缩。研究发现，高阶孤子在 传输过程中不仅可被压缩，且存在着最佳压缩光纤长度；采用超高斯脉冲作为初 始输入波形更易获得较短的压缩光脉冲；在泵浦脉冲脉宽一定的条件下，信号脉 冲的压缩因子随着其初始输入脉宽的增加而增大。 对可见光区( 正常色散区) 的信号脉冲进行压缩是基于暗孤子的交叉相位调 制的脉冲压缩方法1 2 3 1 。基于暗孤子的交叉相位调制的脉冲压缩是由j b 等人提出的 一种压缩脉冲的办法，即让被压缩脉冲与一暗孤子在光纤中同步传输，脉冲之间 的交叉相位调制效应可使被压缩脉冲得到有效压缩。进一步的数值模拟表明，对 于给定的压缩条件，存在一个能使亮脉冲得到最大限度压缩的最佳光纤长度值， 而且亮脉冲的压缩程度与暗孤子相对于亮脉冲的初始峰值功率有关。利用这一思 想的拓展是利用拉曼放大器同时对皮秒脉冲进行放大和压缩。拉曼放大器是利用 受激拉曼散射( s r s ) 这一光纤非线性光学中一个很重要的非线性过程，如果信号 与一个强泵浦波同时传输，并且频率差位于泵浦波的拉曼增益谱之内，则此弱信 号可被该光纤放大。由于这种放大的物理机制是s r s ，所以称之为光纤拉曼放大 器。若在光纤中注入信号脉冲，它通过x p m 与泵浦脉冲发生互作用，引入近似线 性的频率碉啾，这使得在光纤反常g v d 区将其压缩成为可能。这一现象由r f d c s o u z a 等人在实验中观察到时了皮秒脉冲的自发拉曼散射引起的放大和x p m 引起 的脉冲压缩现象“。 强双折射光纤中超短光脉冲压缩是通过双折射光纤中双脉冲压缩方法【2 5 2 6 1 。 该压缩方法基于自捕获现象，即利用双折射光纤中的两偏振轴脉冲的交叉相位调 制来进行脉冲压缩。研究发现，偏振脉冲在负色散区压缩过程中可克服脉冲走离 效应。若考虑三阶色散效应时，三阶色散与非线性相互作用对脉冲有增强压缩效 果，三阶色散无论正负，将对压缩有贡献。三阶色散参量越大，压缩比越大。1 9 9 0 年的一个实验，利用这种技术将2 p s 的脉冲输入到1 4 m 长光纤( 2 1 m m 拍长) ， 当一个偏振分量的峰值功率为1 5 k w 时，弱分量被压缩约6 7 倍。 当然，基于x p m 的脉冲压缩因其信号脉冲与强泵浦脉冲共同输入压缩器，在 信号脉冲进行压缩后，需将泵浦脉冲滤出。为了压缩后信号脉冲的提取，泵浦脉 冲需具有和信号脉冲不同的波长。由于波长的差异，将造成脉冲问的走离效应【2 引， 走离效应的存在对脉冲压缩效果产生极大的破坏作用，因此在实际操作的过程中 必须采取各种手段来减弱走离效应的影响。对这方面的研究有：通过控制泵浦脉 冲的脉宽、峰值功率、波长以及非对称脉冲对法来克服脉冲走离效应的影响。如 非对称脉冲对法是利用脉冲对峰值强度的不一致性，弥补由于脉冲对与被压缩脉 冲间的走离效应带来的被压缩脉冲的一侧受到x p m 的作用较弱，得不到充分压缩 7 重庆大学高校教师硕士学位论文 l 绪论 的事实，通过恰当地调节脉冲对中两个脉冲的峰值功率比，使被压缩脉冲两侧得 到同等程度压缩的效果，从而实现了对走离效应影响的有效抑制。 1 4 2 本课题研究内容 本课题研究内容在研究光脉冲在光纤中传输特性及光脉冲压缩原理的基础 上，寻求在普通光纤中对位于不同压缩区的光信号基于交叉相位调制效应的脉冲 压缩方法，以及对于因信号脉冲与泵浦脉冲因载波波长不一致而造成的走离效应 的影响和克服。 本课题研究在研究非线性光纤环镜( n o l m ) 的性质基础上研究基于n o l m 中 的x p m 效应的干涉压缩和啁啾压缩的方法。一种是在由色散位移光纤( d s f ) n o l m 中，利用泵浦脉冲与其中一路信号脉冲共同传输时的x p m 效应形成非线 性相移，在输出端产生干涉的压缩：另一种方法则是研究在色散不可忽略的非色 散位移光纤构成的n o l m 中基于x p m 和g v d 效应的共同作用进行脉冲压缩同时 利用n o l m 的强度滤波特性来得到输出质量较好的脉冲。 此外，本课题还研究色散渐减光纤中基于交叉相位调制效应的增强型脉冲压 缩等 2 6 - 2 蜘。利用色散渐减光纤中孤子效应以及泵浦脉冲对信号脉冲的交叉相位调 制来达到对信号脉冲双重效应压缩的特点。 重庆大学高校教师硕士学位论文2 光脉冲在光纤传输及压缩的基本理论分析 2 光脉冲在光纤中传输及压缩的基本理论分析 2 1 光纤传输理论 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服从麦克斯韦方程组，在国际 单位制( 或s i ) 中，该方程组为2 8 1 ： v x 豆：一丝 钟 v x 雷：了+ 塑 v 西：p ， ( 2 1 ) v 雪：0 式中，重、厅分别为电场强度矢量和磁场强度矢量；西、雪分别为电位移矢 量和磁感应强度矢量；电流密度矢量1 7 和电荷密度p ，表示电磁场的源，光纤是一 种无自由电荷的介质，所以3 - - 0 ，p ，= o 。 介质内传输的电磁场强度豆和膏增大时，电位移矢量西和磁感应强度雪也随 之增大，它们的关系可以通过下面的物质方程联系起来： 西= c o 营+ f ( 2 2 ) 雪= 鳓( 詹+ 厕 ( 2 3 ) 式中，岛为真空中介电常数，硒为真空中的磁导率，户，露分别为感应电极化强 度和磁极化强度，在光纤这样的无磁性介质中露= o 。 2 1 2 光纤中光传输的波动方程 从麦克斯韦方程组可得到描述光纤中光传输的波动方程。对方程( 2 1 ) 中的第一 式两边取旋度，再利用( 2 1 ) 中的第二式、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式， 弘v x 扛吉雾确警 ( 2 4 ) c 2 西2”西2 、 式中，, l o g o = l c 2 ，c 为真空中的光速。 对电极化强度户和电场强度豆的关系为当光频与介质共振频率接近时，声的计 算必须采用量子力学方法。但在远离介质的共振频率处，声和三的关系式可唯象 地表示为 ；：勖d 玉z 圆：三春z 圆i ；z 玉) ( 2 5 ) 线性电极化率x 0 ) 对p 的贡献是主要的，它的影响包含在折射率和衰减常数等。 二阶电极化率z ( 2 只在某些分子结构非反演对称的介质中才不为零。由于组成光纤 9 重庆大学高校教师硕士学位论文 2 光脉冲在光纤传输及压缩的基本理论分析 的s i o z 分子是对称结构，因而此项对光纤不显示作用。所以只需考虑与z o ( - - 阶电极化率) 有关的三阶非线性效应，则感应电极化强度由线性和非线性两部分 组成： 卢( 尹，f ) = 丘( 无f ) + 气( 尹，f ) ( 2 6 ) 石英光纤中的非线性效应相当弱，将( 2 5 ) 式中的毛( i ，f ) 非线性极化处理成总 感应极化强度的微扰。根据线性部分和非线性部分与场强的普适关系则在频域内 ( 2 4 ) 式变为： v v 三( 尹，w ) 一f ( 忉善置( 芦，w ) = 0 ( 2 7 ) c 雷( f ，w ) 是豆( i ，f ) 的付里叶变换。再将( 2 6 ) 通过近似处理得到简化的波动方程： v 2 童+ n 2 ( 叻w r ze _ - 2 ：0 ( 2 8 ) c 其中一( w ) 表示折射率。 2 2 脉冲在光纤中的传输特性 2 2 1 传输特性 结合光纤的圆柱对称形和光纤中的模式特点，在单模光纤内( 2 7 ) 式可写为光脉 冲传输的非线性偏微分方程，即非线性薛定谔方程【2 9 l ： 警+ 詈4 + 孕券一鲁豢= t 7 h 2 a + 去嘉( 1 a 1 2 a ) - t r a 筹i c z d 其中，a ( 也即爿( z ，f ) ) 是脉冲慢变包络振幅，a 为光纤的损耗系数，鼻2 是群速度 色散( g v d ) 参量，为非线性系数，山口是脉冲载频，为拉曼延时系数。 式( 2 9 ) 是通过了如下变换 t = t z l v = t z _ 崩( 2 1 0 ) 卢产以，喙为群速度。这里引入了一个以群速度喙移动的参考系( 即所谓的延时 系) 。 方程( 2 9 ) 式中左端第二项表示介质损耗。第三项表示群速度( 二阶) 色散 ( g v d ) ，群速度色散参数历可正可负，由光波长是大于光纤的零色散波长如决 定，在正常色散区( ”a d ) ，朋是正值，在反常色散区( 玲b ) ，, a 2 是负值3 1 1 。 左端第四项表示三阶色散效应( t o d ) 。邱为三阶色散系数，在光波长接近零色散 波长时，g v d 效应趋于零，刚此时三阶色散效应的作用突现出来；或由于超短脉 冲的带宽较宽，即使在波长相对于零色散波长b 相差较大时，三阶色散对超短脉 冲的作用也不可忽略 3 2 1 。方程右端三项表示非线性效应项。其中第一项表示自相 位调制( s p m ) 项，它反映了介质的折射率与入射光的光强关系 3 3 - 3 4 】：第二项表 l o 重庆大学高校教师硕士学位论文2 光脉冲在光纤传输及压缩的基本理论分析 示自陡效应，它反映了群速度对光强的依赖关系【3 5 1 ：第三项表示与延迟拉曼响应 有关的自频移效应3 6 1 ，它反映了脉冲内的拉曼散射，对于小于l p s 的超短脉冲， 这一项的作用应考虑。 ( 2 9 ) 式是描写光脉冲在具有色散及非线性光纤中传输的基本方程，称为非线性 薛定谔( s c h r o d i n g e r ) 方程( 简称n l s 方程) 。它是研究非线性光纤光学的一个 基本方程，被广泛使用在研究光纤光学的各个方面。 2 2 2 非线性薛定谔方程的解析解： n l s 方程是非线性偏微分方程，在一般情况下不适于解析求解。但为了了 解色散及非线性效应的影响，可分别只考虑色散项及非线性项单独作用时对信号 传输的影响。此时，n l s 方程可得到解析解的形式。 对于脉宽大于5 p s 的脉冲，n l s 方程中的三阶色散项、自陡效应、拉曼自频 移效应均可不计则n l s 方程简化为： f罢叫14+垦祟-ylal2爿(21122o t ) 瑟 2 式中，彳为脉冲包络的慢变振幅，是随脉冲以群速度移动的参考系中的时间量 度( t = f _ z p ，) ，a 是光纤损耗，岛是群速度色散，是非线性系数，它们分别对 应光脉冲在光纤中的吸收、色散和非线性效应。为了讨论方便，此处作如下归一 化处理： r 一丢铲禹 气z 。= 掣 绯f ) = x l - 焉o e 蚴) 铲万12 = 乏= 哿 b 是色散长度，l n l 是非线性长度，它们说明了在脉冲传播过程中色散或非 线性效应的作用程度。和岛分别为入射脉冲的初始宽度和峰值功率，为光孤 子的阶数。 式( 2 9 ) 经归一化后方程为： 瓦o u 唧( 岛遗害_ n 2 e - 4 t u l 2 u 式中的s g n ( , e 2 ) = l 决定于群速度色散( g v d ) 是在光纤的正常色散区( 卢2 o ) ， 还是反常色散区( 芦： 工，l , v t ，则此时的g v d 效应可以忽略，即可认为此时 尻= 0 。仅考虑非线性效应中的自相位调制( s p m ) 效应，可得解析解，( 2 1 1 ) 式化 罢一i e r - a 2 盯u i u 忍工j 忱。1 ( 2 1 4 ) 重庆大学高校教师硕士学位论文2 光脉冲在光纤传输及压缩的基本理论分析 可得通解为： 矾厶乃= 她t ) e x p 蹦n ：( l , 列 式中，( o r ) 是庐o 处的场振幅，且 九( 厶r ) = i v ( o ，r ) 1 2 ( 三。) ( 2 1 4 ) 式中有效长度三旷一e x p ( - a i , ) a ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 此解的形式表明s p m 产生随光强变化的相位，但脉冲的形状保持不变。由 s p m 引起的频率啁啾为： 却( 即一号笋= 一每砉p ( o r ) 1 2 ( 2 1 8 ) 若光纤长度l 满足工m 工，b 则此时非线性效应可以忽略，即，= o 。在仅考 虑g v d 效应，( 2 1 1 ) 式化为： i o u = 1 s g n f ( p 2 ) 萨o u ( 2 1 9 ) 如 2 工。a f 2 、7 其通解为： ( ，( 毛d = 一寺j ：u ( o , w ) e x p ( 2 f i e w 2 z - f w r ) a w ( 2 2 0 ) 上式表明，g v d 改变了脉冲的每个频谱分量的相位，且其改变量依赖于频率 及传输距离，尽管这种相位变化不会影响脉冲的频谱，但它却能改变脉冲的形状。 通常实际使用的光纤长度既大于色散长度，也大于非线性长度。所以应同时 考虑光纤中s p m 效应和g v d 效应。对于考虑色散与非线性都存在的解析解，具 有代表性的解析法是逆散射法【3 7 1 。逆散射法由g a r d n e r 等人发明，z a k h a r o v 和 s h a b b a t 用此方法求解了非线性薛定谔方程，此方法现在已成为数学物理的一个重 要工具。逆散射法实质上与傅立叶变换方法类似，傅立叶变换一般用于求解线性 偏微分方程，逆散射法是用f = o 处的入射场得到的初始散射数据，然后通过求解 线性散射问题，很容易获得其沿f 方向传播的变化，再由变化的散射数据重新建 立传播场。 使用逆散射法求解方程( 2 1 1 ) 时，与此相联系的散射问题是： 0 _ v i 4 - f 如= ，善+ f 2 = 叫v l ( 2 2 1 ) 其中v l 和1 2 是势场”( fr ) 中散射波的振幅，是本征值。对一已知的初始形式 u ( o ，r ) ，利用上述方程得到初始散射数据。直接散射问题可以由类似于傅立叶分析 中的傅立叶系数的反射系数，( f ) 描述，也可以由复平面中y ( f ) 的极点所对 应的边界状态的情形来描述，即初始散射数据由反射系数j ，( f ) 、复极点，、以 及留数g 0 = l ，肋组成( 假如n 个这样的极点存在) 。势场u ( f ，r ) 是由变化的散射 重庆大学高校教师硕士学位论文 2 光脉冲在光纤传输及压缩的基本理论分析 数据重建的。一般需要求解复杂的线性积分方程，但对于初始势场u ( o ，r ) ，在，( f ) 为0 的特殊情形( 即孤子情形) 下，l l ( f ，f ) 可以通过求解一组代数方程得到。孤子 的阶数由极点数目或本征值。( j _ l ，n ) 决定，通解为： “( z ，r ) = 2 y ：，乃= i e ，r + f