（计算机应用技术专业论文）光子晶体光纤中超连续谱产生的机制及控制研究.pdf

硕士学位论文 摘要 超连续谱产生现象是指超短脉冲在介质中传输时由于介质的非线性效应导致 脉冲的光谱被极大地加宽。它在高速光通信领域有广泛的应用。而光子晶体光纤 具有丰富的非线性效应，是产生和控制超连续谱的一种非常有效的方法，所以光 子晶体光纤中超连续谱产生成为近几年光纤通信领域的一个研究热点。本文研究 光子晶体光纤中超连续谱产生的机制及控制方法，取得了如下主要成果： 光子晶体光纤中超连续谱的产生机制非常复杂，数值模拟是重要的分析手段。 基于光子晶体光纤中光脉冲传输的非线性薛定谔方程开发了能模拟超连续谱产生 的计算机程序，并利用该程序对光子晶体光纤中超连续谱的产生机制进行了详细 分析，发现光子晶体光纤中超连续谱的产生过程可大致分成初始缓慢展宽、快速 展宽和饱和三个阶段。在传输的初始阶段，频谱展宽主要是自相位调制的作用， 高阶效应对超连续谱形成的影响都很小；随着传输距离的增大，高阶效应对超连 续谱产生重要影响，其中高阶色散效应导致频谱中蓝移分量的形成和超连续谱的 不对称性，受激拉曼散射导致孤子自频移，使频谱中心转移到红外区域，从而导 致频谱中斯托克斯分量的形成。 常规的超连续谱产生利用超短脉冲注入，我们提出利用光子晶体光纤中的调制 不稳定性产生超连续谱的新方法，这种方法使利用长脉冲注入也能产生超连续。采用数 值模拟论证了这种方法并分析了其机制。结果表明：采用准连续波作为入射脉冲，被微 扰的初始脉冲在传输过程中表现出了调制不稳定性，使初始脉冲产生分裂成超短脉冲 串，脉冲频谱毛刺由于调制不稳定性迅速展宽，并且随着传输距离的增大，频谱出现旁 瓣，最终被极大展宽形成超连续谱。 最后，利用数值方法研究了反常色散情形下光子晶体光纤中脉冲初始啁啾对 超连续谱产生的影响，探讨了利用脉冲啁啾控制超连续谱产生的方法。结果表明， 正、负啁啾均使谱展宽的速率变小，尤其是负啁啾情形，展宽速率更小，说明啁 啾对谱展宽是不利的。此外，在一定的初始功率下，光谱展宽存在一个最佳光纤 长度，在这个长度处，光谱展宽最大，进一步增加光纤长度，谱宽基本保持不变。 相对于变换极限脉冲来说，初始正、负啁啾脉冲对应的最佳光纤长度分别缩短和 延长。所以初始脉冲采用变换极限脉冲并且选择最佳光纤长度可得到理想的超连 续谱。 关键词：光子晶体光纤；超连续谱；调制不稳定性；啁啾 光子晶体光纤中超连续谱产生的机制及控制研究 a b s t r a c t u l t r a s h o r t p u l s e sp r o p a g a t i n g i nn o n l i n e a rm e d i ac a n g e n e r a t e f r e q u e n c y b r o a d e n e do u t p u tb e a m s ，c a l l e dt h es u p e r c o n t i n u u m s u p e r c o n t i n u u mf i n d s n u m e r o u sa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do ft e l e c o m m u n i c a t i o n p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s e x h i b i t i n gh i g h n o n l i n e a r i t y h a v ee n a b l e dt h e g e n e r a t i o n a n dc o n t r o lo f s u p e r c o n t i n u u m s u p e r c o n t i n u u mi np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sh a sb e c o m eah o tr e s e a r c h t o p i ci no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，w es t u d yt h em e c h a n i s ma n dc o n t r o lo f s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o ni np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e l i s t e db e l o w t h em e c h a n i s mo fs u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o ni np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r si sv e r y c o m p l i c a t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb e c o m e sc r u c i a lr e s e a r c hm e t h o d s b a s e do nt h e n o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o nd e s c r i b i n gp u l s ep r o p a g a t i o ni np h o t o n i cc r y s t a l f i b e r s ，w eh a v ed e v e l o p e dt h ec o m p u t e rp r o g r a mw h i c hc a ns i m u l a t et h ep r o c e s so f s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o n w ea n a l y z e t h em e c h a n i s mo fs u p e r c o n t i n u u mi n p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r si nd e t a i l i ti ss h o w nt h a tt h ee v o l u t i o no ft h es p e c t r u mc a n b e d i v i d e di n t ot h r e e s t a g e s t h et h r e es t a g e sa r ei n i t i a lb r o a d e n i n gs l o w l y , d r a m a t i c b r o a d e n i n ga n ds a t u r a t i o ns t a g e i nt h ei n i t i a lf o r m a t i o no fs u p e r c o n t i n u u ms e l f - p h a s e m o d u l a t i o np l a y sam a i nr o l ew h i l ea l lt h eh i g h e r o r d e re f f e c t sp l a yam i n o rr o l e w i t h i n c r e a s i n gp r o p a g a t i n gd i s t a n c e ，t h eh i g h e r - o r d e r e f f e c t se x e r tm o r e i m p o r t a n t i n f l u e n c eo ns u p e r e o n t i n u u m t h et h i r d - o r d e rd i s p e r s i o nl e a d st os p e c t r a la s y m m e t r y ， w h i l es r sl e a d st os o l i t o ns e l f - f r e q u e n c ys h i f ta n dt h ec e n t e rf r e q u e n c yo fs o l i t o ni s t r a n s f e r r e dt oi n f r a r e d s r sl e a d st om o r es t o k e sc o m p o n e n t so fs p e c t r u m t h eu s u a lm e t h o do fs u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o ni su s i n gt h eu l t r a s h o r tp u l s ea s p u m pp u l s e a n e wm e t h o da b o u tg e n e r a t i n g s u p e r e o n t i n u u mb y m o d u l a t i o n i n s t a b i l i t yi np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s i sp r o p o s e d t h em e t h o dc a nu s el o n gp u l s et o g e n e r a t es u p e r c o n t i n u u m t h e m e t h o di sd e m o n s t r a t e d n u m e r i c a l l y ，a n d t h e m e c h a n i s mo ft h en e wm e t h o di sa n a l y z e d w h e nq u a s i - c o n t i n u o u sw a v ei su s e da s p u m pp u l s e ，i ti ss h o w nt h ep e r t u r b e dg a u s s i a np u l s em a n i f e s t s m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y ， w h i c hl e a d st ot h eb r e a k u po fa ni n i t i a l l yp u l s e n o i s es p i k e sa r er a p i d l ye n h a n c e db y t h em o d u l a t i o ni n s t a b i l i t ye f f e c t w h e nt h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c ek e e p so ni n c r e a s i n g ， t h es p e c t r u ms i d el o b e sa p p e a ra n dt h es p e c t r u me x t r e m e l yb r o a d e n sa n db e c o m e s s u p e r c o n t i n u u m i i 硕士学位论文 f i n a l l y ，w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c to fp u l s ec h i r po ns u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o ni n t h ec a s eo fa n o m a l o u sd i s p e r s i o nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd i s c u s st h ew a yt o c o n t r o l l i n gs u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o nb yu s i n gp u l s ec h i r p i ti ss h o w nt h a tb o t ht h e p o s i t i v e l y a n dn e g a t i v e l y c h i r p e d p u l s e ss l o wt h es p e e do fs p e c t r a l b r o a d e n i n g c o m p a r i n gw i t ht h ec h i r p - f r e ep u l s e ，e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo ft h en e g a t i v ec h i r p t h i s p h e n o m e n o ni n d i c a t e st h a tt h ec h i r p e dp u l s ei sag r e a td i s a d v a n t a g ef o ru st ob r o a d e n t h es p e c t r u m f u r t h e r m o r e ，t h e r ee x i s t sa no p t i m u mp r o p a g a t i o nd i s t a n c ef o rs p e c t r a l b r o a d e n i n ga tw h i c ht h es p e c t r u mi sw i d e s tu n d e rc e r t a i ni n i t i a lp o w e r i fw ei n c r e a s e t h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c e ，t h es p e c t r a lw i d t hi sc o n s t a n to nt h ew h o l e c o m p a r i n gw i t h t h ec h i r p f r e ep u l s e ，t h eo p t i m u mp r o p a g a t i o nd i s t a n c eo ft h ep o s i t i v e l yc h i r p e dp u l s e i ss h o r t e n e da n dt h a to ft h en e g a t i v e l yc h i r p e dp u l s ei se x t e n d e d a sar e s u l ti d e a l s u p e r c o n t i n u u mc a nb eg e n e r a t e db yu s i n gt h ec h i r p f r e ep u l s ea n dc h o o s i n gt h e o p t i m u mp r o p a g a t i o nd i s t a n c e k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ；s u p e r c o n t i n u u m ；m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y ；c h i r p i l l 光子晶体光纤中超连续谱产生的机制及控制研究 插图索弓 图1 1 典型的超连续谱产生装置示意图 图1 2 首次在p c f 中得到的s c 图1 3p c f 中不同的输出功率下的光谱一 图2 1s p m 致高斯脉冲频谱展宽 图2 2 测得的熔石英的拉曼增益谱 图2 3 无色散情况下s s 致高斯脉冲的波形变化 图2 4 无色散情况下存在s s 时高斯脉冲在z = 2 0 处的频谱 图2 5 四种情况下谱宽随传输距离的变化 图2 6 四种情况下频谱随传输距离的演变 图2 7 四种情况下脉冲波形随传输距离的演变 图2 8 对称分步傅立叶方法示意图 图2 9 分步傅立叶方法单步计算示意图 图3 1 初始功率为1 w 时的调制不稳定性增益谱 图3 2 反常色散情况下，正弦调制平面波在输入和输出处的强度 图3 3 有噪声和无噪声情况下不同传输距离的脉冲波形图 图3 4 有噪声和无噪声情况下不同传输距离的频谱图 图3 5 在p c f 中利用调制不稳定性产生s c 的实验示意图 图4 i 变换极限脉冲的谱宽随传输距离的变化 图4 2 变换极限脉冲在不同传输距离下的频谱图 图4 3 变换极限脉冲和正啁啾脉冲的谱宽随传输距离的变化 图4 4 变换极限脉冲和负啁啾脉冲的谱宽随传输距离的变化 图4 5 变换极限脉冲和初始啁啾脉冲的谱宽随传输距离的变化 i v 巧灌m体体坶m拼拍”n记扣曲加叭铊 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；所星交的论文憝本人在导师的指导下独立进行研究所 取褥豹研究威巢。除了文中崦剩热以标注葶；耀的内容终，零论文蚕包含任 何其他个人或集体已羟发表戒撰写的成果作品。对本文的研究做出重螫需 献静令人朝集体，均激在文中浚鞠确方式拣骥。本人完全意识嚣本声鞠瓣 法律后祭由本人承担。 撵者签名： 劲文 秘鬻：3 艚善年每月j 强 学位论文版权使用授权书 本学位论文律者竞全了耩学校有关爨鬣、使躅学往逡文瓣撬是，阏意 学校保锵并向阑家有关部门或机构邀交论文的复印件和电子版，允许论文 装查瓣秘整霾。_ 零天授权濒惫大学霹淤终本学位论文熬全部或疼分蠹容蕊 入有关数据瘴逃行梭索，可以采用影印、缨颦或扫撼等复铡手段探存帮汇 编本学经论文。 本攀位论文褥予 1 、保密嬲，在年解密麟遴用本授权书。 2 、不保密澎。 ( 请谯以上相应方框内打“4 ”) 佟糟签名： 譬筛签名； 魏文日期：栉6 年月| 薯 瓣籁：j 弼年舞 霞 毒即7 厂力 九 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 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 ) 由英国科学家s t j r u s s e l l 等人 利用光予晶体的原理于1 9 9 6 年研制成功的一种新型多孔光纤【l 】。它是在石英光纤 中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构，如果其中 一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。与普通单模光纤 不同，p c f 是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔 光纤( h o l e yf i b e r ) 或微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ) 。由于p c f 的这种微结 构从根本上改变了传统光纤的许多传输特性，所以在此后的几年里，p c f 受到了 广泛的关注，迅速成为一个熟点研究领域，引起了广大学者的兴趣，( n a t u r e ) ) 和 s c i e n c e ) ) 杂志曾多次报道【2 - 9 1 。p c f 最吸引人的特点是，合理的结构设计能使 p c f 具备在所有波长上都支持单模传输能力，即无休止单模特性 1 0 , 1 1 】，这个特性 与绝对尺寸无关，缩小或放大光纤截面都还可以保持单模传输，p c f 的另一个重 要特点是它具有可控的色散特性 1 2 , 1 3 】，能够在可见光波段具有零色散甚至能够出 现负色散，同时保持单模传输，这是传统光纤所无法做到的，它为短波长光孤子 传输提供了可能性：p c f 第三个重要特点是丰富的非线性效应 s j 4 1 ，通过减小p c f 的模式面积，可以极大地增强光纤中的非线性效应，这表明可以根据实验需要来 设计光纤截面，从而对p c f 的非线性效应强度进行有效控制。由于p c f 和普通 光纤相比有许多突出的优点，因此，p c f 在光通信领域有着非常重要的应用 1 5 , 1 6 ， 可用于高能量、长距离传输。除此之外，p c f 还被广泛应用于光学的各个领域， 例如光开关17 1 、波长转换1 引、可调滤波器【19 1 、高功率光纤激光器【2 0 1 、高功率孤 子传输【2 1 】和传感器技术【2 2 】等等。 超连续谱( s u p e r c o n t i n u u m ，s c ) 的产生 2 3 1 是p c f 众多应用中最激动人心的 一个非线性光学现象，因为它无论在科学研究还是在实际工程中都有着广泛的应 用，尤其是在波形和群速度测量、密集波分复用系统的光源、全光通信中的波长 转换以及波分复用系统中的全光解复用等 2 4 。9 】领域。s c 产生现象是指超短脉冲 在介质中传输时由于介质的非线性效应导致脉冲的光谱被极大地加宽的现象。研 究表明采用p c f 使得产生s c 所需要的光脉冲强度大大降低。在普通光纤中，由 于光纤本身的非线性效应较弱，s c 的产生需要采用高功率的超短脉冲作为泵浦 源，而且必须要求光纤的非线性作用时间相当长，因此要采用很长的光纤以增加 两者的非线性交互作用时间，但是因为p c f 本身具有极高的设计自由度，可以设 光子晶体光纤中超连续谱产生的机制及控制研究 计出具有平坦色散曲线且极强非线性的p c f ，因而可以产生相对平坦且谱宽远远 超过传统光纤的s c l 3 0 】，而且对输入功率的要求并不高，产生s c 需要的光强至少 比传统光纤中需要的光强度低两个数量级，同时所需p c f 的长度也非常短【3 l ，”】。 利用超短脉冲在p c f 中产生s c 机制涉及到许多非线性效应，原来在传统光 纤中许多并不重要的效应如高阶色散、受激拉曼散射以及自陡峭等等，现在都有 重要影响。虽然p c f 中s c 产生的机制比传统光纤更加复杂，但近年来一些研究 小组已经进行了深入的理论研究和实验报道【3 3 39 1 ，所以p c f 中s c 产生的机制已 基本清楚，但是由于产生作为入射脉冲的超短脉冲的激光器非常昂贵，所以人们 期待着一种更加简便的产生s c 的方法。因为s c 在科学研究和实际工程中都有着 广泛的应用，所以s c 的控制也非常重要，但是由于p c f 中s c 产生的机制非常 复杂，不仅p c f 结构【4 们、高阶色散、自相位调制、交叉相位调制、高阶孤子分裂 1 3 5 、四波混频【3 6 1 等因素会对s c 产生重要影响，并且脉冲的初始参数如脉冲的功 率、宽度、中心频率以及是否有初始噪声等对s c 的质量也会有很重要的影响【4 “， 这种复杂性给s c 的控制从而实现其具体应用目标提出了挑战，同时也提供了多 种选择自由度，因此研究脉冲初始参数对利用p c f 产生s c 的影响，对于更好的 控制和产生平坦、稳定的s c 而言是非常必要的，为实现其做为波分复用等高速 通信系统中的多波长光源这个应用目标提供理论依据和技术支撑。 本文一方面提出一种产生s c 新的机制，把准连续波作为初始脉冲，利用p c f 中调制不稳定性的特点，产生超短脉冲序列，超短脉冲序列在p c f 中继续传输产 生s c 。另一方面基于p c f 中脉冲演变所遵循的非线性演化方程，利用数值模拟 的方法研究了反常色散情形下p c f 中脉冲初始啁啾对s c 产生的影响，探讨了利 用脉冲啁啾控制s c 产生的方法，为控制和产生用于不同需求的s c 提供了一定的 理论指导。 本章我们首先概述产生s c 的历史，然后介绍s c 在超高速光通信中的应用， 进而描述p c f 中产生s c 机制以及控制s c 的国内外研究现状，最后给出本文的 框架结构。 1 2 超连续谱产生现象及其在超高速光通信中的应用 s c 产生技术无论对当前的光通信还是对光计量学等领域都具有重要意义。 s c 产生是指超短脉冲在介质( 如光纤) 中传输时由于介质的非线性效应而导致脉 冲的光谱被极大地加宽的现象。1 9 7 0 年，r r a l f a n 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【4 。 从此之后，s c 的产生就成为了大量的理论和实验研究课题，并在各种非线性介质 中都观察到了s c 的产生，如在不同的气体和液体中 4 3 , 4 4 。s c 产生之后，对它的 2 硕士学位论文 产生研究经历了几个阶段。由于s c 谱的形成是一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几种在对s c 形成的机制 方面。a 1 f a n o 和p e n z k o f e r 等最先提出s c 的形成是一种四波混频过程【42 4 ”。随后， s m i t h 等通过研究发现自相位调制、自聚焦效应是s c 形成的主要机制【4 。在前 人的基础上，m a m n a s s a h 通过大量的实验，发现s c 的结构、形状以及谱宽都显 著的依赖于介质非线性折射率系数、抽运脉冲形状、相位调制、功率密度、脉冲 宽度、波长和介质的长度【4 “。 为克服在普通非线性介质中产生s c 作用长度不好控制以及所需抽运脉冲功 率太高等缺点，人们逐渐地把目光投向光纤中的s c 产生，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，并且随着超快激光器技术的发展，产生了1 3 1 0 纳米和 1 5 5 0 纳米通信波长处的皮秒脉冲，由于这种高功率超短脉冲的诞生，1 9 8 7 年在传 统单模光纤中也发现了s c 产生现象【4 7 1 。这就开始了s c 产生研究的第二个阶段。 脉冲在光纤中传输时，一个不可忽视的因素就是光纤的损耗和色散，由于传统单 模光纤必须工作在零色散波长附近，所以在光纤中s c 产生的波段范围就被限制 在1 3 0 0 纳米附近。为了解决这个问题，一些研究人员采用色散位移光纤来产生 s c 。色散位移光纤通过改变纤芯和包层的折射率分布把光纤的最小色散点迁移到 了1 5 5 0 纳米区域，并且使得光纤在1 5 5 0 纳米处有极小的损耗值。理论上，1 9 9 1 年，c r o s s 等已经实现了在色散位移光纤的反常色散区产生s c 【4 ”，并得出脉冲在 光纤中的演化情形。但是在实验方面，直到1 9 9 4 年，m o r i o k a 等才第一次将3 3 p s 的超短脉冲抽运色散位移光纤获得谱宽达2 0 0 纳米的s c 【4 9 1 。随后，又有利用色 散位移光纤获得s c 的报道，并将所得的s c 应用于群速度色散的测量。研究发现， 工作在正色散区、零色散区、负色散区的三种不同类型的色散位移光纤均可产生 s c 5 0 1 ，且在光纤的正常色散区，当三阶色散值为零时，可以产生平坦、对称、光 滑的s c 。迄今为止，在色散位移光纤中产生最宽的s c 使用亚纳秒的微片激光器 作为泵浦源而产生的，在实验中得到了带宽达到1 1 0 0 纳米的s c 。除了利用色散 位移光纤产生s c 的方法外，s c 产生的研究表明，色散平坦光纤和色散平坦渐减 光纤也是产生高质量s c 的重要方法。研究发现，利用凸形色散分布的色散平坦 渐减光纤，可以产生宽且平坦的s c 5 1 1 。自m o r i 等在色散平坦渐减光纤中成功实 现了产生近2 0 0 纳米的平坦s c 以来，研究在色散平坦渐减光纤中产生s c 就成了 热点问题。色散平坦光纤是在1 3 1 0 1 5 5 0 纳米波段，色散很小，且光纤的损耗也 很小的特殊单模光纤。经过研究发现，要产生平坦、较宽的s c ，应使光纤位于正 常色散区，且二阶色散参数要很小，这样，具有正常色散且三阶色散为零的色散 平坦光纤就是最好的选择。用色散平坦光纤可以产生平坦而且对称的s c ，但在峰 值处有一尖峰【5 “。 3 光予晶体光纤中超连续谱产生的机制及控制研究 s c 产生瓣第三酴袋是利臻镶形竞纾，镶形巍绛密三个鄂分盔藏，审霆秀一菠 很窄的光纤锥，两端连漕两段非锥形的光纤，纤芯周围是空气包层。由于锥形光 纾中的石英和空气折射举差缀大，当脉冲入射到光终锥时，会聚到一个缀小的逸 域，使得该区域的光强极大增强，非线性效应也随之增大，然而，夜w 见光区和 近红外区，导波模的群速度色散却减弱甚蓬会进入到负的色敬区。从红宝石激光 嚣产象频率笼7 6 m h z 、躲滓竟皮炎7 0 1 0 0 飞移豹敖狰，送入长尧l m 熬锥形毙 纤，得到了1 2 0 0 n m 的s c 【5 ”。用锥形光纤能够得到超宽和平坦的s c ，源于锥形 光纾中纡芯和空气包层的大折射攀差，馒i # 线性效废褥到照藩的翅强，麸面促搜 频谱极大地展宽。 缀然利用上述这些介质可以得到s c ，i n _ 是这样产生的s c 的频率宽度仅为3 0 0 续寒麓表，荠藏所需要戆耪始辣滓嚣臻率较高，稳魏g w 或密m w 羹缀，嚣p c f 的诞嫩弥补了这个不足，p c f 是产生s c 的第四代传输光纤，p c f 的良好特性满 足了产生s c 的高 # 线燃系数和甑散要求，同时，出予p c f 粒材料与空气的折射 率之潍以及包朦空气孔的参数最肖很大的设计自由度，使褥p c f 被广泛用于产生 s c 的研究。p c f 中的s c 产生酋次于1 9 9 9 年由r a n k a 等人实验获得，实验中采 矮囊凌率飞秒缀输入辣洚，经避段7 5 c m 长藜p c f 惹，蓑次爨察裂4 0 01 6 0 0 纳米的s c ，冀频谱范围已经扩展到红外波段，完余覆盖了w 见光区域1 2 3 1 。 随着s c 技术的逐步完善，其应用领域不断扩大，尤其是在光通信领域，主 要有下面四个方面p “。 第一，s c 可以用予波形和群速度测量，随着超高速光通信的发展，提高光波 测量熬嚣闺分辨率日蕴藏要。裂翔蒸予 线炷效应戆毙取襻方法( 热交叉摆经瀵 制、四波混频) 可获得较短的响应时间，结果很引人注目，但因为取样脉冲持续 时间过长，测攮的时间分辨率仅限于几个皮秒。t a k a r a 等用5 纳秒的光带通滤波 器对带宽超过2 0 0 缡米静s c 进行滤波，褥到波长淹1 5 5 9 缡米、带宽为4 6 纳米 的取样脉冲，成功地对1 0 0 g b i t s 的光脉冲序列进行了测量，将时间分辨率提高到 0 6 p s 狰“，若壤大豢逶滤波器熬带蹙，可送一步提毫瓣闯分辨攀，另终，这秘方法 可望用于比特率达几百个g b i t s 的波形测餐。单摸光纤和光学设备的群速度色散 在设计窟速光通信网络中是很重溪的，目前主要有相移法、干涉仪法等报道，但 这些方法在铡豢久稻感兴趣酶长光纤静连续谱范围时冼较霞雉。m o r i 簿报道了一 种新的群速度测量方法i s 6 】，他们以锁模激光器作为泵浦光源，以4 5 0 m 保偏光纤 挥舞s c 光纾来获褥s c 歉诤，矮来测量群速疫色敷，耀魏方察可敬对1 2 0 0 1 3 9 5 纳米的连续谱进行群速度色散测壤，其优点是误差小，尤其是高阶色散测量，而 且测摄范围容糖扩展到1 5 微米波段。 第二，s c 可用予怒高速滚分复用通俗光源帮巍时分复掰波分囊爝缝合复蠢l 通信光源。为构建超高速、灵活的波分复用通信网络，对低时间抖动和频率高度 4 硕士学位论文 稳定的多波长光脉冲源的要求日益迫切，现在一个较好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 波分复用网中起重要作用。为提高通信容量，波分复用和光时分复用是必然的， 其中宽带、低噪声光源起重要作用，s c 脉冲源是这种光时分复用波分复用组合 光源较理想的对象，是产生用于光时分复用波分复用宽带、多通道短脉冲的有效 方法。用带宽可调的波导阵列光滤波器，对宽带s c 滤波，可获得低噪声、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，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波分复用光源。1 9 9 9 年世界光纤通信会议报道的传输速 率为3 t b i t s 的系统就很有代表性，该系统所用s c 光纤是保偏的，其群速度色散 是波长的凸函数，有两个零色散波长，并且最大群速度色散值在负色散区，通过 非线性展宽产生宽带平坦的超连续谱。 第三，利用s c 可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波分复用、光时分复用网中起重要作用。光频率变换 的最重要的三个要求是宽带可调谐、脉宽可调和多波长信道输出。利用s c 产生 技术可以实现自频率变换，此法的优点是不需要泵浦源，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 纳米范围的2 5 皮秒、6 3 g b i t s 的脉冲序列到1 4 4 0 1 6 4 0 纳米的波长变换【57 1 ，此方法可为波分复用网提供调谐范围2 0 0 纳米、脉宽从 皮秒到飞秒可变的多波长信道输出。 第四，s c 可用于全光解复用。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 和高比特光时分复用信号的桥梁。m o r i o k a 等用抖动小于1 0 0 飞秒的低噪声超连 续短脉冲作为泵浦源，利用一段长为3 0 0 m 的保偏光纤的四波混频效应，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1 5 8 1 。全光纤s c 光源简单轻便，而 且可以以1 0 g b i t s ( 还可以更高) 的速率产生脉宽连续可调的短脉冲及超短脉冲， 再结合随后研制出的阵列波导光栅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 的时分复用波分复用 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，它是未来超大容量通信实验研究工作中极其重要的工具 性光源，也具有潜在的商业价值。 除了在光通信领域，s c 在其他领域也有应用，例如在光谱度量学、分光学和 医学成像领域，在本文中就不一一详述了。 5 兜子晶俸光纤中超遣续 善产生的机焦l 及控箍| 辑突 1 3 超连续谱国内外研究现状 p c f 强烈的非线性效应和可控的色散特性使其成为产生s c 的有效手段，未 缀避敦大的n j 量级懿飞秒激光脉冲就掰以在光纤中产生1 个倍频程甚至2 个倍额 稷戆s c ，垂获r a n k a 等驻朝掇道在p c f 中产生2 卞倍攘程( 4 0 0 1 6 0 0 缡深) 豹 s c 以来，在p c f 中产生s c 便成为一个新的研究热点。隧前有很多研究人员从不 同角度探究s c 现浆。s c 的研究小嘏在国外主要有b a t h 大学的r u s s e l l 小组， h e l s i n k i 大学的g e n t y 小组以及美国的c o r w i n 和w i n d e l e r 小组等等，还有许多大 学以及硬究所都在扶事s c 方疆的研究，在国内主要露天津大学、华南师蕊大学 釉上海是穰联等纂愈。及嚣蘸对p c f 产生s c 豹磅究魏竣霹淡看窭，对产生s c 的研究工作主要在于以下几个方丽，一是从利用不同种类的光子晶体光霎午产生 s c ，寻找哪种光纤鼹利于产生高质量的s c ；二是研究猩不同条件下s c 的产生机 制；三是研究s c 的性质，从初始脉冲的参数着手，控制s c 的产生，为以后s c 懿应瑗奠定基础。s c 的研究工作大多怒扶实验和数谴模拟薄个方薅来进行的，光 予燕体蠢纾孛稼游弱传辕遵麸裴线魏薅定谔方程( n o n l i n e a rs c h r s d i n g e re q u a t i o n ， n l s e ) ，可以采用分步傅立时方法进行数值求解f 5 9 1 。 1 3 1 实验 圈1 1 所示为一个典型豹毙纾中s c 产生装萋示意图，巍象演躲冲源( 麴锁模 港纤激光器、增菇开关激光器、毫吸收调稍激光器等) 、麓功率先纾放大嚣、产生 s c 的非线性光纾以及用于提取波长纽分( 称为谱切片) 的带通滤波器( f ，p 干涉 滤波器或阵列波导光栅) 构成，圈中窄带带通滤波器b p f 是用来消除高功率光纤 放大器引入的自发辐射噪声，以增强产生s c 的稳定性以及切片后各个波长信道 鹣信噪魄，大多数文瓤摄道兹实验中镪没有使用。 圈 1 典型的趣遴续谱产生装置示纛潮 在p c f 中善次褥笺2 拿嫠菝程瓣s c 瑟瑟l ，2 菠示，大鄂分s c 是裁弼稼爨舞 飞秒量级的超短脉冲在熔石英p c f 中得到的，光源可以为钛宝石激光器l 】、c r ： l i s a f 飞秒激光器 6 1 】或者飞秒光学参缀放大器【6 孙。多数蜜验采用包层中寮气孔排 列较为规则的p c f 6 3 】，而部分实验也研究当包层空气孔极大、纤芯类似于掇气中 的终维束的蛛网式p c f 和光子一分予式的微结构光纤肺引。实验中产生s c 的宽度 6 硕士学位论文 依赖于光纤长度和脉冲宽度、功率等具体参数，在微结构光纤中产生的光谱的平 坦性难以和图1 2 中的谱线相比。 图1 2 首次在p c f 中得到的s c ( 实线) ，虚线为入射脉冲 频谱2 3 1 除了利用飞秒脉冲产生s c ，p c f 的非线性特性和色散特性使得利用皮秒或者 纳秒量级的脉冲在p c f 中产生s c 成为可能。c o e n 等 6 5 】利用锁模氪激光器产生的 峰值功率为几百w 、脉宽为6 0 皮秒的脉冲在p c f 中产生了宽度为6 0 0 纳米的s c 。 值得注意的是，输入脉宽为纳秒量级、功率为6 w 、波长为7 7 0 纳米的脉冲得到 了输出平均功率为2 w 、3 1 0 纳米宽的光谱【6 “。 目前为止，报道中利用p c f 产生特宽的s c 是k u m a r 等人用软玻璃( s f 6 ) p c f 作为传输介质的。他们用波长为1 5 5 0 纳米、脉宽为1 0 0 飞秒的脉冲在7 5 厘 米长的软玻璃p c f 中产生了3 5 0 到2 2 0 0 纳米的s c p ”。 1 3 2 产生机制 传统光纤主要以来自相位调制效应产生在中心频率两侧对称分布的钟形s c ， 而在p c f 中s c 现象的形成是一个非常复杂的非线性光学过程，是多种效应共同 作用的结果，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s c 的形成都有贡献。因此，研究各 种效应在超连续光谱产生中的作用对产生平坦、稳定的超连续光谱而言是非常必 要的，很多研究人员从不同角度探究了这种现象的成因。 c o e n 等人【3 3 】将入射脉冲宽度为皮秒量级时的s c 的主要产生机制解释为受激 拉曼散射和四波混频，而自相位调制的作用非常小，几乎可以忽略，而受激拉曼 散射和四波混频效应明显依赖于初始脉冲中心波长相对于p c f 零色散波长的位 置【67 1 。g a e t a 3 4 1 采用r a n k a 等人2 3 1 实验中的参数进行了数值计算，其结果表明： 当入射脉冲波长位于靠近零色散点的反常色散区时，光谱形状主要由高阶色散决 定；三阶色散和自相位调制的相互作用决定了光谱高频方向的宽度，同时限制了 低频方向的相对展宽，而且频谱的精细结构对入射脉冲能量的变化很敏感。此外， 7 光子晶体光纤中超连续谱产生的机制及控制研究 由予p c f 控铡中不可避免逢产生缓者特意萼| 入豹黢辑嚣，港毙绎嚣令童辘方自瓣 偏振模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s c 的宽度 和偏强态。与单缝由自捆位调制效瘦产生s c 的情撼摆反，理论积实骏f 3 5 , 3 7 表盟： p c f 中s c 产生的原因不仅仅是自糯位调制，而且还有高阶孤子分裂的作用，并且 将实验结果和理论结果进行了比较，发现初始脉冲在光子晶体光纤中传输时，脉 津戆演交稻赢除孤子鹣滚交类缓，褪始歉冷分裂失级移豹基泠雾鑫子帮簸移熬菲瓣 予辐射波，导致了频谱的展宽，这就说明了s c 产生的新的机制一一高阶孤子分裂； 并且当入射的毽秒脉冲像于反常瞧教区时，在同样强度下，筑脉；申比窄脉冲产擞 的s c 可以更宽，此时s c 的产生机制被解释为高阶孤子分裂和四波混频；在脉宽 较宽时，孤子的阶数比较大，n 阶孤子裂变为n 个脉冲，同时每个脉冲会发出对 应酶蘸移瑟显榛位歪黎羚菲疆予波，这n 令躲洚最终稳定荠麓影藏爨移黪x 拿一 阶孤子，同时四波混频效应将频谱加宽。豳1 3 是波长为8 4 2 纳米时在零色散波 长为8 0 6 纳米的p c f 中不同的输如功率下的是谱馥线【6 0 1 ，它明显地反映了上述过 程。数值计算裘明，利掰商阶孤子裂变效藏在高非线性的p c f 中可以产生3 个倍 频程的s c t “j 。文献【3 9 】则从理论和实验两个方面分析了在不同的色散区域( 正常 色教嚣或反豢色教区) 务耪荽线蠖兹瘟在s c 戆产燕中鬣占瓣重要程，结果表骥 受激拉曼散射对s c 的形成起重臻作用，s c 的宽度主要由与波长有关的群延迟决 定，并且发现当泵满脉冲位于反常色散区时，非线性效应对s c 形成均有影响， 丽当泶浦脉冲位于正常德散区霄，对s c 形成超主簧作用的楚自相位调制帮霞渡 混频。 图 3 波长秀8 4 2 纳采霹纛攀皂教波长蔻8 0 6 缡袋 的p c f 中举同的输出功率 fr o 光谱【6 0 l 8 硕士学位论文 综上所述，自相位调制、受激拉曼散射、四波混频、高阶孤子分裂效应对p c f 中s c 的产生有重要影响，在第二章中将作详细讨