「第三章 群速度色散【课件参考】」.ppt

文双春唐志祥2009年3月17日星期二 第三章群速度色散 1 上课课件 Contents 非线性Schrodinger方程的归一化色散致脉冲展宽GVD对啁啾脉冲的影响高阶色散效应GVD对光通信系统的限制 2 上课课件 非线性Schrodinger方程的归一化 为什么归一化 简洁便于比较相对重要性标准如何归一化 每一个量分别选取一把参考尺子去度量 一般来说 脉冲宽度用初始脉宽去度量 传播距离用色散长度去度量 脉冲振幅用初始功率的平方根去度量 3 上课课件 非线性Schrodinger方程的归一化 设入射脉冲的初始宽度和峰值功率分别为T0和P0 定义色散长度LD和非线性长度LNL 引入下列归一化变量NLS方程变换成如下归一化形式 4 上课课件 非线性Schrodinger方程的归一化 如果进一步引入归一化传播距离 则NLS方程变换成如下归一化形式 式中N2 LD LNL N是孤子阶数 5 上课课件 色散长度与非线性长度 定义 其中T0和P0分别为入射脉冲的初始宽度和峰值功率 意义 LD GVD开始起作用的长度 LNL 非线性效应开始起的长度 6 上课课件 色散长度与非线性长度 L LD L LNL 色散和非线性效应共同起作用 反常色散 Soliton 正常色散 PulseCompression 7 上课课件 色散致脉冲展宽 色散相速度和群速度常见脉冲形式色散致脉冲展宽的解析研究方法色散致高斯脉冲展宽色散致双曲正割脉冲展宽色散致超高斯脉冲展宽 8 上课课件 Opticaldispersion 9 上课课件 Negativedispersion 10 上课课件 DispersioninOptics Thedependenceoftherefractiveindexonwavelengthhastwoeffectsonapulse oneinspaceandtheotherintime Dispersiondispersesapulseinspace angle Dispersionalsodispersesapulseintime Chirp d2n dl2 Angulardispersion dn dl Bothoftheseeffectsplaymajorrolesinultrafastoptics 11 上课课件 Sophisticatedcladdingstructures i e indexprofileshavebeendesignedandoptimizedtoproduceawaveguidedispersionthatmodifiesthebulkmaterialdispersion NotethatfiberfolksdefineGVDasthenegativeofours DispersioninOpticalFibers 12 上课课件 Questions Doesdispersionaffectthepropagationofaplanewave Awavepacket pulse comprisesofanumberofplanewaveswithdifferentfrequencies Whatisthefrequencyofthepulse Whatisthevelocityofthepulse 13 上课课件 PhasevelocityandGroupvelocity 相速定义为与行波场保持固定相位的观察者前进的速度 沿光纤轴传播的单色波可以描述为群速定义为与群传播包络保持固定相位的观察者前进的速度 14 上课课件 Whentwowavesofdifferentfrequencyinterfere theyproduce beats IndividualwavesSumEnvelopeIntensity 15 上课课件 Whentwowavesofdifferentfrequencyinterfere theyproducebeats 16 上课课件 Whentwolightwavesofdifferentfrequencyinterfere theyproducebeats 17 上课课件 Groupvelocity vg dw dk Lightwavebeats continued Etot x t 2E0cos kavex wavet cos Dkx Dwt Thisisarapidlyoscillatingwave cos kavex wavet withaslowlyvaryingamplitude 2E0cos Dkx Dwt Thephasevelocitycomesfromtherapidlyvaryingpart v wave kaveWhatabouttheothervelocity Definethe groupvelocity vg Dw DkIngeneral wedefinethegroupvelocityas 18 上课课件 Groupvelocityisnotequaltophasevelocityifthemediumisdispersive i e nvaries 19 上课课件 vg dw dkNow wisthesameinoroutofthemedium butk k0n wherek0isthek vectorinvacuum andniswhatdependsonthemedium Soit seasiertothinkofwastheindependentvariable Usingk wn w c0 calculate dk dw n wdn dw c0vg c0 n wdn dw c0 n 1 w ndn dw Finally Sothegroupvelocityequalsthephasevelocitywhendn dw 0 suchasinvacuum Otherwise sincenincreaseswithw dn dw 0 and vg vphase CalculatingtheGroupvelocity 20 上课课件 常见脉冲形式 21 上课课件 色散致脉冲展宽的解析研究方法 Startingequation ThisequationcanbeeasilysolvedbyFouriertransformation ThesolutionisWhere 22 上课课件 GVD对Gaussian脉冲的影响 ConsiderthepropagationofaninitialGaussianpulse Afterpropagatingadistancez thepulseevolvedintothefollowingform 23 上课课件 GVD使Gaussian脉冲加宽 24 上课课件 GVD致脉冲啁啾 线性频率啁啾 横过脉冲的频率变化是线性的 在正常色散区 0 上或正啁啾 脉冲前沿红移 后沿蓝移 在反常色散区 V蓝 而在反常色散区 V红 V蓝 仅当所得的频谱分量同时到达时 脉冲宽度才能保持不变 不同频谱分量在传输过程中的任何延迟都将导致脉冲展宽 25 上课课件 GVD对啁啾Gaussian脉冲的影响 啁啾Gaussian脉冲传输z距离后其脉冲宽度变为 2C 0时 脉冲单调展宽 2C 0时 脉冲先压缩再展宽 最小脉宽和达到最小脉宽的光纤长度表达式 26 上课课件 GVD对超Gaussian脉冲的影响 超Gaussian脉冲 超Gaussian脉冲比高期脉冲展宽得快 且形状也发生畸变 超Gaussian脉冲有较锐的前后沿 因而有较宽的谱宽 较宽的频谱导致较快的脉冲展宽率 超Gaussian脉冲的阶数越大 脉冲展宽的越快 当超Gaussian脉冲有初始啁啾的情况下 脉冲展宽程度依赖于 2C的符号 其定性结果类似于Gaussian脉冲 27 上课课件 三阶色散效应 两种情况下需考虑三阶色散效应 1 零色散波长附近 即 2 0时 2 脉冲宽度T0 1ps的超短脉冲 相对重要性用三阶色散长度 来衡量 当L D LD时 三阶色散效应起主要作用 28 上课课件 三阶色散效应对脉冲传输的影响 TOD引起脉冲形状畸变 在其一个沿附近形成非对称的振荡结构 3 0时 振荡出现在脉冲后沿 3 0时 振荡出现在脉冲前沿 2 0时 振荡幅度增大 谷底逐渐趋于零 29 上课课件 均方根 RootMeanSquare RMS 脉宽 一般条件下 线性色散介质中啁啾高斯脉冲展宽的表达式为若光源线宽远小于脉冲带宽 则光源线宽对脉冲展宽的影响可以忽略 即Vw 0 30 上课课件 均方根脉宽 续 由RMS脉宽表达式可得如下一般性结论 二阶和三阶色散对高斯脉冲展宽均有影响 二阶色散的作用依赖于 2C的符号 而三阶色散的作用并不依赖于 3和C的符号 在严格零色散波长处传输的啁啾脉冲没有脉冲压缩过程 然而 即使偏离零色散波长很小的量 也可能导致脉冲的压缩 对任意脉冲形状 当传输距离较长时 RMS脉宽与传输距离成线性关系 31 上课课件 任意形状脉宽在具有任意高阶色散的介质中传输其RMS脉宽的演化 32 上课课件 任意形状脉宽在具有任意高阶色散的介质中传输其RMS脉宽的演化 物理意义 决定脉冲形状的不对称性 脉冲展宽的量度 33 上课课件 GVD对光通信系统的限制 自学Agrawal Sec 3 4色散管理 光纤通信技术 Sec 3 4比特率和带宽 34 上课课件 Summary 如何归一化非线性Schrodinger方程 何为相速度和群速度 如何解析