泵浦探针结构下啁啾孤子光脉冲的频谱分析毕业论文.doc
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1、分类号:O437 U D C: 密 级:公 开 编 号: 成都信息工程学院学位论文泵浦探针结构下啁啾孤子光脉冲的频谱分析论文作者姓名:申请学位专业:电子科学与技术申请学位类别:工学学士指导教师姓名(职称):论文提交日期: 泵浦探针结构下啁啾孤子光脉冲的频谱分析摘 要从忽略光纤色散损耗和脉冲间走离效应的耦合非线性薛定谔方程出发,解析推导了啁啾孤子光脉冲对的非线性相移,并利用傅里叶变换,计算模拟和分析讨论了泵浦探针结构下两孤子光脉冲的频谱展宽特性随入纤功率、传输距离及啁啾参数的变化规律。结果表明:所有频谱都是关于中心对称的,随入纤功率的增大和传输距离的增加,频谱展宽增强,谱峰数目增多;在脉冲没有初
2、始啁啾时,脉冲频谱的能量分布基本上都是由中心向两侧逐渐增强。啁啾的存在则改变了频谱的能量分布和频谱的宽度和谱峰数目。当初始啁啾为负时,频谱中心附近的谱形变得平坦,谱峰数目减少,频谱窄化。负初始啁啾量越大,则频谱窄化越严重。这是由于负初始啁啾与非线性效应所致的中心线性正啁啾有抵消的结果。当初始啁啾为正时,与非线性效应所致正啁啾叠加的结果将使谱峰数目增加,频谱振荡结构加强,而谱宽的变化较小。此外,在其它参数相同时,功率较低的探针脉冲具有比功率较高的泵浦脉冲更宽的频谱和更多的谱峰。关键词:交叉相位调制;泵浦探针结构;啁啾孤子光脉冲;非线性相移;频谱展宽Frequency spectra analys
3、is of chirped soliton optical pulse under the pump-probe structuresAbstractStarting from the coupled nonlinear Schrdinger equation where the effect of walk-off between pulses and dispersion effect are neglected, the nonlinear phase shifts of the chirped soliton optical pulse pair are analytically de
4、duced. And utilizing the Fourier transformation, the variations of the spectral broadening characteristics of two soliton optical pulses with the input powers, propagation distance and the chirp parameter are computer simulated and discussed under the pump-probe structures. The results show that, al
5、l of the spectra are central symmetric. And with the increase of the input powers and propagation distance, the spectral broadening becomes intense and appears many spectral peaks. For the initially unchirped pulses, the spectral energy gradually becomes intense from the spectral center to the edges
6、. While the existence of the initial chirps change this energy distribution and the spectral widths and the number of the spectral peaks. The initially negative chirp makes the spectrum become flat in the vicinity of the spectral center and decreases the number of the spectral peaks. Spectral narrow
7、ing thus occurs in this case. And the larger the negative initial chirp is, the more serious the spectral narrowing is. This can be understood by noting that the initially negative chirp is partly neutralized by the nonlinearity-induced linear and positive chirp over the center of the pulse. After a
8、dding with nonlinearity-induced linear and positive chirp, the initially positive chirp increases the number of the spectra peaks and results in an enhanced oscillatory structure. But the spectral width changes slightly in this case. In addition, when the other parameters are the same, the weak prob
9、e pulse with low input power has wider spectrum and more spectral peaks than the strong pump pulse with high input power. Key words: cross-phase modulation; pump-probe structures; chirped soliton optical pulse; nonlinear phase shift; spectral broadening目 录论文总页数:23页1 引言12 影响光脉冲在光纤中传输的各种因素12.1 光纤的结构与基
10、本特性12.2 光纤损耗32.3 光纤色散32.4 光纤的非线性特性43 光脉冲在光纤中传输的理论基础53.1 麦克斯韦方程组53.2 耦合的非线性薛定谔方程53.3 非线性传输区域74 泵浦探针结构下啁啾孤子光脉冲的频谱展宽84.1 理论分析84.2 计算模拟9结 论20参考文献21致 谢22声 明231 引言光孤子通信是一种充满活力的先进的通信方案,它的超长距离传输、超高码速率的通信潜力,是同轴电缆通信和线性光纤通信无法比拟的,由此决定了它必将成为未来高速率、长距离通信的主体1。但由于有群速色散、斯托克斯效应、喇曼效应等的存在;仍给其在通信中的应用带来了一定困难。特别是在传输过程中它们之间
11、的相互作用,严重地影响了传输码率,降低了潜在的通信容量2由此,研究孤子光脉冲在光纤中传输的非线性效应显得极为重要。双光脉冲间的交叉相位调制效应的研究日益受到广大研究者的关注。我们知道,当两个同偏振、不同波长的光脉冲同时在光纤中传输时,一个光波的相位除受到自身光强的调制(自相位调制)3外,还同时受到共同传输的另一脉冲强度的调制,该种现象被称为交叉相位调制效应3。理论分析和实验表明,交叉相位调制与自相位调制作用类似,都能诱导光脉冲的频谱展宽,当两束光强相等时,交叉相位调制是自相位调制的两倍,因此对光脉冲传输特性产生较大的影响。交叉相位调制在超连续谱、光开关及超短脉冲压缩等方面有重要应用。另一方面,
12、在波分复用系统(WDM)中,该现象会引起信道之间的串扰,从而降低系统的性能3,而且,信道间隔越窄,光波走离作用越不明显,两光波间的串扰就越大,交叉相位调制的影响越严重4。因此,交叉相位调制成为波分复用系统最小信道间隔的一个限制因素,一般采用增加信道间隔来抑制。所以,从理论或实验上深入探讨耦合的孤子光脉冲具有重要的理论和实际意义。本文从忽略光纤色散、脉冲间走离效应的同步耦合非线性薛定谔方程出发,解析分析了孤子光脉冲对的非线性相移;并利用傅里叶变换方法,采用大型仿真软件MATLAB计算模拟了泵浦和探针两孤子光脉冲的频谱随两脉冲的啁啾参数,传输距离及入纤功率的变化规律,分析并讨论了两孤子光脉冲的频谱
13、展宽特点以及谱峰数目的变化规律。2 影响光脉冲在光纤中传输的各种因素2.1 光纤的结构与基本特性最简单的光纤是由折射率略低于纤芯的包层包裹着纤芯组成的,纤芯、包层折射率分别记做和,这样的光纤通常称为折射率阶跃光纤,以区别其他折射率从纤芯到芯边缘渐渐变小的折射率梯度光纤3。图2-1给出了阶跃折射率光纤的横截面和折射率分布示意。描述光纤特性的两个参量是纤芯包层相对折射率差D,定义为: (2-1)以及由下式定义的归一化频率: (2-2)式中,k0=2p/l,为纤芯半径,l为光波波长。图2-1 光纤的剖面图 图2-2(a) 均匀光纤的折射率 图2-2(b) 非均匀光纤的折射率剖面分布 剖面分布光纤按折
14、射率分布来分类,一般可分为阶跃型光纤和渐变型光纤10。1) 阶跃型光纤如果纤芯折射率沿半径方向保持一定,包层折射率沿半径方向也保持一定,而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤,称为阶跃型光纤,又可称为均匀光纤,他的结构如图2-2(a)所示。2) 渐变型光纤如果纤芯折射率随着半径加大而逐渐减小,而包层折射率是均匀的,这种光纤称为渐变型光纤,又称为非均匀光纤,他的结构如图2-2(b)所示。参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。在阶跃光纤中,如果V2.405,则它只容纳单模,满足这个条件的光纤称为单模光纤。单模光纤和多模光纤的主要区别在于芯径,对典型的多模光纤来说,其芯径a=25mm30mm
15、;而D的典型值约为310-3的单模光纤,要求,而且都是张量。由上式可知道:电偶极子的极化强度P对电场E是非线性的,作一点说明:(j=1,2,3)为j阶电极化率,二阶电极化率对应于二次谐波的产生、和频运转等非线性效应。光纤中的最低阶非线形效应起源与三阶电极化率,它是引起诸如三次谐波产生,四波混频以及非线形折射等现象的主要原因。因而光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折射率,折射率对光强的依赖关系导致了大量有趣的非线性效应:其中研究得最广泛的是自相位调制和交叉相位调制。自相位调制指的是光场在光纤内传输时光场本身引起的相移。交叉相位调制指的是由不同的波长、传输方向或偏振态的脉冲共同传输时,一种光场引
16、起的另一种光场的非线性相移。从本质上说,一切介质都是非线性的,只是有的介质的非线性影响小。光纤是一种以石英为材料的介质,上述这种非线性效应由于光纤的低损耗,芯径细,和有限长的作用距离等原因,非线性作用就更加明显了。最近测得的石英光纤中的非线性折射率系数值在(2.23.4)10-20m2/W范围内,它取决于纤芯的成分及光纤中输入的偏振态是否能保持。这个值较其他非线性介质至少小两个数量级。类似地,在石英光纤中,拉曼和布里渊增益的测量结果表明,它们的值也比大多数其他非线性介质小两个数量级以上。尽管石英光纤中固有的非线性系数值较小,但光纤中的非线性效应在相对较低的功率水平下就能观察到,这是由单模光纤的
17、两个重要特性在1.0mm1.6mm波长范围内具有小光斑尺寸(模场直径10mm)和非常低的损耗(1dB/km)所决定的。光纤中非线性过程效率的巨大的增强因子,使得光纤成为合适的非线性介质,用于在相对较低的功率水平下观察各种非线性效应。在一些需要较短光纤(0.1km)的应用中,石英相对较弱的非线性成为一个新的话题。现在可以用值比石英大的非线性材料制造光纤,这些光纤在制作放大器、开关、光栅等器件方面正引起极大的关注,并且有可能对非线性光纤光学的发展起更加重要的推动作用。3 光脉冲在光纤中传输的理论基础3.1 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3,在国际单位制(
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