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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于特种光纤的超连续谱现象的数值与实验研究 姓名：刘莹松 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：元秀华 20060428 摘 要 光纤中存在的超连续谱现象源于光纤中各种效应的共同作用，包括群速度色散和 自相位调制、交叉相位调制、四波混频及受激拉曼散射等。本文介绍了特种光纤中超 连续谱现象的数值与实验研究的成果，基于色散平坦渐减光纤以及高非线性光纤给出 了具体的数值研究与实验分析。主要内容如下： （1 ）介绍了光纤中脉冲传输的基本理论以及广义非线性薛定谔方程的推导过程， 介绍了超连续谱研究的发展状况以及一些相关的应用。 （2 ）介绍了光纤中超连续谱现象的物理基
2、础，特别是光纤中的各种效应，包括光 纤损耗、二阶群速度色散、三阶群速度色散以及高阶非线性效应等是如何影响超连续 谱的。 （3 ）提出了研究色散平坦渐减光纤中超连续谱现象的物理模型和数值计算方法。 运用分布傅立叶方法求解了对应的广义非线性薛定谔方程，模拟了色散平坦渐减光纤 中脉冲的传播演化过程和超连续谱产生的过程。分析结果表明，光纤的色散特性对于 脉冲的演化以及超连续谱的产生有着关键的作用。同时，还讨论了包括泵浦脉冲功率、 高阶群速度色散、高阶非线性效应以及初始脉冲啁啾对超连续谱现象的影响。 （4 ）以高非线性光纤为对象，对该种光纤中的超连续谱现象进行了实验分析，并 提出了一种利用普通单模光纤进
3、行啁啾补偿来优化超连续谱谱宽的方案。 关键词：超连续谱 非线性薛定谔方程 群速度色散 高阶非线性效应 色散平坦渐减光纤 高非线性光纤 ABSTRACT The Supercontinuum (SC) spectrum phenomenon in fiber has been conjectured to be the interplay between Group- velocity dispersion (GVD) and fiber nonlinearity, such as self phase modulation, cross phase modulation, stimulated
4、 Raman Scattering and Four- Wave Mixing etc.In this thesis, numerical analysis based on Dispersion Flattened Decreasing Fiber (DFDF) and experiment study based on High Non- Linear Fiber (HNLF) of Supercontinuum are introduced. The main contents are as follows: (1) The development and applications of
5、 Supercontinuum spectrum are introduced. The basic theory of pulse propagation in fiber is introduced, and also the Nonlinear Schr dinger equation (NLSE). (2) The physics foundation of the Supercontinuum phenomenon in fiber is discussed, especially those effects in fiber including fiber loss、GVD、TOD
6、 and higher- order non- linearity effects such as SPM, SRS, XPM etc. Then some kinds of fiber which are being used for Supercontinuum spectrum generation are introduced. (3)The principle and numerical model of Supercontinuum spectrum generation in the DFDF is presented. Split- Step Fourier methods a
7、re used to solve the NLSE in the DFDF, and the generation of Supercontinuum spectrum in the DFDF is simulated numerically. The analysis indicated that the dispersion characteristic of the DFDF fiber is crucial for the Supercontinuum spectrum generation. Also, the effects of the injected pump power、
8、higher- order GVD、higher- order nonlinearity and input pulse chirp are considered. (4)A Supercontinuum spectrum generation experiment using HNLF is demonstrated. A chirp compensation method using SMF is introduced to generate more flattened and wide Supercontinuum spectrum. Keywords: Supercontinuum
9、spectrum (SC) Nonlinear Schrdinger equation (NLSE) Group- velocity dispersion (GVD) Higher- order Non- linear effects Dispersion Flattened Decreasing Fiber (DFDF) High Non- Linear Fiber (HNLF) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人
10、和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论
11、 2 1 世纪是一个以网络为核心的信息时代，人们对信息的需求与日俱增，各种宽带 业务市场正在迅速扩大。作为宽带传输解决方案的光纤通信从其诞生之日起，在通信 界就倍受瞩目，而且一直保持着强劲的发展势头，光纤通信的发展速度不仅超过了由 摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度，也超过了数据业务的增长速度，确立 了其在长途传输、越洋传输方面和作为通信业务的骨干传送基础的不可替代的地位 1 。 同时迅速发展的各类新型电信业务对通信网的带宽和容量也提出了更高的要求。 理论与实践都已证明，光复用技术 2 作为构建信息高速公路的重要技术，对光通信系统 及网络的发展，对充分挖掘光纤巨大传输容量的潜力，都起到了
12、非常重要的作用。而 波分复用（W D M ）技术与光码分复用 3 - 5 （O C D M ）技术结合应用的混合复用技术被认为 是构筑更高速率、更大容量的光通信网络最具潜力的技术方案之一。这种光通信系统 的一个关键技术就是获得高重复率的、多波长的超短脉冲。 然而增益开关 D F B 激光器( G S - D F B : G a i n - S w i t c h e d D i s t r i b u t e d - F e e d b a c k L a s e r ) 和锁模光纤激光器( M L F L : M o d e - L o c k e d F i b e r L a s e r
13、 ) 都只能产生单一波长的近变换极 限超短脉冲，依靠选取特定波长的几个 G S - D F B 或 M L F L 作为 O T D M / W D M 通信光源会给工 作带来很多的不便。利用光纤中的超连续谱( S u p e r c o n t i n u u m ) 技术则是一种非常有效 的方法。 目前世界上对超连续谱的研究很热门，不过大多都是建立在实验设计和实验结果 的分析上，以及对新的超连续谱光纤的寻找等方面。本文从超连续谱的产生机理入手， 以色散平坦渐减光纤为例，用分布傅立叶方法对光纤中的超连续谱现象进行分析，并 找出可能影响超连续谱的产生和质量的因素。同时，还采用高非线性光纤进行了
14、一些 实现超连续谱的实验研究。 1.1 大容量高速光通信技术简介 1.1.1 WDM 技术简介 W D M 本质是光域的频分复用技术，根据一定的频率（或波长）间隔将光纤的低损 耗窗口划分为若干个信道，每个波长信道占用一段光纤的带宽。在每个波长信道上运 2 行一个系统（各个系统的传输速率可以是一致的，也可以不一致） 。这样，通过增加工 作波长的数量，达到增加传输容量的目的。 W D M 技术具有以下一些优点： ( 1 ) 充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几 倍甚至几十倍； ( 2 ) 使 N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约 光纤。另外
15、，对于早期安装的芯数不多的光缆，利用波分复用就不必对原有系统作较 大的改动即可比较方便地扩容； ( 3 ) 由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信 号，完成各种电信业务的综合和分离； ( 4 ) 波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个 W D M 系统可以承载多种格式的“业务”信号，对于“业务”层信号来说，W D M 的每个 波长就像“虚拟”的光纤一样； ( 5 ) 波分复用器件大多是光无源器件，结构简单，体积小，稳定可靠，在网络设 计和施工中有很大灵活性； ( 6 ) 在国家骨干网的传输系统中，E D F A 的使用可以大大减小长途干线
16、系统 S D H 中 继器的数目，从而减少成本。距离越长，降低成本就越多。 W D M 技术是研究最多、发展最快、应用最为广泛的复用技术。通过与 O C D M 技术的 结合，可以在提高单波长信道的通信容量的基础上也增加通信信道数，从而构成更高 速率，更大容量的光通信系统。 1.1.2 OCDM 技术简介 光码分复用( O C D M ) 是一种扩频通信技术，不同用户的信号用互成正交的不同码序 列来填充，接收时用与发送方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复原用户信息。 由于各用户采用的是正交码，因此相关接收时不会构成干扰。 O C D M 系统采用地址码寻址方式，具有很大的灵活性，它的编/ 解码器采用光信号 处理技术，可以实现无延迟异步接入，并且网络控制简单，业务透明性好，它将极大 改善网络的性能，是
