光子晶體光纖在超連續(xù)譜產(chǎn)生中的應(yīng)用0

1、光子晶體光纖在超連續(xù)譜產(chǎn)生中的應(yīng)用摘 要超連續(xù)譜展寬在光通信中有重要的應(yīng)用，采用數(shù)值方法求解非線(xiàn)性薛定諤方 程，利用MATLAB分析光纖中產(chǎn)生的超連續(xù)譜譜線(xiàn)展寬情況，分析了色散、自相 位調(diào)制、受激拉曼散射效應(yīng)、自陡峭效應(yīng)對(duì)超連續(xù)譜的影響，給出了光纖傳輸過(guò) 程中增寬譜線(xiàn)的方法。關(guān)鍵詞：光通信；光子品體光纖；超連續(xù)譜；分步傅立葉法中圖分類(lèi)號(hào):TN29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe application of photonic crystal fibers in super-continuum generationAbstractSuper-continuous spectrum broadening ar

2、e important in optical communication applications. Using numerical method for solving the nonlinear Schrodinger equation, using MATLAB analysis generated in optical fibers super continuous spectrum broadening of spectral lines, analyze the dispersion, self-phase modulation, stimulated Raman scatteri

3、ng effect, self-steepening on super-continuum spectrum effect, gives the optical fiber transmission in the process of broadening spectral line method.Keywords: optical communication; photonic crystal fiber; super-continuum; split-step Fourier method0引言我們利用光子品體光纖來(lái)獲得超連續(xù)譜(Super-Continuous，SC),光子品體光 纖(p

4、hotonic crystal fiber，PCF)又稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖，它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，具 有無(wú)截止單模傳輸、靈活可控的模場(chǎng)面積、色散可控等傳統(tǒng)光纖不可比擬的特性， 比一般光纖更容易產(chǎn)生超連續(xù)譜。光子品體光纖將在未來(lái)的Tbit/s波分復(fù)用 /光時(shí)分復(fù)用(WDM/ OTDM)系統(tǒng)中扮演重要角色1-3。利用光纖中的超連續(xù)(SC) 譜展寬技術(shù)，能夠在很寬的光譜范圍內(nèi)同時(shí)獲得多個(gè)高重復(fù)率、多波長(zhǎng)超短脈沖， 是一種有效的超短脈沖光源產(chǎn)生方法。而超短脈沖光源是非線(xiàn)性光學(xué)、信息光 電子超快光譜和多光子顯微鏡等諸多應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，具有廣闊的應(yīng)用前 景?；趶V義非線(xiàn)性薛定諤方程，采用分步傅里葉方法數(shù)值模擬了在

5、飛秒激光脈 沖作用下光子品體光纖中的傳輸特性和超連續(xù)譜的產(chǎn)生機(jī)理，分析和研究了光子 品體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的規(guī)律及光纖參數(shù)對(duì)其特性(特別是對(duì)其寬度及形狀)的影響。1光子晶體光纖中SC形成的理論模型PCF中脈沖的傳輸可以用廣義非線(xiàn)性薛定諤方程描述如下:竺+坦A iZ也竺小|A|2 A - a gdz 2k! dtki dtk i式中A(z,t)為脈沖復(fù)振幅；z為脈沖在光纖中傳輸?shù)木嚯x，a數(shù)，6 n為n(a|2 a)-a A21 12動(dòng)為光纖的損耗系階色散系數(shù)，T=t-Z/vg=t-6 1z，vg為群速度，Y為非線(xiàn)性系數(shù)，3 0為脈沖中心頻率，TR與拉曼增益斜率有關(guān)。采用分步傅里葉方法來(lái)解此方程，基

6、本思想是將光纖線(xiàn)路分成若干段，每段 長(zhǎng)度用h表示，在長(zhǎng)為h的一小段內(nèi)將色散和非線(xiàn)性分開(kāi)考慮，即首先單獨(dú)考慮 非線(xiàn)性對(duì)脈沖傳輸?shù)挠绊?，然后再考慮色散的影響。首先在第一步中令D=0，然 后在第二步中再令N=0。經(jīng)過(guò)這兩步計(jì)算可以得到長(zhǎng)為h的小段光纖的輸出信號(hào)。再以此為輸入脈沖，計(jì)算下一段光纖中脈沖的傳輸，當(dāng)然仍然首先假設(shè)D=0，然 后再假設(shè)N=0。如此反復(fù)計(jì)算，直到光纖的輸出端4-6。利用軟件模擬的方式，研究超連續(xù)譜的性能，找出最佳的光子品體光纖參數(shù)。 模擬計(jì)算輸入脈沖功率、中心波長(zhǎng)、脈沖寬度以及輸入脈沖的初始對(duì)于產(chǎn)生超連 續(xù)譜的性能的影響；模擬計(jì)算光子品體光纖的長(zhǎng)度、纖芯直徑以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于 產(chǎn)

7、生超連續(xù)譜的性能影響；選擇合適的飛秒激光器并設(shè)計(jì)一種可以產(chǎn)生良好性能 的超連續(xù)譜的光子品體光纖；找出不足并提出改進(jìn)措施。2 SC產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方案超短脈沖激光器輸出的超短脈沖經(jīng)過(guò)EDFA放大之后進(jìn)入SC譜產(chǎn)生光纖，在 光纖的出射端得到超連續(xù)譜脈沖，經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)光柵解復(fù)用之后實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸 出。在光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜的系統(tǒng)框圖如圖1：陣列波導(dǎo)=光柵KAWG f超短脈沖光源EDFASC譜產(chǎn)生光纖多波長(zhǎng)輸出圖1光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜的系統(tǒng)框圖超短脈沖激光器輸出的超短脈沖經(jīng)過(guò)EDFA放大之后進(jìn)入SC譜產(chǎn)生光纖，在光纖 的出射端得到超連續(xù)譜脈沖，經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)光柵分波之后實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸出。3 SC產(chǎn)生的軟件仿真在廣義非

8、線(xiàn)性薛定諤方程的基礎(chǔ)上利用數(shù)值模擬計(jì)算的方法研究SC的產(chǎn)生 機(jī)理，以及SC光譜與泵浦脈沖參數(shù)和光纖參數(shù)之間的關(guān)系。利用MATLAB語(yǔ)言 編寫(xiě)程序，采用分步傅立葉方法求解光纖中的非線(xiàn)性薛定諤方程。3.1各種參數(shù)對(duì)SC譜的影響輸入脈沖的半高寬，PCF長(zhǎng)度以及輸入脈沖的半高寬對(duì)SC譜的影響分別如 圖2、圖3、圖4所示：Wavelength(nm)圖2不同輸入功率產(chǎn)生的SC譜Wavelength(nm|圖3不同長(zhǎng)度的PCF輸出的SC譜1500155016001650Wavelengthfnmi超連續(xù)譜贛出Oo o o O 5 0 5 0 r-1-1-2 一 EmPMolMod1700圖4不同的FWHM

9、輸出的SC譜3.2仿真結(jié)果分析（1）隨著輸入功率的增加，SC譜的平坦度越來(lái)越好（2）當(dāng)光纖長(zhǎng)度L20m 時(shí)，SC譜的5dB帶寬變化緩慢，因此，想要得到性能良好的SC譜，光纖的長(zhǎng)度 需要有一定的保證。（3）隨著FWHM的增加，SC譜的3dB帶寬逐漸減小，因此，在此可以得出，在 條件允許的情況下，較大的輸入脈沖峰值功率，一定的光纖長(zhǎng)度以及較小的FWHM 可以很大程度提高SC譜的特性.4結(jié)論在光纖傳輸?shù)某B續(xù)譜展寬過(guò)程中，光孤子階數(shù)、光纖傳輸距離、色散（包 括群速度色散GVD和三階色散TOD）和非線(xiàn)性效應(yīng)（自頻移效應(yīng)和自相位調(diào)制 等）具有重要作用。這里從光脈沖在光纖中傳輸?shù)姆蔷€(xiàn)性薛定諤方程出發(fā)，利

10、用MATLAB數(shù)值計(jì)算工具編寫(xiě)并運(yùn)行程序，通過(guò)改變程序中相關(guān)參數(shù)（自頻移系 數(shù)、色散系數(shù)、光纖傳輸距離、光孤子階數(shù)等），繪制出相關(guān)圖形，觀察各種因 素對(duì)頻譜展寬的影響。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，最終得到了一個(gè)較佳方案，各組參數(shù)分別 為：非線(xiàn)性系數(shù)g=21*1012 ;色散參量D0=-1.9*109fs/nm”2;光纖損耗系 數(shù) a0=9*1012dB/nm;色散斜率 TOD=0.012*10、9fs/nm3;HNLF 長(zhǎng)度 len=100*109m;輸入脈沖半寬高dto=400fs ;輸入脈沖峰值功率P=200W;所得 SC譜的圖像如圖5-50參考文獻(xiàn)E pmoclo o .-2-260135014001

11、460150015501600166。17001760Wavelength(nm)1800John M.Dudley, Goery Genty, Stephane Coen. Super-continuum generation inphotonic crystal fiber.Rev.Mod.Phys,2006,78:1135.K.Saitoh, M.K.Highly Nonlinear dispersion-flattened photonic crystal fibers for super-continuum generation in a telecommunication wind

12、ow Opt. Express, 2004,12(10):2027-2032.Z.Zhu,T.GBrown. Experimental studies of polarization properties of super-continuum generated in a brief ringent photonic crystal fiber.Opt.Express,2004,12:791-796.ZhinanZeng,YaCheng,XiaohongSong,etal. Generation of an extreme ultraviolet super-continuum in a two-color laser field. Phys.Rev. Lett. 2007, 98:203901.Chow K K, ShuC,LinChinlon,etal. Polariaztion insensitive widely tunable wavelength converter based on four-ware mixing in a dispersion-flattened nonlinear photonic crystal fiberJ.IEEE