光纤负色散区两光波的调制不稳定研究毕业论文.doc
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1、分类号:O437 U D C: 密 级:公 开 编 号:2005031126成都信息工程学院学位论文光纤负色散区两光波的调制不稳定研究论文作者姓名: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: 光纤负色散区两光波的调制不稳定研究摘 要当不同波长同偏振的两光波在光纤中传输时,由于光纤中交叉相位调制(XPM)和光纤中色散效应共同作用,可能导致交叉相位调制不稳定性产生。本文从光纤中光脉冲的耦合非线性薛定谔方程出发,采用线性稳定性分析法解析研究了光纤中双光波的交叉相位调制不稳定性条件和增益谱,并计算模拟和讨论了光纤负色散区的增益谱随色散参数、非线性系数和光纤功
2、率的变化规律,并与相同参数下正色散区的情形进行比较分析。结果表明:在其它条件相同时,随着光功率的增加,增益谱的谱峰和谱宽都变大。而随着色散参数的增大,谱宽变窄,谱峰变化小。随着非线性系数的增加,增益谱的谱峰和谱宽都变大。相比较而言,负色散区的增益谱比正常色散区更宽,增益峰值也更高,即在负色散区更易产生调制不稳定性。关键词:交叉相位调制;线性稳定性分析;调制不稳定性;增益谱Study on modulation instability of two optical waves in the anomalous dispersion regime of optical fibersAbstract
3、When the two optical waves with the same polarization but two different wavelengths propagating in optical fibers, due to the interaction between cross-phase modulation (XPM) and dispersion effects of optical fibers, cross-phase modulation instability may occur. In this paper, starting from the coup
4、ling nonlinear Schrodinger equations in optical fibers, adopting the linear stable analysis, the conditions and the gain spectra of cross-phase modulation instability are analytically derived. And the variation of gain spectra with the dispersion parameters, nonlinear coefficients and the input powe
5、rs of the optical waves is calculated and discussed in the anomalous dispersion regime of optical fibers. Moreover, comparison is also made with the case of normal dispersion regime. The results show that, When the other parameters are the same, both the widths and peak values of the gain spectra wi
6、ll increase with the input powers and nonlinear coefficients. With the increase of disperson parameters, however, the spectral widths will narrow but the spectral peak keep nearly unchanged. In comparison, the spectral widths are wider and the gain peaks larger in the anomalous dispersion regime tha
7、n those in the normal dispersion regime. That is to say, XPM-induced modulation instability are easier to exist in the anomalous dispersion regime.Key words: cross-phase modulation; linear stable analysis; modulation instability; gain spectrum目 录论文总页数:15页1 引言12 影响光脉冲在光纤中传输的因素12.1 光纤损耗12.2 光纤色散22.3 光
8、纤的非线性特征43 脉冲在光纤中的传输的理论基础53.1 脉冲在光纤中的传输方程53.1.1 麦克斯韦方程组53.1.2 耦合的非线性薛定谔方程64 光纤负色散区两光波的调制不稳定研究94.1 线性稳定性分析94.2 计算模拟和讨论10结 论13参考文献13致 谢14声 明151 引言光学中的调制不稳定性起源于色散和非线性效应的相互作用,利用光纤中的调制不稳定性可产生高重复率的超短脉冲串、制成调制不稳定激光器以及产生时间光孤子或空间光孤子,但同时它也是影响光纤通信系统性能的一个重要因素14。本文讨论的是光纤中的调制不稳定性,单光束情况调制不稳定性只发生在反常群速度区,而对于两光束情况,即使两光
9、束都在正常群速度区,也能产生调制不稳定性5, 6。调制不稳定性在频域上表现为谱线旁瓣的产生,在时域上可使连续或准连续光分裂成一系列短脉冲串,因而该现象是光孤子产生的前奏7, 8。本文从光纤中光脉冲的耦合非线性薛定谔方程出发,采用线性稳定性分析法,解析研究光纤负色散区双光波的交叉相位调制不稳定性条件和增益谱,并计算模拟不稳定增益谱随色散参数、非线性系数和光纤功率的变化规律,再与相同参数下正常色散区的情形进行比较分析。2 影响光脉冲在光纤中传输的因素光纤的吸收和散射导致光信号的衰减,光纤的色散将使光脉冲发生畸变,导致信号传输质量降低,限制了通信传输距离。为了满足长距离传输的需要,必须在光纤线路上加
10、入中继器,以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形。光纤的非线性效应也是限制系统性能的主要因素之一。长距离传输必须克服色散和非线性效应的影响。如何提高光纤传输效率,降低色散和非线性效应的影响,已经成为光纤通信领域研究的热点。2.1 光纤损耗光纤的一个重要参量是光信号在光纤内传输时功率的消耗,若是入射光纤的功率,传输功率 (2-1)式中,是衰减系数,通常称为光纤损耗,L是光纤的长度。通常习惯上通过下式用dB/km来表示 (2-2)正如所料,光纤的损耗与光波长有关。如图2-1,可以看出在1.55处最小损耗约为0.2dB/km。很明显,在较短波长处有较高的损耗,在可见区达10dB/km左右。然而值得注
11、意的是,即使是10dB/km的损耗也仅仅对应于衰减常数,对于大多数材料来说,这也是一个惊人的低值。其它对损耗有贡献的因素主要是材料吸收和瑞利散射。纯石英高吸收在紫外区和波长超过2m的远红外区,然而少量的不纯物能在0.52波长窗口导0.20.40.60.811.01.11.21.31.41.51.61.7波长()损耗(dB/km)本征损耗损耗曲线图2-1 单模光纤的损耗曲线致显著的吸收。实际上影响光纤损耗的最重要的不纯物是基态振动吸收峰在2.37m处的OH离子,因而在光纤制作过程中采取了特别的预防措施来保证OH离子浓度小于百万分之一。瑞利散射是一种基本损耗机理,它是由于制造过程中沉积到熔石英中的
12、随机密度变化引起的,它将导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。瑞利散射随变化,因而其主要作用区在短波长区。这种损耗对光纤来说是本身固有的,因而它确定了光纤的最终损耗极限,其本征损耗大致为(单位是dB/km) (2-3)式中,常数在0.7dB(km.)0.9dB(km.)范围内,其具体值与纤芯的组分有关。本征损耗在图2-1中用虚线表示。另外,可能对光纤有损耗的其他因子是弯曲损耗和边界损耗(由纤芯和包层处的散射引起)。2.2 光纤色散当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时,介质的响应通常与光波频率有关,这种特性称为色散,表明折射率对频率的依赖关系。光纤色散会使光脉冲在传输中时域展宽,强度降低
13、,导致通信系统的误码增加,限制了光脉冲无中继传输距离。单模光纤中的色散包括群速度色散GVD和偏振模色散PMD两大类。光纤的色散主要由两方面引起:一是光源发出的并不是单色光;二是调制信号有一定的带宽。实际光源发出的光不是单色的,而是有一定的波长范围。这个范围就是光源的线宽。在对光源进行调制时,可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。一般调制带宽比光源窄得多,因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽,但对高速和线宽极窄的光源,情况不一样。进入光纤中去的是一个调制了的光谱,如果是单模光纤,它将激发出基模;如果是多模光纤,则激发出大量模式。由此可以看出,光纤中的信号能量是由不同的频
14、率成分和模式成分构成的,它们有不同的传播速度,从而引起比较复杂的色散现象。下面我们讨论群速度色散。群速度色散是指单模光纤中基模的传输系数随频率而改变,从而造成群速不同,一般来说色散的起源与介质通过束缚电子的振荡吸收电磁辐射的特征谐振频率有关,可以用下面的方程表示 (2-4)式中,是谐振频率,为j阶谐振强度。由于不同的频谱分量对应与由给定的不同的脉冲传输速度。因而色散在短脉冲传输中起关键作用。甚至当非线性不很严重时由色散引起的脉冲展宽对光通信系统也是有害的。色散和非线性组合会得到不同的结果,在数学上色散可以通过中心频率处展开成模传输常数泰勒级数来解决 (2-5)参量,和折射效率有关他们的关系可由
15、下面的式子得到 (2-6) (2-7)式中,是群折射率,是群速度,脉冲包络以群速度运动。参量是群速度色散,和脉冲展宽有关。这种现象称为群速度色散GVD。实际玻璃光纤的色散跟理想情况不一样,原因有二:首先纤芯中有少量的掺杂物,其次由于介电波导作用,减少了本身对的依赖关系,这样波导色散和材料色散才是总的色散。通常,除了在附近的材料色散和波导色散相近外,其它波导色散都可以忽略。波导色散的主要贡献是把稍移向长波长方向,对常规光纤=1.31。根据色散参量和D的符号,光纤中的非线性效应表现出显著不同的特征,因为若波长,光纤表现出正常的色散。在正常色散区,光脉冲较高的频率分量(蓝移)比较低的频率分量(红移)
16、传输的慢。相比之下,的所谓的反常色散区正好相反。当光波长超过零色散波长()时,石英光纤表现为反常色散。由于在反常色散区通过色散和非线性效应之间的平衡,光纤能维持光孤子,使得人们对非线性和色散的研究非常敢兴趣。色散的一个重要特性是,由于群速度失配,不同波长下的脉冲在光纤内以不同的速度传输。这一特性导致了走离效应,它在涉及到两个或更多个交叠脉冲的非线性现象的描述中引起了重要的作用。更准确的说,当传输得较快的脉冲完全通过传输较慢的脉冲后,两光脉冲之间的互相作用将停止。两脉冲之间的分离程度由走离参量确定,定义为 (2-8)式中,分别为两脉冲的中心波长。本文对偏振模色散不做讨论。2.3 光纤的非线性特征
17、许多非线性系统都表现出一种不稳定性,它是由非线性和色散效应之间的互作用相对稳态的调制。这种现象常常被称为调制不稳定,在流体力学、非线性光学等离子体物理学等领域已早有研究。交叉相位调制的产生是由于外信道光功率引起的折射率非线性变化,从而导致相位变化。在波分复用系统中,一个波长信号的功率波动会引起同一光纤中其它波长的光信号相位的波动,这种现象称为交叉相位调制效应。在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性,光纤也不例外。从其基能级看,介质非线性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关,结果导致电偶极子的极化强度对于电场是非线性的,但满足通常的关系式 (2-9)式中是介电
18、常数,为j阶电极化率。光纤中的最低非线性效应起源于三阶电极化率,它是引起诸如三次谐波产生,四波混频以及非线性折射等现象的主要原因。然而,除非采取特别的措施实现相位的匹配,牵涉到新频率产生的(三次谐波的产生或四波混频)非线性过程在光纤中是不容易发生的。因而,光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折射率,而折射率与光强有关的现象是由引起的,即光纤的折射率可表示成 (2-10)式中,是式(2-4)的线性部分,为光纤内的光强,是与有关的非线性折射率系数 (2-11)式中,Re表示实数部分,并且假设光场是线偏振的,因而四阶张量只有一个分量对折射率有贡献,张量的特性能通过非线性双折射影响光束的偏振特性。折射
19、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(SPM)和交叉相位调制(XPM)。SPM指的是光场在光纤内传输时光场本身引起的相移,它的大小可以通过记录光场相位的变化得到 (2-12)式中,L是光纤长度。与光强有关的非线性相移是由SPM引起的。在其他方面,SPM与超短光脉冲的频谱展宽有关,而在光纤的反常色散区与光孤子的存在有关。XPM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,一种光场引起的另一种光场的非线性相移。它的起源可以通过方程(2-9)中给出的总电场来解释。 (2-13)表示复共轭,当两个频率分别为,x方向偏振的光波同时在光纤内传输时,频率为的光
20、场的非线性相移为 (2-14)由于相位失配的关系,这里忽略了频率以外产生的极化的所有项。方程(2-14)右边的两项分别由SPM和XPM引起。XPM的一个重要特性是,对相同强度的光场,XPM对非线性相移的贡献是SPM的两倍。在其他方面,XPM与共同传输光脉冲的不对成频谱展宽有关。3 脉冲在光纤中的传输的理论基础3.1 脉冲在光纤中的传输方程要掌握非线性色散介质中电磁波的传输理论,才能理解光纤中的非线性现象和色散现象,因此本节主要从脉冲在光纤中传输的基本方程出发,得到在忽略非线形情况下讨论色散的传输方程。3.1.1 麦克斯韦方程组同其它的电磁现象一样,光纤中光脉冲的传输也服从麦克斯韦方程组,在国际
21、单位制(或OSI)中,该方程组可写成 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)式中,分别为电场强度矢量和磁场强度矢量;,分别为电位移矢量和磁感应强度矢量;电流密度矢量和电荷密度表示电磁场的源。在光纤这样无自由电荷的介质中,显然是=0,=0。介质内传输的电磁场强度和增大时,电位移矢量和磁感应强度也随之增大,它们的关系通过物质方程联系起来 (3-5) (3-6)式中,为真空中介电常数;为真空中的磁导率;,分别为感应电极化强度和磁极化强度,在光纤中这样的无磁性介质中=0。3.1.2 耦合的非线性薛定谔方程光纤中大多数非线性效应的研究涉及到脉宽范围为1010的短脉冲的应用。当这样的光脉冲在光纤内
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