光纤的非线性传输特性

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1、光纤的非线性传输特性一．简介光纤1.光纤的历史早期的工作：为了得到低损耗的光纤早在19世纪，人们已经知道光纤中引导光传播的基本原理是全内反射。在19世纪20年代制成了无包层的玻璃纤维。直到20世纪50年代，才知道包层的使用能够改善光纤的特性，从而诞生了光纤光学这个领域。20世纪60年代，当时主要为了利用光纤束传输图像，促使光纤领域迅速发展。这些早期的光纤按现在的标准看具有很高的损耗，用当时最好的光学玻璃做成的光学纤维损耗也达到1000dB/km。1966年高锟解决了石英光纤损耗的理论问题，提出了研制低损耗光纤的可能性。1970年，美国康宁公司研制成功了第一根低损耗光纤，石

2、英光纤的损耗下降到了20dB/km的水平。随着光纤制造技术的进一步发展，到1979年，已将1.55un波长附近的损耗降低到约0.2dB/km。低损耗光纤的获得，使得光纤中光传输时的非线性效应相对而言变得不可忽略。早在1972年，已有人研究了单模光纤中的受激拉曼敞射和受激布里渊散射，这些上作促进了诸如光感应双折射、参量四波混频和白相位调制等其他非线性现象的研究。1973年，有人提出了“通过色散和非线性效应的互作用将会导致光纤产生类孤子脉冲”这样一个重要结论。1980年，在实验中观察到了光孤子，并在20世纪80年代导致了超短光脉冲的产生和控制方面的一些成就。另一个同样重要的进

3、展是将光纤用于光脉冲压缩和光开关。1987年，利用光纤非线性效应的压缩技术已产生了短到6fs的脉冲。非线性光纤光学领域在20世纪90年代继续得到发展，当在光纤中掺人稀土元素并用其制作放大器和激光器时，又增添了一个新的研究内容。尽管早在1964年就开始制造光纤放大器，但仅在1987年以后才得到快速发展。由于EDFA能工作在1.55um波长区并能补偿光纤通信系统的损耗，因此引起人们的极大关注。到1995年，这种器件已达到商品化程度，EDFA的使用导致了多信道光波系统设计上的革命。光纤放大器的研究进展同时加快了光孤子的研究，最终导致色散管理孤子概念的建立。另一重大进展是光纤光栅

4、，光纤光栅始造于1978年，在20世纪90年代得到发展，并成为光波技术不可分割的一部分。自1996年以来，光纤光栅和光子晶体光纤的非线性引起广泛关注。很显然，非线性光纤光学领域在20世纪90年代得到巨大发展，并将在21世纪继续得到发展。无论是在基本原理还是在技术方面，都产生了许多重大成就。2.光纤的结构、材料和制造两种光纤：阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤两种光纤双可分为多模光纤和单模光纤用于制造低损耗光纤的材料是由熔SiO2分子组成的石英玻璃。纤芯和包层折射率的差别是通过制造过程中选择掺杂物来实现的。掺杂CeO2和P2O5可以提高纯石英的折射率，因而适合做纤芯；而硼和氟用

5、来做包层掺杂物，因为它能减小石英的折射率。对于特殊的应用，可以采用另外一些掺杂物。例如，为制作光纤放大器和激光器，可以利用ErCl3和Nd2O3这样的掺杂物，在石英光纤的纤芯中同时掺入稀土离子。与此类似，有时掺杂Al2O3来控制光纤放大器的增益谱。石英光纤的制造分两阶段：第一阶段，汽相沉积法(CVD)用来制造圆柱体预制棒，典型尺寸为直径2cm，长1m。第二阶段，利用精密进给装置，以适当的速度把预制棒进给到高温炉拉成纤维。MCVD过程的示意图。在此过程中，在1800℃高温下，siCl4和o2混合气体通过熔石英管，在其内壁沉积_了一层Sio。为确保其均匀性，多嘴火焰在石英管长

6、度范围内来回移动。包层的折射率通过向管中通入氟来控制。当内壁形成了充分厚度的包层后，GeCl4或POCl3蒸气加入到混合蒸气中去形成纤芯。当各层均沉积好后，提高火焰的温度，使石英管发生坍塌形成固态棒状预制棒。3.光脉冲在光纤中传输时最主要的传输特性：损耗：主要来自材料吸收和瑞利散射PT?P0exp(??L)习惯损耗用?dB(dB/km)表示：?dB??10Plg(T)?4.343?LP0单模石英光纤典型损耗曲线色散：由于介质响应与光波频率有关。不同的频谱分量对应于由c/n(ω)给定的一同的传输速度。?11?(?)?n(?)??0?(???0)?1?(???0)2?2?(?

7、??0)3?3?...c26dm??m?(m)???0d??1?ngc1c?1dn?(n??)?gcd?dndn??)d?d?221?2?(2β2表示群速度色散。非线性：石英光纤只考虑三阶非线性效应，或者更高阶，石英（SiO2）分子是对称结构，不显示二阶非线性效应。三阶非线性效应有三次谐波、四波混频以及非线性折射率。二．光脉冲在光纤中的传输方程1．光纤中的模式从麦克斯韦方程组可以得到光纤中光传输的波方程：????E??1c?2E?2P??02(2.1)?t2?t电极化强度为：P(r,t)?PL(r,t)?PNL(r,t)(2.