光纤传输系统中四波混频效应的数值研究

由（ ） 可得第 段 光纤 中 的 四波 混频 光场 分量 为 ： ４式
—
（ 。 Ｅ ｘ一 ａ）二 与 … ｅ（ Ｌ ） Ｅ ｐ ｌ
（ ｐ 一 ）］ Ｄ ［ 一 Ｌ× （１ ｅ ｘ ａ 。
唧（１ １ 一
＝： ＝
小｛ｐ 一一 ）］ｐ 专 ｍ 一ｅ［１ ａ Ｌ 、 １ ｘ．（ 【Ｌ ｉ Ｊｘ 一 ／ 一 （ 也 ｅ一
１
［ ：竺 口 二 ］ 二 （ ＋ 墨］
为第 段 光纤 的相位 匹配． 在
ｍｅ ＬＸ １ ） 耋 ［ｃ ｐ ｍ Ｘ＝ ］（ ， Ｉｐ 一 也 Ｌ ｃ Ｊ ｅ一 ｛ 耋 、 １ 一
其 中 Ａ 为光 纤有效 面 积 、 ａ为光纤 的衰 减系数 、 为第 ｍ 段 光纤 的长度 、 Ｌ
光 纤零色 散波 长附 近相位 失配 可表示 成 ：
＝ 一
ｓ ［ 一 Ｊ ＋ （ 一 Ｊ］ 一 ） ＝ｆ ） 。 （ 。 ） 。 （ ） （ － ｓ，
（） ８
其中，
因此光 纤链路 输 出端 的 四波 混频 光场 为 ：
Ｅ （ － ｃ — …
一
∑ ｅ［１ ａ／ Ｎ ｘ （ － ｐ－ ｍ－ ￣
１ 一１
）
Ｊ
（ ６ ）
收 稿 Ｅ期 ：０ ６ ２ ８ 修 回 日期 ：０ ７ ５ ５ ｔ ２ ０ —１ —２ ； ２ ０ —０ —１ 基金项 目： 山东 省 自然 科 学 基 金 （０ ６ Ｇ２０ ０ ２ ２０Ｇ ２１０）
摘 要 ： 利用推导出的由多段光纤构成的光纤链路中的四波混频效率公式， 找出了其影响全光波长变换的四
波 混 频 效 率 的 因 素 ， 而 利 用 Ｍａｌ 进 ｔ ｂ成 功 模 拟 出 了任 意 多 段 光 纤链 路 的 四波 混 频 效 率 ． 过 调 节 影 响混 频 效 率 的 各 ａ 通 种 参 数 值 ， 到 了获 取 最 佳 混 频 效 率 的 取 值 范 围 ， 一 步可 获得 稳 定 的 波 长 变 换 效 率 ． 找 进

0 12 $ ! 0 12 !
是落入该信道内各个四波混频项
/6 7 8 /6 7 89
0 12 !
: 6 )+

; " 直 接 利用 式进 行计算十 分 繁 琐 但 对 于 典 型 波 分 复 用 光 纤 通 信 系 统 而 言 ’, < " < /+ ) 时对应于 = ? 设 ( / > <3 4 A@ ) > -@ ) 且 = = / > / < ? <@ ) B A@ ) A+ ) ’ / > C+ ) 则 中的最小值 ,/ > <@ ) 上式可化简为
其中 假设各信道功率同为 为光纤的非线性系数 为光纤的损耗因子 为简并因 子 即当 时 为 否则 为 波矢失配因子 为
" " " " " ! ! # % & 式中 是参考角频率 取为色散绝对值 ! $ $ ’ $ ’ ’ ( $ $ )* + 最小的信道角频率 ( , . . $ )* + " $ / /为零色散点处的色散 % & % & ’ $ 光速和 ’ 斜率 而 ’ $ & ( )* + 分别是参考波长 $下的光纤色散参数 由于波分复用情况下每个信道内都可能落入多个四波混频项 而各个激光器的相位是独 立分布的随机变量 故信道 ! 内四波混频功率的期望值 0 12 $ 以 为5 功率的和 其归一化数值 ! 3 4计

f 113
F 123,213
F112
F223
F 132,312
F221
F231,F321 F332
F331
F1
F2
F3
2.四波混频
• 四波混频的影响：
不同波长的三个光波同时在光纤中传播时，通过石英介质相互作用产生新的波长，新的波长的频率是三者的组合，这种现象称为四波混频
• 减••• 小原如引有果入四波产色波长生散混的的频光新的能波方量长因与法转原：移有而某损波失长，相影同响或系交统叠的，从BE而R、产信生噪严比重等的性串能扰； 如课通如《原如原通四如原不课不原克《 课克不如四原如果程信果华有果有信波果有同程同有尔华程尔同果波有果产 团 技 产 为 波 产 波 技 混 产 波 波 团 波 波 效 为团 效 波 产 混 波 产生队术生传长生长术频生长长队长长应传 队应长生频长生的：专的输的的的专的的的：的的输 ：的的的的新业新工光新光业新光三三光工 三新光新吴吴吴波教波程能波能教波能个个能程 个波能波粤粤粤长学长师量长量学长量光光量师 光长量长湘湘湘与资与因与因资与因波波因波与因与HH林林林CC原源原转原转源原转同同转同原转原NN琪琪琪AA有库有移有移库有移时时移时有移有认认赵赵赵某某而某而某而在在而在某而某证证晓晓晓波波损波损波损光光损光波损波》》吉吉吉长长失长失长失纤纤失纤长失长课课李李李相相，相，相，中中，中相，相程程滢滢滢同同影同影同影传传影传同影同滢滢滢或或响或响或响播播响播或响或交交系交系交系时时系时交系交叠叠统叠统叠统，，统，叠统叠，，的，的，的通通的通，的，从从从从过过过从从BBBBBEEEEE而而而而石石石而而RRRRR、、、、、产产产产英英英产产信信信信信生生生生介介介生生噪噪噪噪噪严严严严质质质严严比比比比比重重重重相相相重重等等等等等的的的的互互互的的性性性性性串串串串作作作串串能能能能能扰扰扰扰用用用扰扰；；；；；产产产生生生新新新的的的波波波长长长，，，新新新的的的波波波长长长的的的频频频率 率 率是是是三三三者者者的的的组组组合合合，，，这这这种种种现现现象象象称称称为为为四四四波波波混混混频频频

第３期
张 菡ꎬ熊 铖等:超长距 １０Ｇ 光传输系统带内四波混频现象研究
集波分复用系 统 ( Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉ￣
ｐｌｅｘｉｎｇꎬＤＷＤＭ) 中造成不同信道内信号相互之间的
干扰ꎻ关雅莉等人
[１１]
研究了光纤传输过程中四波混
频和色散之间的互相影响ꎻ张鹏等人
混频理论通过数值仿真ꎬ将理论计算结果与实验数据拟合ꎬ深入分析了带内四波混频效应对光传输系统的限制因素ꎬ并进而
提出了有效抑制此限制因素的三种方法ꎮ
关键词:带内四波混频ꎻ分步傅里叶法ꎻ超长距光传输系统
中图分类号:ＴＮ９１３.７ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００５ － ９４９０(２０２１)０３ － ０６０６ － ０６
实验数据拟合ꎬ量化 ＦＷＭ 效应对光传输系统的限
制作用ꎬ并进而提出抑制此限制效应的方法ꎮ 此外ꎬ
自相位调制( Ｓｅｌｆ￣Ｐｈａｓｅ ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎꎬＳＰＭ) 和群速度
色散( Ｇｒｏｕｐ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎꎬＧＶＤ) 效应也同时在
光传输系统模型中考虑ꎬ并在光谱仿真结果中有所
体现ꎮ
的频率恰好符合相位匹配条件ꎬ从而产生带内简并
ＦＷＭ 效应ꎬ在信号光中心波长 ± ０.１６ ｎｍ 处产生两
６０８
第 ４４ 卷
电 子 器 件
个新的四波混频光ꎬ这两个光谱离信号光谱较远ꎬ因
此叠加后出现如图 ２( ｂ) 中的谱肩ꎮ
净能量守恒需满足频率条件 ω １ ＋ω ２ ＝ ω ３ ＋ ω ４ ꎬ而净动
而对比观测光模块关闭时的出纤光谱ꎬ谱肩消
失ꎬ如图 ３ 所示ꎮ 说明谱肩出现主要是由于光模块
中调制光的影响ꎮ 光模块中的调制信号为 １０Ｇ 调

四波混频（FWM）
E ( w1 ) χ(3) E ( w2 )
E ( w3 )
E ( w4 )
四个不同频率的波失在介质中混频.在四波混频过程中 光子的能量与动量守恒
w4 = w1 + w2 + w3 ∆k = k1 − k2 − k3
在四个波得频率相等的情况下，四波混频称为 简并四波混频
虽然简并四波混件下，必须保证 。
改变信道间距
用适当不等间距的波长信道配置设计来实现 ,通常选择通 道频率,使产生的新频率分量大部分落在通道滤波器通带 之外,这种技术用于10个信道,每个信道速率为10G/s 以下 的系统可大大减小四波混频的影响 加大信道间距也可抑 制四波混频的效率,却是以牺牲系统带宽为代价的 实际上 , 采用部分等间距信道更为有意义,其核心在于使通道间隔 相对远的信道之间的四波混频所产生的频率分量落在信道 滤波器通带内,由于四波混频的效率随着波长间隔加大而 降低,引入的恶化并不严重,这样可使系统容纳更多的波长。
∆k = k4 − (k1 − k2 − k3 ) = 0
考虑一种特殊情况，如下图，存在两对波矢方向相反的光，输 出为-k‘，它们满足如下相位匹配条件 k ' + (−k ' ) = k + (−k ) 。
简并四波混频的相位匹配
四波混频效应
这种简并四波混频非线性过程与典型的全息照过程很 相似。可以将k‘当做物光，k当做参考光，两者在介质 中互相干涉，形成全息图，如果全息图被记录下来了， 在参考光k的照射下，沿物光k’相反的方向-k‘可见物得 虚像。若挡住物光k’，在另一参考光-k的照射下，会 产生-k‘方向的赝像，该赝像就是原物光的相位共轭光。 虽然全照息过程和四波混频过程都产生相位共轭光， 但两者根本不同之处：全息照相的记录和重现过程在 时间上式分段进行的，而四波混频的相位共轭光与原 入射光几乎是同时产生。

关于四波混频的理论探讨
黄湘宁
【期刊名称】《青海大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2008(026)006
【摘要】文中以三阶非线性光学为基础,从求解耦合波方程出发,讨论了几种在克尔介质中四波混频相位共轭过程,给出了相位共轭反射率和透射率,通过做出解的图像,分析了介质反向相位共轭波的光强分布,并确定为工作在最理想情况下非线性耦合系数与介质长度的乘积所应满足的要求.
【总页数】5页(P70-74)
【作者】黄湘宁
【作者单位】青海师范大学实验教学管理中心,青海,西宁,810008
【正文语种】中文
【中图分类】O437
【相关文献】
1.基于氧化镁晶体中级联四波混频过程的紫外飞秒光脉冲产生 [J], 陈忠;华林强;张津;龚成;柳晓军
2.基于简并四波混频的双信道双频段增益谱 [J], 王丹;郭瑞翔;戴玉鹏;周海涛
3.超长距10 G光传输系统带内四波混频现象研究 [J], 张菡;熊铖;李由
4.基于级联四波混频过程的量子导引 [J], 翟淑琴;康晓兰;刘奎
5.几种信道间隔方案对四波混频效应的抑制研究 [J], 申静;邵立蓉
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

题是严格抑制非线性效应。尤其是四波混频（Four- 后 ，人 们 对 光 纤 中 FWM 效 应 进 行 了 系 列 研 讨 。 [3]
Wave Mixing，FWM）效应[1]，FWM 效应造成信号功率 Eiselt 给 出 了 一 种 统 计 学 方 法 评 定 波 分 复 用
收稿日期：2018-06-19 稿件编号：201806102
dispersion management
光传输系统在传输速率、传输容量、传输距离和 的损耗，产生的新频率对系统产生非线性串扰，严格
成本等方面发展迅速，为实现单信道速率更高、信道 限制了光信号传输容量 。 [2]
间 隔 更 小 和 无 电 中 继 传 输 距 离 更 远 的 传 输 ，关 键 问
Stolen 等 人 在 光 纤 中 首 次 观 察 到 FWM 现 象 之
摘要：为研究高速光通信系统中的四波混频效应，基于 OptiSystem 搭建了 8×10 Gb/s 高速大容量传
输系统中的四波混频噪声评估模型。根据 ITU-T G.692 工程指标要求，围绕信道间隔和色散管理，
提 出 了 两 种 区 别 于 传 统 频 率 等 间 隔 系 统 的 改 进 方 案 ，分 别 研 究 其 对 四 波 混 频 噪 声 的 作 用 效 果 ，第
关键词：光通信；波分复用；四波混频；信道间隔；色散管理
பைடு நூலகம்
中图分类号：TN929.11
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）07-0128-05
Two improved methods for suppressing four⁃wave mixing effect
in optical communication

光纤通信中的非线性光学效应研究与应用随着互联网和数字通信技术的快速发展，光纤通信已成为现代通信领域的重要组成部分。

而要实现高速、高带宽的光纤通信，非线性光学效应的研究与应用显得尤为重要。

本文将探讨光纤通信中的非线性光学效应的研究现状、原理及其应用。

一、非线性光学效应的概念和原理在光纤中，当光的强度达到一定程度时，光的电磁波属性将会发生明显改变，这种变化被称为非线性光学效应。

非线性光学效应中常见的有自相位调制（SPM）、自发强度调制（SIM）、四波混频（FWM）等。

非线性光学效应的原理是基于介质对光的响应与其光强的非线性关系。

光纤中的非线性效应是由非线性极化率所引起的，这种极化率与光强相关。

当光强增强时，非线性极化率的变化将会导致光的传输特性发生改变，进而影响光纤通信系统性能。

二、非线性光学效应的研究现状在过去的几十年里，非线性光学效应在光纤通信领域得到了广泛的研究与应用。

研究者通过对非线性光学效应的深入研究，不仅揭示了其物理机制，还提出了许多有效的光纤通信系统性能优化方法。

首先，研究者通过理论分析和实验验证，深入研究了非线性光学效应对光纤通信系统的影响机制。

他们发现，在高速、长距离光纤通信系统中，非线性光学效应会对光信号的传输质量产生显著的影响，导致信号的失真和衰减。

其次，研究者通过改变光纤材料的结构和光信号的调制方式，提出了一系列有效的非线性光学效应控制方法。

例如，通过控制光信号的光强分布，可以减小非线性光学效应的影响，提高传输系统的性能。

此外，研究者还通过引入非线性光学效应的特殊调制技术，提高了光纤通信系统的传输速率和容量。

光纤通信系统中的非线性光学效应可以用于实现光的调制、调制解调器和光时钟等功能，进一步提高了系统的性能和功能。

三、非线性光学效应的应用非线性光学效应在光纤通信中有着广泛的应用前景。

以下将介绍几个非线性光学效应在光纤通信系统中的具体应用。

1. 光纤光学参量放大器光纤光学参量放大器（OPA）是利用非线性光学效应的能力而设计的一种放大器。

光通信系统中的信号串扰与消除方法光通信系统作为现代通信领域的重要组成部分，通过光信号的传输实现高速、大容量的信息传输。

然而，在光通信系统中，信号串扰问题一直存在，并且会对系统的性能和稳定性产生不利影响。

本文将探讨光通信系统中的信号串扰问题以及常见的消除方法。

1. 信号串扰问题的原因信号串扰在光通信系统中是由于光信号的特性以及光纤的非线性效应等因素所引起的。

光信号在光纤中传输时，受到不同纤芯、不同模式之间的相互作用，导致信号的失真和干扰。

主要原因包括：1.1 多径效应当光信号经过光纤传输时，会经历多个路径，导致信号的多次反射和干涉，从而产生干扰效应。

多径效应会使信号的强度分布不均匀，造成串扰。

1.2 光纤色散光纤中的色散效应会导致信号的波形失真，进而造成串扰。

色散会使信号的不同频率分量传播速度不同，造成不同频率的信号符号相互干扰。

1.3 光纤非线性效应光纤的非线性效应主要包括自相位调制（SPM）、互相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等。

这些非线性效应会使得信号的相位和幅度产生变化，引起信号的串扰。

2. 信号串扰的影响信号串扰会对光通信系统的性能产生重要影响，包括：2.1 误码率增加由于信号的串扰，接收端的信号质量下降，导致误码率的增加。

高误码率会降低数据传输的可靠性和效率。

2.2 系统容量减小信号串扰会限制光纤中传输的信号频率和功率范围，进而降低光通信系统的传输容量和距离。

2.3 系统性能不稳定信号串扰会导致光通信系统的性能不稳定，影响系统的长期稳定性和可靠性。

3. 信号串扰的消除方法为了解决光通信系统中的信号串扰问题，采取了多种消除方法。

以下是一些常见的消除方法：3.1 无串扰光纤设计通过优化光纤结构和材料，设计出具有低串扰特性的光纤。

例如，使用多模光纤代替单模光纤可以降低多径效应，采用抗色散光纤可以抑制色散效应。

3.2 信号调制优化通过采用合适的调制方式和参数，可以减小信号的串扰效应。

例如，选择合适的调制格式，优化调制深度和偏置等。

WDM常用名词解释Unitrans ZXMP M8001.通路间隔两个相邻复用通路之间的标称频率差（波长间隔）。

通路间隔可以是均匀的，也可以是非均匀的。

非均匀通路间隔可以用来抑制G.653光纤的四波混频效应(FWM)，但是目前仍主要采用均匀通路间隔。

2.中心波长/中心频率WDM系统中每两个复用通路对应的中心波长或频率。

DWDM系统中常以频率表示复用通路，C/C+波段工作频率范围为192.10THz-196.05THz，L/L+波段工作频率范围为186.95THz-190.90THz。

通路间隔为100GHz时，中心频率为192.10THz、192.20THz……196.00THz；通路间隔为50GHz时，中心频率为192.10THz、192.15THz……196.05THz。

3.带宽分波器参数之一，分波器的带宽包括两种：通道宽度@-0.5dB和通道宽度@-20dB。

（1）通道宽度@-0.5dB：描述分波器的带通特性，表示分波器插入损耗下降0.5dB时，对应的工作波长的变化值。

良好的带通特性曲线应该平坦、宽阔，带宽值越大越好。

（2）通道宽度@-20dB：描述分波器的阻带特性，表示分波器插入损耗下降20dB时，对应的工作波长的变化值。

阻带特性曲线应该陡峭，带宽值越小越好。

4.插入损耗插入损耗是指WDM器件本身对光信号的衰减作用，直接影响WDM系统的传输距离。

插入损耗是器件输入端口与输出端口的光功率比值，计算公式为：IL=10lg(P in/P out)(dB)其中， P in为发送到输入端口的光功率， P out为从输出端口接收到的光功率。

5.隔离度分波器的参数之一，表征分波器本身对各复用光通路信号的隔离程度。

通路的隔离度越高，WDM器件的选频特性就越好，串扰比越大，各复用光通路之间的相互干扰影响就越小。

通路隔离度包括相邻通路和非相邻通路隔离度。

（1）相邻通路隔离度某复用光通路的输出光功率和具有相同光功率输出的相邻光通路信号在本通路的泄露光功率之比。

光纤通信系统中的非线性效应研究光纤通信系统作为现代通信技术的重要组成部分，已经广泛应用于各个领域。

为了增加通信系统的带宽和传输距离，我们需要克服光信号在光纤中传输过程中所引起的非线性效应。

本文将详细介绍光纤通信系统中的非线性效应，并探讨当前研究中的一些解决方案。

光纤通信系统工作原理简介光纤通信系统是通过将光信号转换为光纤中的光脉冲来传输信息。

光信号在光纤中传输过程中会受到多种因素的影响，其中之一就是非线性效应。

非线性效应会对光信号的传输质量和传输距离产生重要影响。

非线性效应的种类在光纤通信系统中，常见的非线性效应包括自相位调制（SPM）、互相位调制（XPM）、四波混频（FWM）等。

这些非线性效应都会导致光信号在传输过程中的不线性变化，进而影响系统的性能。

自相位调制（SPM）是由于光信号的强度发生变化引起的相位变化。

当光信号的强度增大时，折射率会发生变化，从而导致相位的改变。

互相位调制（XPM）是指在光信号存在交叉的情况下，一个光信号对另一个光信号的相位进行调制。

四波混频（FWM）是指当多个光信号之间发生相互作用时，新的频率组合光信号被产生出来。

非线性效应的影响非线性效应会对光纤通信系统的性能产生多方面的影响。

首先，非线性效应会引起光信号的波长漂移，导致光信号在传输过程中的扩散。

其次，非线性效应会使光信号的功率发生变化，从而增加了光纤中的损耗和噪声。

此外，非线性效应还会引起光信号的相位变化，降低系统的传输容量。

非线性效应的解决方案为了克服光纤通信系统中的非线性效应，研究人员提出了多种解决方案。

其中一种常用的方法是通过使用光放大器来提高信号在传输过程中的强度，从而减小非线性效应的影响。

此外，采用预先设计的信号调制方法，如四相调制和光载波的调制方法，可以减小非线性效应的出现。

另一个解决非线性效应的方法是通过优化光纤的设计。

通过选择合适的纤芯材料和纤芯直径，可以减少非线性效应的发生。

同时，控制光纤的色散性质，如色散的程度和色散的补偿，也可以降低非线性效应。

A4 z
43
A4 t
i 2
43
2 A4 t 2
1 2
4
A4
i A4 2 2 A3 2 2P0 A4 iP0 A3*ei
3.相位匹配技术
物理机制：
✓ 相位匹配时，参量增益对应FWM的峰值，可写为
kM kW kNL 0
材料色散 波导色散 非线性效应 对于简并FWM，上述贡献分别为
✓ FWM的微观解释：在量子力学术语中，一个或几个光波的光子被湮灭， 同时产生了几个不同频率的新光子，且在此参量作用过程中，净能量 和动量是守恒的，这样的过程就称为四波混频过程。
2.四波混频的标量理论
✓ 在准连续条件下运转，则可忽略场分量的时间依赖关系：
E j (r) Fj (x, y) Aj (z),
人理解。 • （3）别人眼中的自己，才是真正存在的自己。学会以别人的
角度看问题，并据此改进自己在他们眼中的形象。 • （4）只能修正自己，不能修正别人。想成功地与人相处，让
别人尊重自己的想法，惟有先改变自己。 • （5）真诚坦白的人，才是值得信任的人。 • （6）真情流露的人，才能得到真情回报。
• 2.表达同理心七个步骤 • （1）问开放式的问句 • （2）放慢脚步 • （3）避免太快下判断 • （4）注意你的身体反应 • （5）了解过去 • （6）让故事说出来 • （7）设定界限
• 14.交谈时，我会注视对方的眼睛。
ABC
• 15.我很注意人们无意间身体姿态所流露的心情。 A B C
• 16.别人跟我讲话时，我会东张西望。
ABC
• 17.别人说我表情太严肃了。
ABC
• 18.别人不听我的劝告，我并不生气。
ABC
• 对于 1，2，4，5，7，12，13，14，15，18 题（共10 题），如果选A 则得1 分，选B 得2 分，选C 得3 分。对于3， 6，8，9，10，11，16，17 题（共8 题），如果选A 则得3

单模光纤中的四波混频
宋开;李玲;叶培大
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】1995(24)3
【摘要】四波混频（ＦＷＭ）是石英光纤中的一种重要的非线性光波相互作用，在频分复用（ＦＤＭ）和波分复用（ＷＤＭ）光纤通信系统中，四波混频引起的信道间的串话和白噪音远远大于受激喇曼（ＳＲＳ）串扰，并且四波混频（ＦＷＭ）能够有效地产生新频率光波，因而受到极大关注；本文详细分析了在ＣＷ泵浦下单色光在石英单模光纤中的四波混频。

推导出四波混频新光波的功率的解析式，其中考虑了泵浦波的自相位调制（ＳＰＭ）和交叉相位调制（ＣＰＭ）对四波混频光波功率的影响，并对其进行了数值模拟。

【总页数】5页(P273-277)
【关键词】四波混频;单模光纤;自相位调制;交叉相位调制
【作者】宋开;李玲;叶培大
【作者单位】北京邮电学院光通信实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN253;O437.4
【相关文献】
1.抑制等信道间距陆上干线光纤通信系统中光纤色散和四波混频效应的新方案 [J], 宋健;范崇澄
2.硫系光纤中基于四波混频的波长转换研究 [J], 徐亚希;胡淼;张瑜;李齐良;周雪芳;魏一振;杨国伟;卢旸
3.光纤中的四波混频效应和它在全光波长变换中的应用 [J], 项鹏;王荣
4.空频复用光纤中四波混频过程的解析分析方法 [J], 万峰; 武保剑; 曹亚敏; 王瑜浩; 文峰; 邱昆
5.基于高非线性光纤四波混频的全光纤波长变换 [J], 刘艳;谭中伟;傅永军;宁提纲;简水生
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

光纤通信系统中的信噪比优化技术研究在光纤通信系统中，信噪比是评估通信质量的重要指标之一。

信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）是指信号的强度与噪声的强度之比。

在一个理想的通信系统中，信号的强度应该远远大于噪声的强度，从而确保信号能够准确地传输和解码。

然而，在实际情况下，光纤通信系统中会存在各种噪声源，如光子噪声、热噪声、信号间的干扰等，这些噪声会降低信号质量，影响通信性能的可靠性和传输速率。

因此，优化信噪比成为提升光纤通信系统性能的关键技术之一。

一、信噪比的影响因素要优化信噪比，首先需要了解信噪比受到哪些因素的影响。

1.光纤传输损耗：光纤中会存在传输损耗，主要包括光纤材料的吸收损耗、色散损耗和散射损耗等。

这些损耗会降低信号的强度，导致信噪比下降。

2.光波导带宽：光波导带宽是指光传输系统中能够承载的最高频率范围。

当信号频率超过光波导带宽时，信号会受到衰减和失真，从而影响信噪比。

3.发射机和接收机的噪声：发射机和接收机本身产生的噪声也会降低信噪比。

发射机噪声主要来自于光源和调制器的噪声，而接收机噪声主要来自于光电探测器和前端放大器的噪声。

4.光纤的非线性效应：光纤中存在一些非线性效应，如自相位调制（Self-Phase Modulation，SPM）和四波混频（Four-Wave Mixing，FWM）等。

这些非线性效应会在光信号传输过程中引入额外的噪声，降低信噪比。

二、信噪比优化技术1.光纤传输损耗的优化为了降低光纤传输损耗，可以采用以下技术：（1）使用低损耗的光纤材料：研发和应用具有低损耗特性的新型光纤材料。

（2）光纤色散补偿：通过引入特定的补偿器件，如色散补偿光纤、色散补偿模块等，来抵消光纤中的色散损耗。

（3）光纤放大器：通过在传输过程中插入光纤放大器来弥补传输衰减，增强信号强度。

2.光波导带宽的优化为了增大光波导带宽，可以采用以下技术：（1）多模光纤：多模光纤相比单模光纤具有更宽的带宽，适用于某些需要高带宽的应用场景。

东莞理工学院《光纤通信》optisystem软件仿真实验实验4光纤中的四波混频效应(FWM )一、头验目的1、了解影响四波混频效应的产生的因素2、了解抑制或增强四波混频效应的方法二、实验要求图4-1 G653(a)及G.655(b)光纤的传输光谱某FWM的实验结果：如图4-1 (a)为4个3dBm的光信号在G.653光纤中传输了25km 后的光谱，其中入0为1550nm波长，另外三个信号的中心波长分别为1549nm、1547nm、1551.5nm。

由图可见，经过传输后的信号，由于FWM产生了数十个串扰信号，有的叠加在原来信号上，有点落在其他位置上，干扰了原信号及其他位置信号的传输。

图4-1(b)为初始输入的4个光波信号。

1、请根据上述实验数据，分别采用G.653光纤和G655光纤作为传输光纤，对比光信号分别经过G.653光纤和G.655光纤后的FWM效应。

2、假设有两个输入光波信号输入到G.653光纤，其中一个输入信号的波长固定在1550nm，另一个波长在1550nm附近(可调)。

改变输入光功率，两个波长的间隔，光纤长度，观察FWM效应，总结哪些因素将影响FWM效应。

訥LawFnwwrw = 1550 nmPonHw 團3 id 呂eCWLaw IFfWluencv = 1&43 nmCWLase Z Fr-Muencv =nm PWF= mWCWLaSfi- 3FrMueflcv = 1^1.5 wnP GW =mWpnr|：Os® Fibe*Le<*3th = 5 kmG TDUD webcfty ditwrtkwr = VESThird-ordw diipwcton » YESOptical SpoQtryrn An?}yEar_JLength ■ 5 kmStSuU YfibCiEv dLbWliW * YES 亍恤gr曲drs^s^ = YES披长(1 nmf格)($至P0二翌S彼氏(]nnV格)图4-2 仿真实验系统搭建三、思考题：1、G653光纤有什么缺点？为什么要研制G.655光纤？G.655光纤有什么优点?2、如何抑制光纤中的FWM 效应？附录：计算并输出G.653 或G.655 光纤的色散文件clear all ;close all ;WL=linspace(1450,1630,1801);S0=0.06;WL0=1550;D=S0*(WL-WL0); %G.653%S0=0.0467;WL0=1480;D=S0*(WL-WL0);%G.655figure(1)plot(WL,D, 'k' );hold on ; plot(WL,D*0, 'k' );hold on;axis([1450,1630,-20,20]);WL=WL';D=D';da=[WL D]save E:\G652.txt -ascii daLayout 1 Pmr ametersma1: L^belt Layout 1Simulation Jsignal& Spatial effects Noise Signal tracingwir-inMimr —imiMir-immireiimi ■—NameValueUnits ModeSimulation window Set bit rate: NormalReference bit rateNarmal Bit rale40000000000 B its/sNarmatTime window 3 2e-009NcrmetSample rate25COOOO(K>OOCOHzSequence length 128 Bits NormaiSamples per bit 64 NormalHumber of samples8192^formalAdd Paran... I Remove Pai EditPar^m.CW LaserFn&auency = l&M nmPaw® 工 3 dBm Optical Sp*ctnjm AfL>lyz«fOpbcaJ SfNMtrum Ailsyte r_ICWUMf 1Fiwwn^v = 1543 門仃Pcwef = 3 dBm CW laser 2 FrficnuerK^ = 1M7 fin Fdw«f ■舌呂盼□is 弊阿册 da EI 1PNsrn ErieIJ5«f def Opt»»i FfceJ- 1 OptieaJ Ffe&r U34* d£lmd 阻8itnoe 寓上骨暨比件gib ■■ YES Langth * 25 km人如叼仙=02 dEk'km -SrouD veUcWydwerskxn = YES ThinS-oraer d«sp&f&en = YESDi wnififi fte fi>™ > E 2an^^ Fia-tSH--A FiS tS»^ +M53 Ddl 阳 I HuxNumber 白IT 注“ f^ru ■ 4CWU HT 3FiWLienw = 15&1.5 nm Pawe< 二舌 dBmr&j 『S +EJIBNS waveiengih = YES Length = 2S> km AitcfiuJiEivi > 0.2 dB.km 怎gup vtlfe^V diH<i>ion^ Thrrd-flnfer 中牙 Derfiipn = ¥ DtsaersioH data hw = Fr DfcensKTi he 那a 他=Opttal Specuum Anayisf^G.653:nRx=・pc•■匸Optical Spectrum AnalyzerDbl 亡be* On Objects to open properties. M ME Objects- with Mouse Drago.1.54? 1.S5? 1.56?bUnur-l^nxri'h FmlsampledParafnerteroedl<DOptical Spectrum Analyzer_1Dbl Cbck. On Objects, to open praperties. Move Objects- wrth Mouse Drag1.55?lATauv^^nrn1>lh FmlG.655:B Optical Spectrum Analyzer□bl Click On Objeds to 口“口propcrtM^ Move Objects with Mouse Draywfujgs.■■搖@paldEspissMEss誰口Ngffl3Jem.1.54 ? 1.66?Optical Spectrum Analyze^Dbl Clck On Objeds to open pro perl its IM QVU Obit dis wih Mouse iDrng2:CWLarsef iFi»qu»n 匚 y ■ 154 禺 nm Pflwtf - 3(1)改变波长间隔: 1545:目Optical Spectrum AnalyzerObi Cfck On Objects 1Q 叩un propertes. M-ovc Object® with Mouse Drag电Optical Spectrum Analyzer_1Obl 匚Id On Digels to* open proper1^& Move Objects M&use Drsg1.54? 1.55T 1.56?Wml^ngih (mJ1542 :Optical Spectrum AnalyzerOtriClck 5 ObjBizts 1o ope<i pro periled Move 口 bjects. with Mouse Drag旦Optical Spectrum AnalyzeMOU Click On Objects 1D open propertie-a Move 0 bjecU wth M&u&e DnI 如1 MuXNurnittr 护f inpirt p«rtF - 2CWLucfFreaij&fw = iKO nfin Powvr ■： H dB^nCptiud FiberU&&r defirted ^lerence 椚”谢《科出=YES L«narth = 25 kmA IUHU ALW X D2 d&'km G*WP v^isM^iY 段= YiES Firnlkirde! diaperMDH - YES Or5aer«n ctilU tvi&e = F#W 他D- sKubn Hit ra™ ■ E 201*谟咒姜亘哼空冬上苗叵歧真鱼4■光岂卡曲FWUi£兰GS 刃.txtp 鲁ugtaufj^dgw(E B ZJKIADd吊E - 8-I ffi x J t m Q d■1 54 ?1.55?Wavelength tml1 55 ?1.S?Wavelenoth 4mk™l Optical Spectrum AnalyzerOWiCicH Oo Objects ten open propen卿.⑷叫Objects wth 如站趺Ora j兰Optical Spectrijm Analyzer_1EHbl Cick On Obfecta B open propcrtes. M OVE Objects wfth hlDU>s>e 1520:1515:<DfA1.S3? 1 54? 15S7 1 56?Ulm -1 ― iwliBi. ■Tan』-:_■亠-:-■-:二■_:-■0£>s-耳OB—宅caprwl&od1.51 ? 1 .52? 1.53? 4 £4 ? 1.55 ? 1.58?z□寸・oErs1 49 ? 1.51 7 1 S3? 155? 157?sa o3时*一LIRBI X W JL umv *fParamelerlMd石Ns—og・rEHsJkrnod.49? 1 Si ? 1.S3? J.55 ?WAveleiHflh (m)(2)改变光功率:10dbm:1 56?54?5dbm:1.54? 1.55 7 1.56-10dbm:i .55?s.官BPrEQd1 56"egDS®I9话MdSNN-r¥09・wfflprmdd-20dbm:-50dbm:1.54?1:55?pOJeg-ELU巴Ed2選Ns1.56?(3)改变光纤长度:50km:k mINoise Param eterliedJAll Noise Parametrized S Pouvtr (dBm)甸llNotse Parametrized S ：Powr(diBm)i-90 ・巾 -50・30-10p a rM s M u d匹£ ①且昼.54 ? 1 .55? 1.560.2km: 1.54?1.55 ?1 .SB?ULhM-ukl^uuvHi divn'l莎至一一站毎UJsEd 需一ons1.54 ?1.55 ?1 .56MrflA-lAlAJWTttl dml。

激拉曼 散射 ） 口 来 放 大 光 信 号 。它 有 两 个 突 出 优
点 ］ ： 一是 理论 上 可 以放大 任意 的波 长 ； 二是 光纤 本 身 就 是增 益介 质 ， 信 号 在 光 纤 中传 输 的 同 时得 到 放 大， 十分适 用 于 大 容 量 Ｄ ＷＤＭ （ 密集波 分复用） 系 统 。实验 发 现 ， 在Ｆ Ｒ Ａ 系统中， 泵浦 光 与其 他 光 满
ＦＷ Ｍ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｐ ｕ ｍｐ ａ ｎｄ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｉ ｎ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ Ｒａ ｍａ ｎ ａ ｍ ｐｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｓ
Ｌｉ ｕ Ｈｏ ｎｇ ｌ ｉ ｎ， Ｓ ｏｎ ｇ Ｔａ ｏ。 Ｚｈａ ｎ ｇ Ｚａ ｉ ｘ ｕ ａ ｎ
ｌ ｉ ｇｈ ｔ ａ ｐｐｅ ａ ｒ ｓ ａ ｎｄ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅｓ ｉ ｔ ｉ ｎ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｓ ． Ｏ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｂ ａｓ ｉ ｓ ，ｉ ｔ ｓ ｕ ｇｇｅ ｓ ｔ ｓ ｔ ｈａ ｔ ｗ ｈｅ ｎ ＦＲ Ａ ａｒ ｅ ａ ｐ ｐｌ ｉ ｅ ｄ ｉ ｎ ＮＺ － ＤＳＦ ，ｔ ｈｅ ｐｕｍ ｐ ｗａ ｖｅ 一 １ ｅ ｎ ｇｔ ｈ ｓ ｈ ｏｕｌ ｄ ｂ ｅ ｆ ａ ｒ ａ ｗａｙ ｆ ｒ ｏｍ ｔ ｈｅ ｚ ｅ ｒ ｏ ｄｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈｉ ｆ ｔ ｐｏ ｉ ｎ ｔ，Ｓ Ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ａｖ ｏ ｉ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐｒ ｏｄｕ ｃ ｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ＦＷ Ｍ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｎｏ ｎｌ ｉ ｎｅ ａｒ ｏｐ ｔ ｉ ｃ ｓ；ＦＷ Ｍ ； ｐ ｈａ ｓ ｅ ｍａ ｔ ｃ ｈｉ ｎｇ；ＦＲＡ
曼放 大 器 系 统 中应 用 ＮＺ — ＤＳ Ｆ时， 泵 浦 波 长 应 当远 离零 色散 位 移 点 ， 避 免 ＦＷ Ｍ 效 应 的 产 生 。 关键词 ： 非线性光 学； 四波混频 ； 相 位 匹配 ； 光 纤拉 曼 放 大 器 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ２ ９ 文献 标 志 码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ５ — ８ ７ ８ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ０ ４ ６ — ０ ３

飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究3胡明列　王清月　栗岩峰　王　专　柴　路　张伟力(天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学),天津　300072)(2004年7月15日收到;2004年12月31日收到修改稿) 利用飞秒激光脉冲在长度为10cm ,包层具有大空气比的双折射微结构光纤中通过高阶模相位匹配的四波混频获得了波长可调谐的反斯托克斯波.实验中脉冲宽度为35fs ,中心波长820nm ,单脉冲能量4n J 的飞秒激光脉冲耦合到长轴直径为5μm ,短轴为416μm 的双折射微结构光纤中.在高阶模传输情况下,通过调制耦合光的偏振方向,获得了具有不同中心波长的反斯托克斯波.通过对比分析,讨论了输入光的偏振态对双折射微结构光纤中高阶模式下四波混频效应的影响情况.理论计算分析很好的解释了实验结果.关键词:微结构光纤,飞秒脉冲激光,四波混频PACC :7820F ,4270Q ,7155J ,3320K3国家重点基础研究专项基金(批准号:G 1999075201,2003C B314904),国家自然科学基金(批准号:60278003)和国家高技术研究发展计划(批准号:2003AA311010)资助的课题.E -mail :huminglie @ 11引言最近的研究表明微结构光纤(microstructurefibers ,MFs )[1—3]在双折射方面表现出很强的优势,通过特定设计的纤芯和包层结构能获得很高的双折射度[4—6],比传统双折射光纤能够高出1—2个数量级.这对某些应用,例如光学陀螺,激光干涉仪,以及在量子光学和光子纠缠态方面的应用具有很重要的价值.这些应用希望光纤在传输光波时不改变它的偏振态.传统的做法是在这些光纤中故意引入大量双折射,使得那些微小的、随机的双折射起伏不会严重影响光的偏振.一种方案是打破圆柱对称性,故意把纤芯或是包层做成椭圆形的结构,它的双折射度B 可达到非常小的程度(B ≈10-6),另一种可代替的方案是利用应力致双折射,使得B 可达到≈10-4.这类光纤通常以其横断面的形状特征而称之为“熊猫”光纤或“领结”光纤.而微结构光纤因其芯层包层所具有的高折射率差能极大地增强双折射度,通过特殊设计能获得比普通保偏光纤高出数量级的双折射度,从而成为该领域研究的热点[7—10].对于双折射光纤,其有效模折射率较小的轴称为快轴,在此轴上光传输的群速度较大.同样的道理,有较大有效模折射率的轴称为慢轴.对于光纤中高阶模相位匹配的参量效应和谐波的产生,人们已作了广泛的研究.最早在多模光纤中观察到高阶模下的位相匹配的是Stolen 及其合作者[11],其报道中斯托克斯波和反斯托克斯波传输在不同的高阶模.从那以后,模式控制的相位匹配参量过程成为产生新光谱的一种有效方式,而微结构光纤在这方面也显示出很强的优势[12—21].就四波混频而言,当净波矢失配κ=0时,参量增益对应四波混频峰值,这里κ可写成如下形式κ=Δk M +Δk W +Δk N L =0,(1)式中Δk M ,Δk W ,Δk N L 分别代表由材料色散、波导色散、非线性效应引起的相位失配.这三项的贡献可以分别写成Δk M =[n 3ω3+n 4ω4-2n 1ω1]Πc ,(2)Δk W =[Δn 3ω3+Δn 4ω4-(Δn 1+Δn 2)ω1]Πc ,(3)第54卷第9期2005年9月100023290Π2005Π54(09)Π4411205物　理　学　报ACT A PHY SIC A SI NIC AVol.54,N o.9,September ,2005ν2005Chin.Phys.S oc.精品文献ΔkN L=γ(P1+P2).(4) 在ω1=ω2的特定条件下,满足Δk=0的实验装置相对要简易一些,此时非线性过程中只牵涉到3个不同频率,被称作部分简并的四波混频.事实上,直接与受激拉曼散射(SRS)类比,ω3处的低频边带和ω4(假设ω3<ω4)的高频边带称为斯托克斯带和反斯托克斯带.为实现相位匹配,三项贡献中至少有一项必须为负.当然在多模光纤中,以不同模式传输的波,可使得ΔkW为负值,从而实现相位匹配.在以前的文章中,我们报道了单模双折射微结构光纤在不同偏振光作用下的四波混频效应[13];本文通过耦合角度控制,在多模微结构光纤中实现了模式控制的相位匹配四波混频过程;而同时基于其纤芯的双折射结构,通过控制输入飞秒脉冲的偏振态以及耦合的高阶模式在可见光波段获得了不同峰值和谱宽的反斯托克斯波.21双折射微结构光纤实验中使用的光纤如图1所示,与高非线性微结构光纤相比该光纤具有较大的纤芯面积,较大的空气比(空气比大于90%),其长轴为5μm,短轴为416μm.为了满足相位匹配,需要让抽运光工作在负色散区.通过数值模拟可得到在忽略偏振下的基模和第一高阶模及其他高阶模的有效折射率,再微分便可得出其色散曲线,计算结果见图2.图2说明基模的零色散点为1122μm,第一高阶模的零色散点为790nm,第二高阶模为730nm.而且实验所用的微结构光纤,受到大空气比的包层结构的影响,其芯层和包层的折射率差较大,传输的光束被完全约束在第一层空气孔中,而第二层空气孔几乎不起作用.在外圈增加空气孔,模拟计算结果得到的有效折射率没有变化,这足以证明上述论点;同时这种大纤芯高折射率差的结构使得这种光纤是多模的,而且由于各个低阶模之间较大的波矢失配而相互之间很难耦合[22].实验中发现只有通过调整耦合光束的入射方向来获得不同的高阶模,而通过弯曲或者缠绕很难获得高阶模.一旦激发出高阶模式,弯曲或者缠绕对高价模的传输影响相当小.而且由于各个模式之间的传输波矢相差很大,因此相互之间不会出现耦合.正是由于其特殊的多模特性,利用这种大空气比的微结构光纤很容易获得多模情况下相位匹配的非线性效应,例如谐波的产生[23]和四波混频等等[24],并且具有较高的转换效率.图1　大空气比双折射微结构光纤端面图2　大空气比双折射微结构光纤不同模式的色散曲线在加入微扰条件下,可以得出在两个相互垂直的偏振态下的零色散点大概有10nm的差异[15].通图3　在中心波长为820nm的飞秒激光脉冲的抽运下,第一高阶模和第二高阶模的位相匹配曲线过计算所得的有效折射率,利用(1)式和能量守恒的条件(2ω1=ω2+ω3)可以计算得出在输入脉冲中心波长为820nm时,位相失配κ的曲线,见图3;从曲线中可以得到在第一高阶模情况下,匹配的反斯托2144物 理 学 报54卷克斯波的中心波长在640nm 左右,而在第二高阶模时,为550nm 左右,与实验结果基本相符.为了方便分析,文中将不同耦合角度下的高阶模式分别简单称为第i 高阶模,i 随耦合角度的增加而递增.31实验结果及其分析实验中使用的光源是自行研制的飞秒激光振荡级系统,输出的最高平均功率可达到117W [25].实验中使用的飞秒激光脉冲宽度为35fs ,中心波长在820nm ,单脉冲能量4n J.使用了40×的耦合透镜输入输出,并采用CC D 监视仪和功率计监控耦合输入和输出的情况.耦合输入透镜前加了一片半波片来控制输入飞秒激光脉冲的偏振方向.输出光通过分束片,一束用来成像在CC D 监视器上,监控输出模式,一束用来测量光谱曲线.输入输出光谱分别由两个光谱仪接收,输入光谱由015%的分束镜分束后由Ocean Optics ,Inc.的S2000光谱仪接收用以实时观测,输出光谱通过ANDO 的AQ6315A 接收,测量精度都设定为5—10nm.而利用由于双折射结构带来色散曲线的变化,通过旋转置于耦合透镜前的半波片或者四分之一波片改变输入光的偏振态,便可图4　输出的高阶模的近场模式以得到不同中心波长的反斯托克斯超矩脉冲. 实验中获得了相互垂直的两种第一高阶模,见图4的A 和B ,模场分布为十分清楚的高阶模式.入射光的入射角度和偏振态对输出模式的强度和模式分布有较大的影响.在一定的耦合入射角下,通过旋转半波片来改变入射线偏光的偏振方向可以使输出模式A 和B 相互变化.通过改变入射线偏光的偏振方向获得的反斯托克斯波(见图5),在偏振方向旋转180°范围内.反斯托克斯波具有两个明显的峰值,分别对应于光纤的长轴和短轴,而且在偏振方向在轴线附近时,对反斯托克斯波影响非常明显.实验中没有中间状态的存在,45°线偏光入射的情况下,没有反斯托克斯波输出,这可能有两种原因,一是大空气比微结构光纤的结构使得高阶模的之间的耦合很难,二是抽运功率不够,难以激发出两种模式的混和态.在分别平行于长轴和短轴时,由于纤芯的双折射结构使得反斯托克斯波的峰值和中心波长都不一样.在偏振方向改变过程中,最大转换效率可达20%左右. 在输入的线偏光平行于快轴时,加入四分之一波片并旋转得到了相似的周期性改变的结果,见图6.从图6中还可以发现获得的反斯托克斯波的光谱图5　在高阶模式A 和B 时,通过半波片改变入射线偏光的偏振方向获得的反斯托克斯波光谱图,0°表示偏振方向平行于长轴明显变得更宽,并且在两个相互垂直的方向上的光谱差别减小,这是由于线偏光通过四分之一波片后形成的椭圆偏光或圆偏光除在长轴和短轴方向上有分量外,在其附近还有其他分量,而这些分量产生的光谱相互错开,叠加后形成较宽的光谱.31449期胡明列等:飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究图6　在高阶模式A和B时,通过四分之一波片改变入射线偏光的偏振态获得的反斯托克斯波光谱图,0°表示四分之一波片的主轴平行于长轴在继续增大耦合入射角的情况下,更高阶的模式便出现了,模场分布如图4的C.同样在改变入射光的偏振态的情况下,输出的反斯托克斯的强度和中心波长都在发生变化,如图7所示.但是同上面情况不同的是,平行于短轴的偏振光入射时,没有另一个垂直状态的模式出现.这可以解释为受到双折射结构的影响,短轴方向的折射率曲线不满足相位匹配条件.在此模式下,偏振方向改变过程中,最大转换效率可达16%左右.图7　在高阶模式C时,通过半波片改变入射线偏光的偏振方向获得的反斯托克斯波光谱图,0°表示偏振方向平行于长轴41结　论利用飞秒激光振荡器输出的纳焦耳量级的飞秒激光脉冲通过长度为10cm双折射微结构光纤获得了转换效率高达20%的反斯托克斯波,并且输出的反斯托克斯波的中心波长和强度可以通过输入脉冲的偏振方向或者传输的模式来调谐.实验中将脉冲宽度为35fs,中心波长820nm,单脉冲能量4n J的飞秒激光脉冲耦合到长轴直径为5μm,短轴为416μm,空气比90%左右的双折射微结构光纤中,通过调制耦合光的偏振方向,以及传输模式,获得了具有不同中心波长的反斯托克斯波.理论计算分析也很好地解释了实验结果.[1]K night J C,Birks T A,Russell P S t J et al1996Opt.Lett.211547[2]Birks T A,K night J C,Russell P S t P et al1997Opt.Lett.22961[3]K night J C and Russell P S t J2002Science296276[4]Ortig osa B A,K night J C,W adsw orth W J et al2000Opt.Lett.251325[5]K erbage C,S teinvurzel A,Hele A et al2002Electron.Lett.38310[6]S teel M J and Osg ood J R M2001Opt.Lett.26229[7]Hansen T P,Broeng J,Libori S E B et al2001IEEE Photon.Technol.Lett.13588[8]K erbage C,S teinvuzel P,Reyes P et al2002Opt.Lett.27842[9]Lehtonen M,G enty Gand K aiv ola L H M2003App.Phy.Lett.822197[10]Hu M L,W ang Q Y,Li Y F et al2004Acta Phys.Sin.534248(in Chinese)[胡明列、王清月、栗岩锋等2004物理学报534248][11]S tolen R H and Leibolt W N1976Appl.Opt.15239[12]Husakou A V and Herrmann J2002JOSA B192171[13]Hu M L,W ang Q Y,Chai L et al2004Opt.Exp.121932[14]Hu M L,W ang Q Y,Li Y F et al2004Opt.Exp.126129[15]Hu M,W ang Q Y,Li Y F et al2004App.Phy.B79805[16]Sharping J E,Fiorention M,C oker A et al2001Opt.Lett.261048[17]Sharping J E,Fiorention M,K umar P et al2002Opt.Lett.271675[18]Hu M L,W ang Q Y,Chai L et al2004Las.Phys.Lett.1299[19]Akim ov D A,Serebryannikov E E,Zheltikov A M et al2003Opt.Lett.281948[20]Vanholsbeeck F,Em plit P,C oen S et al2003Opt.Lett.281960[21]E fim ov A,T aylor A J,Omenetto F G et al2003Opt.Exp.112567[22]M arcuse D1991Theory o f Dielectric Optical Waveguide(Academic,Boston,M ass)[23]Omenetto F G,E fim ov A,T aylor A J et al2003Opt.Exp.11614144物 理 学 报54卷[24]Nikolov N I ,Srensen T ,Bang O et al 2003JOSA B 202329[25]Sun J H ,Zhang R B ,Hu Y F et al 2002Acta Phys .Sin .511272(in Chinese )[孙敬华、章若冰、胡有方等2002物理学报511272]Mode -controlled four -wave -mixing in the birefringentmicro structure fiber by femto second la ser pulse s 3Hu M ing -Lie W ang Qing -Y ue Li Y an-Feng W ang Zhuan Chai Lu Zhang W ei-Li(Ultra fast Laser Laboratory ,College o f Precision Instruments and Optoelectronics Engineering ,Tianjin Univer sity ,Tianjin 300072,China )(K ey Laboratory o f Optoelectronic In formation Technical Science (Tianjin Univer sity ),Ministry o f Education ,Tianjin 300072,China )(Received 15July 2004;revised manuscript received 31December 2004)AbstractBirefringent m icrostructure fibers are shown to allow efficient gereration of anti-S tokes line em ission as a result of four-wave-m ixing in higher m ode by using unam plified fem tosecond T i :sapphire laser pulses.Intense blue-shifted lines with different central wavelength were generated in the high-delta (i.e.high-air filling in the cladding )m icrostructure fiber with axis sizes 510and 416μm by fem tosecond laser pulses with 35-fs in duration ,820nm in central wavelength and 4n J in energy per pulse.Theexperimental result shows that phase-matched four-wave m ixing in higher-order m odes of m icrostructure fibers allows unprecedentedly high efficiencies of anti-S tokes frequency conversion to be achieved for subnanojoule fem tosecond laser pulses.The dependence factor of the four waves m ixing in birefringent m icrostructure fiber is com pared and analyzed.G ood agreement between the theory and experiment is achieved.K eyw ords :m icrostructure fiber ,fem tosecond laser ,four-wave-m ixing PACC :7820F ,4270Q ,7155J ,3320K3Project supported by the National K ey Basic Research S pecial F oundation (NK BRSF )(G rant N os.G 1999075201,2003C B314904),the National Natural Science F oundation of China (G rant N o.60278003),and the National H igh T echnology Development Programme of China (G rant N o.2003AA311010).51449期胡明列等:飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究。