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  • 非线性光纤光学

    2019-07-27 23:11:33
    1、光纤中的非线性光学效应。 1.1 在高强度电磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性光纤也不例外。光纤通信系统中,高输出功率的激光器和低损耗光纤的使用,使得光纤中国的非线性效应越来越显著。这是因为光纤...

    1、光纤中的非线性光学效应。
    1.1 在高强度电磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性,光纤也不例外。光纤通信系统中,高输出功率的激光器和低损耗光纤的使用,使得光纤中国的非线性效应越来越显著。这是因为光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯中,使得场强非常高;低损耗又使得高场强可以维持很长的距离,保证了有效地非线性相互作用所需的相干传输距离。
    光纤中的非线性效应有两方面的作用:一方面可以引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串扰以及信号载波的移动;另一方面可以被用来开发放大器、调制器等新型器件。
    光纤的非线性可以分为:受激散射效应和折射率扰动。
    受激散射效应是光通过光纤介质时,有一部分能量偏离预定的传播方向,且光波的频率发生改变,这种现象叫受激散射效应。受激散射效应有两种形式:受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子,同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个量子。两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子,而受激布里渊散射转变为声频声子;光纤中的受激布里渊散射只发生在后向,受激拉曼散射主要发生在前向。受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低,在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下,这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后,受激散射效应随入射光功率成指数增加。
    1.2折射率扰动。
    在入射光功率较低情况下,认为石英光纤的折射率和光功率无关。但是在较高光功率下,则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化,它们的关系为:n=n0+n2P/Aeff.
    式中:n0为线性折射率,n2为非线性折射率;P为入射光功率;Aeff为光纤有效面积。折射率扰动主要引起四种非线性效应:自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)和光孤子形成。
    自相位调制(SPM)是指光在光纤中传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。它导致光脉冲频谱展宽,从而影响系统的性能。由于Pin随时间变化,光相位也随时间变化,且与光信号随时间变化方式完全相同。瞬时变化的相位意味着光脉冲的中心频率的两侧有不同瞬时光频率的变化,即SPM会引起光脉冲的频率啁啾。由PSM引起的啁啾通过群速度色散来影响脉冲形状并常常导致脉冲展宽。由SPM引起的脉冲光谱展宽增加了信号带宽,从而限制了光纤通信系统的性能。通常SPM仅对具有较高色散或传输距离很长的系统有重要影响。
    交叉相位调制(XPM)是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。XPM不仅与光波自身强度有关,而且与其他同时传输的光波的强度有关,所以XPM总伴有自相位调制。XPM会使信号脉冲谱展宽。在采用波分复用(WDM)技术的系统中,当光纤中同时传输多个信道时会产生XPM现象。XPM是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。由于XPM引起了信号谱展宽,再加上色散的缘故,会使信号脉冲在经过光纤传输后产生较大的时阈展宽并在相邻波长信道产生干扰。
    四波混频(FWM)是源于折射率的光致调制的参量过程,需要满足相位匹配条件。一个或几个光波的光子被湮灭,同时产生几个不同频率的新光子,在此参量过程中,遵循能量和动量守恒。FWM大致分为两种情况。一种是3个光子合成一个光子的情况,新光子的频率为W4=W1+W2+W3.另一种情况为W1+W2=W3+W4.FWM对于密集波分复用(DWDM) 光纤通信系统影响较大,FWM产生的新的频率成分如果落到WDM信道,会引起复用信道间的串扰,称为限制其性能的重要因素。
    光孤子形成:非线性折射率和色散间的相互作用。可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时,可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中,保持形状和脉宽不变。

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  • 非线性光纤光学
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  • 非线性光纤光学 第5版_(美)阿戈沃著_北京:电子工业出版社 清晰中文版 完整版
  • 非线性光纤光学 第八章-受激喇曼散射
  • 非线性光纤光学 第三版 中文版 Govind P. Agrawal 著作 Nonlinear Fiber Optics, Third Edition Applications of Nonlinear Fiber Optics 包含非线性光纤光学原理篇及应用篇两部分
  • 非线性光纤光学第九章-受激布里渊散射
  • 现代通信系统基于单模光纤组成的网络,随着通信容量需求的...多模光纤中各个模式间的复杂相互作用,能够产生比单模光纤更加丰富的非线性光学现象。图 1 多模光纤中的结构和模式特性[1]。(a)阶跃折射率光纤中最低阶...

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    现代通信系统基于单模光纤组成的网络,随着通信容量需求的不断增长已显力不从心。因此将传输多个横向模式的多模光纤用于通信已成为新兴技术趋势。另外多模光纤超大的有效模面积使其能够突破单模光纤激光器的功率瓶颈,在超高功率光纤激光器方面具有较大潜力。多模光纤中各个模式间的复杂相互作用,能够产生比单模光纤更加丰富的非线性光学现象。

    1ca12b066421cd0d3f347beb2533d635.png图 1 多模光纤中的结构和模式特性[1]。(a)阶跃折射率光纤中最低阶6个模式的光场叠加;(b)各个横向模式的光场分布;(c)阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤的相对折射率分布;(d)阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤最低阶25个模式的传播常数分布;(e)其他种类光纤的横截面

    多模光纤种类多样,可以大致分为梯度折射率光纤(graded-index fiber, GRIN fiber)、阶跃折射率光纤(step-index fiber)、多纤芯光纤和光子晶体光纤,棒状光纤等。

    梯度折射率光纤的折射率从光纤中心至包层连续变化,中心的折射率高,越靠近包层越小,折射率一般设计成模式分布较为规则的抛物线型。阶跃折射率光纤的折射率分布从纤芯至包层是突变式的(如图 1 (c))。梯度折射率光纤的传播常数分布比较规则,横模会组成传播常数相近的模式群(如图1(d)),模式群内各个横模的群速度比较接近。

    阶跃折射率光纤的模式分布比较分散,横模之间的传播常数和群速度都具有较大差异,但在相同纤芯直径下相比梯度折射率光纤能容纳更多横模。多纤芯光纤的横截面如图 1 (e),在不同纤芯内传播的模式会发生耦合组成“超模式”(supermodes), 设计上有更多的自由度。

    与单模光纤相比,多模光纤内光场演化更加复杂,一般采用广义多模非线性薛定谔方程组(the Generalized Multimode Nonlinear Schrödinger Equations, GMMNLSE)进行计算。该方程组可以用传统的分布傅里叶算法求解,将脉冲在光纤内的传输等效成色散和非线性的交替作用,在频域处理色散,在时域处理非线性效应。在横模较少时,这种方法速度尚可。但随着模式数目增加,计算时间大大延长,与横模数目的四次方成正比。Logan G. Wright等人设计了一种大规模并行算法(Massively Parallel Algorithm, MPA)求解广义多模非线性薛定谔方程组,与传统算法相比速度更快,利用GPU加速计算时间更是有数量级的提升。为研究多模光纤中的非线性相互作用提供了强有力的工具(代码已发布在Github上,详情可见参考文献)。

    为了研究超短脉冲在多模光纤中的演化过程,Logan G. Wright等人利用这一并行算法模拟了脉冲在多模光纤中的线性传输。如图2所示,当仅考虑线性效应时,横模的传播常数差异导致短距离内光场的拍频现象,被称为传播常数失配(Propagation Constant Mismatch);群速度差异使脉冲在光纤中传输时逐渐分裂并走离,被称为模式色散(modal dispersion);群速度色散和高阶色散与单模光纤一致,每个横模在传输过程中独立地展宽和变形。

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    图 2 GRIN多模光纤中LP01, LP02, LP03的线性传输[1]

    多模光纤中的非线性效应与单模光纤中的类似,包括自相位调制(Self-Phase Modulation, SPM)、交叉相位调制(Cross-Phase Modulation, XPM)、四波混频(Four-Wave Mixing, FWM)、自陡峭(Self-Steeping, SS)和拉曼散射(Raman Scattering, RS)等。多模光纤各个横模的有效模面积不同,累积的非线性相位也不一样。自相位调制和交叉相位调制不会产生模式间的能量转移。在四波混频过程中,通过调节横模分布、频率成分和光纤参数,可以控制能量在横模间的流动。自陡峭使脉冲后沿变陡导致光谱蓝移,拉曼散射则导致光谱红移。为了研究多模光纤中的孤子形成过程,Logan G. Wright模拟了能量为6nJ且均匀分配到8个空间模式、宽度为50fs的脉冲在15m长的梯度折射率光纤中的演化。模拟结果如图3所示,考虑所有效应时,能量会从高阶模式转移到低阶模式;如果非线性效应只留下自相位调制和交叉相位调制,会发现仅有交叉相位调制便足以形成多模孤子;将初始脉冲宽度由50 fs增加到1 ps,考虑所有非线性效应时,在传播距离15 m的位置并没有发现明显的多模孤子;当传播距离超过15 m时,会形成几个多模孤子。

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    图3 多模孤子的形成和传输[1]。(a-b) 脉冲经过包含所有非线性效应的15m光纤和滤波后的时域和频域特性;(c-d) 仅包含XPM和SPM的输出特性;(e-g) 初始脉冲宽度增加至1 ps的输出特性;(f) 为图(e)的部分细节

    除了典型的非线性效应外,Logan G. Wright等人还指出广义多模非线性薛定谔方程组可以通过添加额外项研究其他效应,比如由无序带来的线性模式耦合以及增益饱和效应。对线性模式耦合的研究发现,具有传播常数相差较小的两个模式在偏离理想波导的光纤中会因为无序发生耦合。分析无序时需要引入相关长度的概念,指的是在模式耦合情况下的线性传播场变得不相关的距离。当相关长度小于光纤长度时,模式色散导致的脉冲展宽不再和光纤长度成正比,而是与光纤长度的平方根成正比。无序的模式耦合也会减弱交叉相位调制和四波混频效应。

    未来比较重要的研究方向如下:

    1. 多模光纤中的多空间模式可以应用于通信。不过需要考虑光纤中的线性和非线性耦合效应,以及从单模传输向多模传输过渡的实用性和经济性。
    2. 多模光纤在产生高功率和具有一定空间结构的激光输出方面有惊人表现。但是,多模光纤的无序复杂性和损伤阈值等因素限制了多模振荡器的发展,目前更加可行的方案是在放大器中实现多模光纤高功率放大。另外,多模光参量放大器也对通讯系统中空间信道和频谱信道的数量有较大的提升。
    3. 多模光纤可以为研究高维非线性动力学提供有效的平台,如非线性光波传播的湍流效应。
    4. 多模光纤中的空分复用需要更强大的信号处理能力,需要开发相应的器件和技术(功能更强大的空间光调制器、空间模式分辨工具和时空脉冲测量工具等)。
    5. 考虑石英光纤之外的材料和器件作为多模光波导(比如,在微谐振器中利用多模效应实现不同波长范围的频率梳等)。

    正如不同的乐器为音乐家们创造了丰富的可能性一样,多模光纤为非线性光纤光学提供了新的自由度,成为新的光学前沿领域。

    参考文献

    [1] Wright L G , Ziegler Z M , Lushnikov P M , et al. Multimode Nonlinear Fiber Optics: Massively Parallel Numerical Solver, Tutorial and Outlook[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017:1-1.


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  • Govind P. Agrawal 著作 Nonlinear Fiber Optics, Third Edition & Applications of Nonlinear Fiber Optics 包含非线性光纤光学原理篇及应用篇两部分
  • 非线性光纤光学(中文版)完整版

    热门讨论 2010-01-21 10:30:21
    Govind P. Agrawal 著作 Nonlinear Fiber Optics, Third Edition & Applications of Nonlinear Fiber Optics 包含非线性光纤光学原理篇及应用篇两部分
  • 非线性光纤
  • 非线性光纤作为一种特殊用途光纤,不仅在新型光纤通讯技术中有重要应用和发展前景,而且在光波长转换、超快光纤激光和超连续激光等光物理基础和器件研究等领域具有很大应用潜力。然而,传统石英光纤仅表现出非常微弱...

    随着光通信技术的发展,光纤已经成为现代信息社会的重要支撑。非线性光纤作为一种特殊用途光纤,不仅在新型光纤通讯技术中有重要应用和发展前景,而且在光波长转换、超快光纤激光和超连续激光等光物理基础和器件研究等领域具有很大应用潜力。然而,传统石英光纤仅表现出非常微弱的奇数阶非线性效应,严重限制了在非线性光学领域的广泛应用。当前,提高光纤非线性的方法主要分为两大类:1 通过光纤结构优化设计,减小光纤的有效纤芯面积,进而提高光纤非线性;2,通过对传统石英光纤纤芯进行掺杂(如硫化物)或者直接生长非石英纤芯(如锗,硅等)来增加光纤非线性系数。但是,以上方法对光纤非线性提升效果有限且制备成本较高。因此,开发具有高非线性光纤的制备方法是迫切的需求。

    二维原子晶体材料是目前材料领域研究的一个热点,比如石墨烯、过渡金属硫族化合物、六方氮化硼等,均具有优异的物理性能。尤其是光学特性,不同能带结构的二维材料可具备从紫外到微波的超快宽带光学响应、可调的光与物质相互作用和高非线性系数等特点,迅速掀起了二维材料与光纤光学相结合的交叉学科研究热潮。之前大量的研究工作主要是通过转移或者涂覆的方式将二维材料与光纤结合,以实现二维材料的光学增强效应。但是此类方法一般需要人为改变光纤结构(例如侧剖和拉锥光纤)来实现材料与光纤中传输光的倐逝波的耦合,极大地影响光纤的性能,增加了不必要的损耗,且转移和涂覆工艺不利于高性能复合光纤的批量制备。

    最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心白雪冬课题组与北京大学刘忠范院士、刘开辉研究员合作,提出一种液相辅助两步化学气相沉积法在多孔光纤孔内壁上直接生长二维过渡金属硫族化合物,成功制备出具有超高非线性的二维材料复合光纤。

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    图1. 两步化学气相沉积法制备MoS2复合光纤

    该方法有效解决了二维材料前驱体在大纵横比光纤中传质不匀的问题,实现了多种二维材料及其合金在不同种类规格光纤(空心石英管光纤和光子晶体光纤等)中均匀全覆盖生长,长度最大可达25cm。

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    图2. 制备不同结构二维材料复合光纤

    在此基础上,研究人员进一步基于该复合光纤的非线性的实部和虚部分别进行了相应的应用研究。1 非线性实部:光频转换应用研究。实验结果发现,二维材料复合光纤展示了超强的二次和三次谐波产生,相比于平面石英衬底上的MoS2样品,该MoS2复合光纤的非线性信号增强了~300倍,损伤阈值提高3倍,传输损耗仅为~0.1 dB/cm;

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    图3. 二硫化钼复合光纤光频转化应用

    2 非线性虚部:全光纤超快脉冲激光器的研究。将MoS2复合光纤用作饱和吸收器,完成了全光纤锁模脉冲激光器的搭建和测试,具备超窄脉冲宽度~500 fs高重复频率~41 MHz等优异性能。

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    图4.全光纤超快锁模脉冲激光源应用

    该研究结果以 “Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity” 为题在线发表在 Nature Nanotechnology(https://doi.org/10.1038/s41565-020-0770-x) 上, 中科院物理研究所博士后左勇刚为文章共同第一作者(排序1/3)。

    这项工作得到了中科院先导B(XDB33030200)、国家自然科学基金(51991340、51991344和51421002)等项目的资助。

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  • 光通信、光纤激光器、非线性光学教材
  • 1.1 在高强度电磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性光纤也不例外。光纤通信系统中,高输出功率的激光器和低损耗光纤的使用,使得光纤中国的非线性效应越来越显著。这是因为光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯...
       1.1 在高强度电磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性,光纤也不例外。光纤通信系统中,高输出功率的激光器和低损耗光纤的使用,使得光纤中国的非线性效应越来越显著。这是因为光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯中,使得场强非常高;低损耗又使得高场强可以维持很长的距离,保证了有效地非线性相互作用所需的相干传输距离。
       光纤中的非线性效应有两方面的作用:一方面可以引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串扰以及信号载波的移动;另一方面可以被用来开发放大器、调制器等新型器件。
        光纤的非线性可以分为:受激散射效应和折射率扰动。
        受激散射效应是光通过光纤介质时,有一部分能量偏离预定的传播方向,且光波的频率发生改变,这种现象叫受激散射效应。受激散射效应有两种形式:受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子,同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个量子。两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子,而受激布里渊散射转变为声频声子;光纤中的受激布里渊散射只发生在后向,受激拉曼散射主要发生在前向。受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低,在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下,这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后,受激散射效应随入射光功率成指数增加。
    

    1.2折射率扰动。
    在入射光功率较低情况下,认为石英光纤的折射率和光功率无关。但是在较高光功率下,则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化,它们的关系为:n=n0+n2P/Aeff.

    式中:n0为线性折射率,n2为非线性折射率;P为入射光功率;Aeff为光纤有效面积。折射率扰动主要引起四种非线性效应:自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)和光孤子形成。
    自相位调制(SPM)是指光在光纤中传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。它导致光脉冲频谱展宽,从而影响系统的性能。由于Pin随时间变化,光相位也随时间变化,且与光信号随时间变化方式完全相同。瞬时变化的相位意味着光脉冲的中心频率的两侧有不同瞬时光频率的变化,即SPM会引起光脉冲的频率啁啾。由PSM引起的啁啾通过群速度色散来影响脉冲形状并常常导致脉冲展宽。由SPM引起的脉冲光谱展宽增加了信号带宽,从而限制了光纤通信系统的性能。通常SPM仅对具有较高色散或传输距离很长的系统有重要影响。
    交叉相位调制(XPM)是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。XPM不仅与光波自身强度有关,而且与其他同时传输的光波的强度有关,所以XPM总伴有自相位调制。XPM会使信号脉冲谱展宽。在采用波分复用(WDM)技术的系统中,当光纤中同时传输多个信道时会产生XPM现象。XPM是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。由于XPM引起了信号谱展宽,再加上色散的缘故,会使信号脉冲在经过光纤传输后产生较大的时阈展宽并在相邻波长信道产生干扰。
    四波混频(FWM)是源于折射率的光致调制的参量过程,需要满足相位匹配条件。一个或几个光波的光子被湮灭,同时产生几个不同频率的新光子,在此参量过程中,遵循能量和动量守恒。FWM大致分为两种情况。一种是3个光子合成一个光子的情况,新光子的频率为W4=W1+W2+W3.另一种情况为W1+W2=W3+W4.FWM对于密集波分复用(DWDM) 光纤通信系统影响较大,FWM产生的新的频率成分如果落到WDM信道,会引起复用信道间的串扰,称为限制其性能的重要因素。
    光孤子形成:非线性折射率和色散间的相互作用。可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时,可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中,保持形状和脉宽不变。

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  • 美国 经典非线性光纤光学,光纤通信专业必备书籍,英文原版
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    2019-07-16 20:16:51
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非线性光纤光学