光纤中产生超连续谱的计算程序.pdf

光纤中产生超连续谱的计算程序
    所属技术领域

    本发明涉及光纤中产生超连续谱的计算程序，属于激光技术和光纤通信技术领域。

    背景技术

    近年来，光纤超连续谱广泛应用于波分复用光通信系统、超短脉冲产生、光学相干层析和光谱分析等重要领域，其研究得到了广泛关注。人们对在色散位移光纤、色散平坦光纤、色散平坦渐减光纤、光子晶体光纤等多种光纤中产生超连续谱进行了研究，其中色散平坦光纤和平坦渐减光纤中产生的超连续谱特性较好。在凹形色散平坦光纤(DFF-CCDP)中产生超连续谱未见报道。光纤超连续谱研究对于激光技术和光纤通信技术领域的深入研究非常重要，然而，面临着难于解析研究的问题，这严重限制和阻碍了相应学科的发展。

    【发明内容】

    本发明针对光纤超连续谱探索难于解析研究的情况和计算机技术的快速发展，在Windows操作系统的MATLAB环境中设计和撰写了光纤中产生超连续谱的计算程序，解决了该领域中光纤超连续谱难于解析研究的相关问题。本发明提出的计算程序简洁易懂，操作方便，功能强大，计算速度快，作图简便，实用性强，可根据实际情况修改相关参数进行各种情况下的相关研究，为在光纤中实现最佳超连续谱、光纤优化设计及其该领域的深入研究提供了有力支持，将推动本学科的快速发展。

    本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

    为了方便研究光纤中产生超连续谱相关问题，本发明对超连续谱产生所满足的非线性方程归一化为

     ∂u∂ξ=iΣn=2∞inβnn!|β2|T0n-2∂nu∂τn+i|u|2u-s∂(|u|2u)∂τ-iτRu∂|u|2∂τ-12Γu,---(1)]]>

    式中，u为光脉冲慢变包络振幅，ξ为归一化传输距离，τ为归一化时间参量；右边第一项为色散项，β_n为各阶群速度色散系数，n表示色散阶数，第二项至第四项表示脉冲传输中的非线性项，其第二项为自相位调制效应；第三项为脉冲自变陡效应，对高阶孤子的影响显著，s＝1/ω₀T₀，ω₀为脉冲中心角频率，T₀为脉冲半宽度；第四项为拉曼散射效应，τ_R＝T_R/T₀，T_R为脉冲内拉曼散射系数，与拉曼增益的斜率有关，通常为3fs；最后一项表示光纤损耗项，α为光纤损耗系数，L_D是色散长度。方程(1)不能解析求解。本发明采用分步傅里叶方法，根据方程(1)、光纤的色散参量D与脉冲中心波长λ关系式、光纤色散参量D与群速度色散系数以及光脉冲中心波长的关系式、入射光脉冲各参量设计和撰写了光纤中产生超连续谱的计算程序，可方便研究光纤中产生超连续谱。

    本发明的有益效果是：本发明提出的计算程序，解决了该领域中光纤超连续谱难于解析研究问题。程序简洁易懂，操作方便，功能强大，计算速度快，作图简便，实用性强，可根据实际情况修改相关参数进行各种情况下的相关研究，为在光纤中实现最佳超连续谱、光纤优化设计及其该领域的深入研究提供了有力支持，将推动本学科的快速发展。

    【具体实施方式】

    本发明提出的计算程序，可通过调整不同参数(如输入脉冲的幅值、脉冲时域变形、时域宽度、初始啁啾C、计算所用时域窗口大小、采样点数，不同光纤参量、传输距离)，计算在各种情况下光纤中产生的超连续谱。下面以凹形色散平坦光纤为例介绍

    凹形色散平坦光纤的色散参量D与脉冲中心波长λ满足

    D(λ)＝D₀+k₁(λ-λ_D)²+k₂(λ-λ_D)⁴，    (2)

    (5)式中，D₀为光纤的色散峰值，k₁和k₂为光纤色散参量D关于波长的色散系数，λ_D为D(λ)＝D₀时的波长，光纤损耗为0.2dB/km.

    光纤色散参量D与群速度色散系数以及光脉冲中心波长的关系为

     D=dβ1dλ,ω=2πcλ,βm=(dmβd′ωm)ω=ω0,m=0,1,2,···---(3)]]>

    实际应用中只能测量得到光纤色散参量D，而不能直接测得群速度色散系数β_n，因此，我们由(2～3)式可以求得光纤中光脉冲中心波长λ₀处的各阶群速度色散系数的具体表达式.

    本发明中，令λ_D＝λ₀，选择入射光脉冲的中心波长λ₀＝1550nm，D₀＝0.2ps/(nm·km)，k₁＝-0.000115ps/(nm³·km)，k₂＝8.5×10^-9ps/(nm⁵·km)。有上述参量、(2～3)式及其关于波长的多次导数，可以得到(1)式中各阶(本文讨论的最高阶为6阶)群速度色散系数的具体数值。然后，以时域半峰全宽T_FWHM＝0.2ps和高功率脉冲幅值N＝3的线性啁啾高斯光脉冲(C是线性啁啾参量)

     U(0,τ)=Nexp(-τ22)exp(-iCτ22),---(4)]]>

    作为入射光脉冲，采用分步傅里叶方法，按照归一化方程(1～4)设计和撰写了光纤中产生超连续谱的计算程序，可方便研究光纤中产生超连续谱的特性。数值计算时，光脉冲时域窗口可为(-80，80)，采样点数为1024，也根据实际情况进行调整。

    在光纤中形成超连续谱的过程中，光脉冲频谱变化复杂，本发明通过计算光脉冲方均根谱宽可以研究脉冲频谱随传输距离的变化规律，为获得最佳超连续谱提供支持。

    利用该计算程序，通过计算频谱质心可以研究光脉冲频谱向长、短波长方向移动的变化规律。

    利用该计算程序，还可以研究输入脉冲相关参量(时域波形、啁啾、峰值)、光纤相关参量对光纤超连续谱产生的影响，从而为光纤中产生超连续谱和优化光纤参量的设计提供有力支持。

    总之，本发明提出了光纤中产生超连续谱的计算程序，可通过调整不同参数计算各种情况下的超连续谱，有效解决了相关领域中难于解析研究的难题。我们应用该程序已经部分研究了光纤超连续谱，取得了部分研究成果并发表在相关重要刊物上。可见，本发明为在光纤中实现最佳超连续谱、光纤优化设计及其该领域的深入研究提供了有力支持，将推动本学科的快速发展。