五阶非线性效应对非线性双芯光纤调制不稳定性谱的影响开题报告
2022-01-06 22:03:58
全文总字数：3126字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
光纤中色散与非线性间的相互作用会导致连续微扰光波振幅的指数增长，从而使稳态传输的光变得不稳定的现象称为调制不稳定性。光纤耦合器的一种有趣构建方式是采用双芯光纤，非线性效益是影响双芯光纤中脉冲传播的重要因素，针对非线性和高阶色散效应的影响，本论研究方向耦合器在调制不稳定性现象时的非线性效应；改变脉冲参量值，研究高阶色散效应对非线性双芯光纤调制不稳定性谱的影响。调制不稳定性指由于非线性色散、散射和非线性效应在介质中产生幅度和频率的自调制，使叠加在传输波上的扰动呈指数增长的一种非线性过程。大量文章已经对非线性介质中时间、空间以及时空调制不稳定性进行了研究并发现调制不稳定性将导致连续波或准连续波分裂成超短脉冲序列。因此，为产生高重复率超短脉冲，调制不稳定性的发生为其提供了一种全新的思路和方法。本课题将研究高阶色散效应和非线性对调制不稳定性谱的影响。
调制不稳定性的研究如对于在常规材料如光纤中的研究有大量的理论和实践方面的工作，各种影响因素如色散、非线性效应，包括高阶色散、自陡以及延时的拉曼效应对调制不稳定性的影响也被揭露出来。研究调制不稳定性的常用方法是线性稳定分析法，具体步骤为：1、求解非线性薛定谔方程稳态解；2、稳态解加入微扰；3、得到波数和频率的表达式；4、画出增益曲线。通过研究光纤中的调制不稳定性，具有非常现实的意义：一、时域中调制不稳定性可以产生重复频率的可调孤子脉冲串。二、可以产生THz频率脉冲，用来制作激光器，频率转换器和光纤干涉仪开关等光学器件。三、可以用来超连续谱的产生以及测量光纤的零色散波长分布。四、研究调制不稳定性，可以抑制光脉冲的频谱展宽，分裂等，对于实现光孤子传输有重要意义。国内外研究现状
| 人们对光纤中MI的早期研究可以追溯到20世纪60年代。1966年,Ostrovskii指出，MI可能在非线性光传输中存在,接着，Karpman发现，当光纤中的非线性系数和群色散系数异号时，单色波的幅度或频率的弱调制将呈指数式增长。Hasegawa等人把此现象称为光纤中的MI并最先对其进行了分析。从80年代起，人们开始从理论方法、实验观察、数值模拟、应用前景以及对光通信系统的影响等方面对光纤中的进行探讨。Hasegawa等人采用时域法，由光纤中光脉冲包络满足的非线性薛定愕方程出发，在小信号近似下，导出了扰动波数满足的色散关系、扰动增长的最大增益和对应的扰动频率,并由此指出利用光纤中MI产生的边带可以产生可调的相干红外辐射。Hasegawa又从理论上提出，可以采用玻璃光纤负色散区感应的方便地产生脉宽和重复率可调的光脉冲串，并通过数值模拟对此进行了验证和分析。Anderson和Lisak也在小信号情况下导出了色散关系、不稳定条件、临界频率，分析并强调了对长距离相干光通信将是一个严重的限制因素。 1986年，Tai等人首次从实验上观察到了光纤中由于MI而产生的频谱边带，他们还采用Nd：YAG的1.3198um的激光作泵浦光，以可调谐的InGaAsP半导体激光作调制光，在零色散波长为1.275um的1km长光纤中利用MI从实验上获得了脉宽为0.5ps(FWHM)、重复率大于0.3THz的孤子似脉冲串，采用实验参数进行的数值模拟与实验结果符合较好。Shukla等人在文献基础上进一步导出了包含非线性一阶微商项(该项与光脉冲沿的自陡和冲击效应有关)的MI条件和最大增益,结果表明，该项的存在使MI的频率范围和最大增益都减小。Potasek和Agrawal研究了光脉冲的自幅度调制现象。Potasek还首次从包括三阶色散、非线性的时间微商和延迟非线性响应的扩展非线性薛定愕方程出发研究MI，发现三阶色散对MI无贡献，非线性的时间微商和延迟非线性响应会改变MI的结果。Mestdagh在给定输入的情况下小信号数值模拟并分析了光纤中产生光脉冲串所需的最佳光纤长度。近年来，对光通信系统的影响被深入研究，调制不稳定性使光脉冲被展宽、信号强度下降、并将噪声放大,导致系统性能劣化。人们正不断地进行研究,探索有效、实用的解决方案。 调制不稳定性的研究如对于在常规材料如光纤中的研究有大量的理论和实践方面的工作，各种影响因素如色散、非线性效应，包括高阶色散、自陡以及延时的拉曼效应对调制不稳定性的影响也被揭露出来。Lazarides等人在考虑非线性极化和非线性磁化的条件下推导出各向同性、均匀介质中传输所满足的一维耦合非线性薛定谔方程。在此的基础上Kourakis研究了电磁波的在非线性负折射材料中非线性稳定性，还得到的耦合平面波解的调整稳定性图像。慢变包络近似下，建立了关于电场和磁场脉冲演化的耦合非线性薛定谔方程，发现在负折射介质中存在复合的亮、暗孤子解。Scalora等人在研究脉冲宽度达几十个光学周期的脉冲在非线性负折射超常介质中的传输特性，忽略磁场非线性，得到非线性薛定谔方程。Wen等人得到一个描述负折射介质中电场脉冲非线性传输的物理模型，为析了反常自陡峭效应对调制不稳定性的影响提供了基础，该模型比Scalora等人的模型更普遍。二阶非线性色散效应、额外的自陡效应是超常介质中色散磁导率对超短脉冲传输影响具体体现。其中二阶非线性色散效应是超常介质中全新的非线性效应，而在常规介质中没有出现。 |
2. 研究的基本内容
本课题的研究内容主要有以下几个方面：
（1）本文基于光孤子脉冲在双模光纤中传输满足的非线性薛定谔方程的理论基础上，研究五阶非线性效应对非线性双芯光纤调制不稳定性谱的影响；
（2）讨论双芯光纤中影响调制不稳定性谱的主要参数因素。3. 实施方案、进度安排及预期效果
| 对高阶非线性效应进行解释，并介绍非线性双芯光纤，了解影响调制不稳定性的各种因素；基于非线性薛定谔方程建立光孤子在双芯光纤中传输的数理模型；对光孤通信的子在双模光纤中产生、传输和演化的过程和双孤子的相互作用过程等进行仿真，并给出具体的图象和图表加以说明；提出了有效地抑制光孤子间相互作用的方法，最后以论文形式进行总结。 2016 年 12 月-3 月：确定研究课题并阅读相关资料翻译相关外文文献；全面了解研究的课题并进行详细的规划； 2017 年 3 月-4 月：用软件对五阶非线性效应对调制不稳定性谱的数据关系进行调整测出最佳的数据； 2017 年 4 月-5 月：完成论文的初稿； 2017 年 5 月-6 月：对论文进行修改并完稿，同时准备答辩。 |
4. 参考文献
| [1]钟卫平，黄辉.双芯耦合光纤中高阶色散对光孤子相互作用的影响[J].光学学报，1995(02)：202-205. [2]胡涛平，张贵清.色散缓变光纤中高阶色散和高阶非线性下的交叉相位调制不稳定性[J].南开大学学报(自然科学版)，2017，50(02)：77-81. [3]蔡托，赵华.数值模拟高阶色散和非线性对光孤子传输的影响[J].光散射学报，2009，21(02)：115-120. [4]（美）阿戈沃（Agrawal，G.P.）.非线性光纤光学原理及应用[M].贾东方等译.第二版.北京：电子工业出版社，2010.6. [5]贾维国，王旭颖，樊国梁，包红梅，杨盛际.自陡对光纤耦合器调制不稳定性的影响[J].光学技术，2010，36(04)：578-583. [6]杨慧敏.光纤通信系统中调制不稳定性的研究[D].西南交通大学，2008. |
