光孤子脉冲串的全光放大方法与流程

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光孤子脉冲串的全光放大方法。

背景技术：

全光信号处理比电信号处理具有更高的速度、更低的延迟以及更大的带宽。现代非线性光学的其中一个目标是超快全光设备的发展，全光放大器是其中一个重要的部分。光孤子是在光学非线性介质中传播的局域化光波，能够长距离传输而保持形状不改变。由于在光通信和光信号处理系统中的潜在应用，过去几十年中对光孤子展开了大量的研究，例如孤子的存在与稳定性研究，孤子碰撞及相互作用，以及高阶孤子等。随着光孤子概念的出现，20世纪80年代初，hasegawa和kodama在理论上提出了孤子放大的机制，实际中可由掺铒放大器、喇曼放大器、参数放大器和半导体放大器来实现。

目前在孤子放大中，掺铒放大器和喇曼放大器使用的较多。这些放大器在实际使用中有各自的限制，尤其对于飞秒量级的超短脉冲的放大，掺铒放大器和喇曼放大器实现起来较为困难。对掺铒放大器，超短脉冲的放大是基于具有相当高浓度(浓度在1000ppm-2000ppm之间)的铒掺杂。对于喇曼放大，非线性效应，例如受激布里渊散射，自相位调制等会影响放大器的性能，尤其对于超短脉冲的系统。

综上，目前放大光孤子脉冲串的方式受放大器的限制而存在一定的局限性。

技术实现要素：

为解决目前放大光孤子脉冲串的方式受放大器的限制而存在一定局限性的技术问题，本发明提供一种光孤子脉冲串的全光放大方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种光孤子脉冲串的全光放大方法，其包括如下步骤：

s1，产生初始光孤子脉冲串，并将初始光孤子脉冲串注入单模光纤中传输；

s2，控制初始光孤子脉冲串在单模光纤中传输za＝23.8095-34.5238km，使初始光孤子脉冲串的峰值功率p下降到2.5788-0.4293w，得到衰减的光孤子脉冲串；

s3，在单模光纤的za处注入功率为p0的连续平面波，与衰减的光孤子脉冲串混合，构成形式为的混合波，并让混合波继续在单模光纤中传输；

s4，在连续平面波作用下，衰减的光孤子脉冲串被逐渐放大，并在单模光纤中继续传输la＝0.2893-1.5381km时，衰减的脉冲串被放大，形成具有平面波背景的放大光孤子脉冲串；

s5，在单模光纤的位置za+la处，放置频谱过滤器，以放大光孤子脉冲串的波长1550nm为中心、0.2nm为宽度进行频谱过滤，得到零背景稳定传输的放大光孤子脉冲串，此时，零背景稳定传输的放大光孤子脉冲串与初始光孤子脉冲串具有相同的功率。

可选地，所述s1在产生初始光孤子脉冲串时，通过如下过程来实现：

皮秒光脉冲在单模光纤中的传输由如下非线性薛定谔方程来描述：

公式(1)中，a＝a(z,t)是电磁场慢变包络，z是传输距离，t是随脉冲以群速度vg移动的参考系中的时间量度，t＝t-z/vg，系数β2和γ分别是二阶群速度色散gvd和克尔非线性参数，α＞0是光纤损耗；

不考虑光纤损耗，在反常色散条件下，即β＜0且α＝0，公式(1)具有如下形式的解：

公式(2)中，p0为入射场的平均功率，时间τ＝t/t0，距离z＝(z-z0)/lnl，归一化非线性长度时间尺度t0＝(|β2|/γp0)^1/2，这里z0是一个实参数；ω为调制频率，a为调制不稳定增益；确定不稳定调制增长；当0＜a＜1/2时，公式(2)表示的解称为akhmediev呼吸解；

对于薛定谔方程(1)的周期解(2)，其傅里叶级数展开具有如下形式：

泵浦波和边带振幅演化的形式分别为：

n＝±1,±2,±3......为整数

在频域中滤除不随时间变化的得到无背景的能够稳定传输的光孤子脉冲串；

如果不考虑光纤损耗，即公式(1)中α＝0时，公式(5)表示的零背景脉冲串能够稳定传输。

可选地，所述单模光纤为石英smf-28光纤，其二阶群速度色散gvd为β2＝-21.4ps²km^-1，克尔非线性参数γ＝1.2w^-1km^-1，光纤损耗α＝0.19db/km，中心波长为1550nm，入射功率p0＝0.7w。

本发明的有益效果是：

本发明利用平面波泵浦与频谱过滤器相结合的方法，能够实现光孤子脉冲串的直接放大。此放大方法所表示的放大过程与光孤子脉冲的宽度、中心波长、光纤掺杂浓度等因素无关，可适用于高阶模型、不同模式的光纤系统，特别是对于超短光孤子脉冲串，能够实现直接放大。本发明的放大方法因不受放大器的参数等因素制约因而放大方式相对灵活。

附图说明

图1是光孤子脉冲串稳定传输示意图。

图2是光孤子脉冲串的放大示意图。

图3是光孤子脉冲串的4级放大示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例中的一种光孤子脉冲串的全光放大方法，其包括如下步骤：

s1，产生初始光孤子脉冲串，并将初始光孤子脉冲串注入单模光纤中传输。

s2，控制初始光孤子脉冲串在单模光纤中传输za＝23.8095-34.5238km，使初始光孤子脉冲串的峰值功率p下降到2.5788-0.4293w，得到衰减的光孤子脉冲串。

s3，在单模光纤的za处注入功率为p0的连续平面波，与衰减的光孤子脉冲串混合，构成形式为的混合波，并让混合波继续在单模光纤中传输。

s4，在连续平面波作用下，衰减的光孤子脉冲串被逐渐放大，并在单模光纤中继续传输la＝0.2893-1.5381km时，衰减的脉冲串被放大，形成具有平面波背景的放大光孤子脉冲串。

s5，在单模光纤的位置za+la处，放置频谱过滤器，以放大光孤子脉冲串的波长1550nm为中心、0.2nm为宽度进行频谱过滤，得到零背景稳定传输的放大光孤子脉冲串。此时，零背景放大光孤子脉冲串与初始光孤子脉冲串具有相同的功率。

可选地，所述s1在产生初始光孤子脉冲串时，通过如下过程来实现：

皮秒光脉冲在单模光纤中的传输由如下非线性薛定谔方程来描述：

公式(1)中，a＝a(z,t)是电磁场慢变包络，z是传输距离，t是随脉冲以群速度vg移动的参考系中的时间量度，t＝t-z/vg，系数β2和γ分别是二阶群速度色散gvd和克尔非线性参数，α＞0是光纤损耗。

不考虑光纤损耗，在反常色散条件下，即β＜0且α＝0，公式(1)具有如下形式的解：

公式(2)中，p0为入射场的平均功率，时间τ＝t/t0，距离z＝(z-z0)/lnl。归一化非线性长度时间尺度t0＝(|β2|/γp0)^1/2，这里z0是一个实参数。ω为调制频率，a为调制不稳定增益。确定不稳定调制增长。

当0＜a＜1/2时，公式(2)表示的解称为akhmediev呼吸解。

当以上解成为怪波解，具有如下形式：

该解在初始时刻开始于强度为|a(0,t)|²＝p0的连续平面波，根据调制不稳定性原理，由于连续平面波的存在，小峰值的初始光孤子脉冲串，随着传输距离的演化，脉宽逐渐变窄，峰值功率逐渐增加，在z＝ξ0(ξ0≤z0)处形成放大光孤子脉冲串。但是由于连续平面波的存在，形成的放大光孤子脉冲串不能稳定传输。因此，本发明通过采用频谱过滤法，过滤掉不稳定的连续平面波的频谱可以实现放大光孤子脉冲串的稳定传输。

对于薛定谔方程(1)的周期解(2)，其傅里叶级数展开具有如下形式：

泵浦波和边带振幅演化的形式分别为：

n＝±1,±2,±3......为整数

在频域中滤除不随时间变化的得到无背景的能够稳定传输的光孤子脉冲串。

如果不考虑光纤损耗，即公式(1)中α＝0时，公式(5)表示的零背景脉冲串能够稳定传输。如图1所示，本发明实施例采用单模光纤为石英smf-28光纤，其二阶群速度色散gvd为β2＝-21.4ps²km^-1，克尔非线性参数γ＝1.2w^-1km^-1，光纤损耗α＝0.19db/km，中心波长为1550nm，入射功率p0＝0.7w。

图1给出了零背景的脉冲串传输za＝95.2381km的传输图，参数a＝0.4。图1中的a图为零背景脉冲串，从图1中的a图可以得到零背景脉冲串中心脉冲的半高全宽δτ＝3.4045ps(fwhm)，根据公式，可以计算出中心脉冲串的孤子数为：

其中，p为脉冲串的峰值功率。根据孤子理论，当孤子数在0.5＜n＜1.5之间，脉冲能够振荡稳定地传输，如图1中的b图所示。

脉冲串实际传输过程中，由于损耗的影响脉冲串的振幅随着传输距离的增加而逐渐减小，因此需要放大。平面波泵浦与频谱过滤器相结合，放置在光纤的适当位置，能够实现光脉冲串的放大，如图2所示。

图2中的a图是公式(5)表示的初始光孤子脉冲串的分布，其峰值功率p＝8.96w，传输za＝33.33km后，由于损耗的存在，光孤子脉冲串的峰值功率下降到0.7041w，如图2中的b图所示。为了放大衰减的光孤子脉冲串，在za处注入功率为p0的连续平面波，与衰减的光孤子脉冲串构成混合波由于连续平面波的在，在la＝0.8821km处衰减的脉冲串被放大，具有与初始光孤子脉冲串相同的功率。但是由于连续平面波背景的存在，放大的光孤子脉冲串不能稳定传输。因此，本发明在单模光纤的za+la位置处放置频谱过滤器来滤除平面波背景。根据本发明实施例中所取参数，过滤掉中心频谱1550nm附近大约0.2nm的频谱，可以获得稳定传输的零背景放大脉冲串，如图2中的c图所示。za是初始光孤子脉冲串衰减到小振幅脉冲串的传输距离，也是连续波泵浦放置的位置。la是放大器长度，za+la是频谱过滤器放置的位置。za处注入连续平面波，经过la衰减脉冲串被放大到初始入射光孤子脉冲串的功率，在单模光纤的位置za+la处通过频谱过滤器获得零背景稳定传输的放大光孤子脉冲串。

为了实现光孤子脉冲串的长距离传输，光孤子脉冲串的周期放大是必要的。图3以光孤子脉冲串4级放大为例展示了光孤子脉冲串的周期放大过程。

以上放大分为两个过程，以第1级放大为例说明其过程。图3中的a1图为初始光孤子脉冲串，传输za＝23.8095km后衰减为峰值功率为1.7179w的光孤子脉冲串，如图3中的b1图所示。za处注入连续平面波，经过la＝0.4310km，衰减的脉冲串被放大，恢复到初始入射光孤子脉冲串的功率，如图3中的c1图所示。图3c1图中的实线为公式(5)表示的初始入射光孤子脉冲串，虚线表示放大后的光孤子脉冲串，结果表明两者吻合的很好。第2级初始光孤子脉冲串为第1级的放大光孤子脉冲串，如图3中的a2图所示，其余过程完全相同。以上实施例中，参数a＝0.45。4级放大过程中，za＝23.8095km，放大器长度la分别是0.4310km，0.3905km，0.3845km和1.0119km。

综上，本发明基于调制不稳定性原理，利用平面波泵浦与频谱过滤器相结合的方法，能够实现光孤子脉冲串的直接放大。此放大方法表示的放大过程与光孤子脉冲的宽度、中心波长、光纤掺杂浓度等因素无关，可适用于高阶模型、不同模式的光纤系统，特别是对于超短光孤子脉冲串，能够实现直接放大。本发明并以4级放大为例，实现了光孤子脉冲串的周期放大，以实现光孤子脉冲串的长距离传输。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。