基于高非线性PCF中SSFS效应的波长变换技术研究

　　0　引言

　　高非线性光子晶体光纤(PCF)是一种包层周期性排列、由微米量级空气孔及实硅芯构成的新型光纤,具有无尽单模、高非线性、色散可控等传统光纤不可比拟的特点。近年来,人们对利用高非线性PCF实现全光信号处理开展了大量的研究,这种利用光纤中的非线性效应实现的信号处理不需要“光-电-光”的转换,且具有超快、高效转换的特点,可广泛地应用于光交换网络中,因而高非线性PCF成为当前光纤非线性效应应用领域研究的热点。全光波长变换器是光交换网络中一种关键的功能器件[1〗,利用波长变换可以实现网络中的虚拟波长通道,提高波长的重用率,提高网络的灵活性和可扩展性。已有研究人员利用光纤中的自相位调制,交叉相位调制,四波混频等非线性效应实现了波长变换。SSFS效应早在1986年就被发现[2],它是孤子脉冲在光纤中传输时受到脉冲内拉曼散射的影响,使得脉冲的高频能量不断被抽运至低频的现象,从而实现波长变换。但是,由于这种效应要求输入脉冲为孤子,脉冲宽度较小(小于1 ps),因此,在早期飞秒激光器技术还不成熟的条件下研究较少,近年来锁模激光器的成功应用,使得SSFS又成为人们研究的热点。利用孤子自频移实现波长变换有很多潜在的应用,如用于可调谐飞秒脉冲激光器[3],超快全光开关[4],异步全光自信号识别及解复用[5]等。研究者们利用SSSF对波长变换进行了实验研究,但未见系统的理论研究报道。本文从理论上分析了高非线性PCF中的SSFS效应,研究了利用其实现高转换效率的波长变换的影响因素,指出了在实际应用中的参数优化。

　　1　对SSFS的理论分析

　　1.1　SSFS的机理

　　光纤中孤子自频移效应,其本质为光纤中的受激拉曼散射[6],对于脉宽约为1 ps或更短的入射脉冲,其谱宽非常宽,而脉冲的蓝移谱分量可作为泵浦,通过拉曼增益有效地放大该脉冲的红移分量。当此过程在光纤中连续进行时,能量不断从蓝移分量转移到红移分量,这种能量的转移就表现为孤子频谱的红移,这就是我们所说的孤子自频移。利用逆散射法分析皮秒脉冲在光纤中传输的非线性薛定谔方程[6],其中u为归一化振幅,ξ为归一化传输距离,τ为归一化传输时间,参量δ3,s和τR分别描述三阶色散、自抖效应和脉冲内拉曼散射,当脉宽远大于1 ps时这三种高阶非线性效应的影响可以忽略,而对于飞秒脉冲却很明显。

如果仅考虑τR对方程的影响,忽略δ3和s,可以推导出孤子脉冲在光纤中传输时频率变化与光纤参数及输入脉冲参数之间的关系式:

　　其中,ν为孤子脉冲频率,z为传输距离,β2为二阶色散参数,T0为孤子脉冲的宽度。由此可知,除了孤子脉冲的能量会增强这种非线性效应之外,随着孤子脉冲在光纤中传输的距离增大,频移也逐渐增大,而且应当呈现出线性变化趋势;另外,大负色散以及较小的初始脉冲宽度也对频移有很大的贡献。其中,初始脉冲宽度对于孤子自频移的影响极大,而大负色散对于脉冲的压缩作用也间接影响着频移的大小。