光子晶体光纤中40Gbit/s光孤子传输系统的数值研究

论文摘要

由于光子晶体光纤新颖、灵活的特性突破了传统光纤光学的局限,大大拓展了光子晶体光纤的应用范围,并为克服传统光纤发展中的一些技术障碍提供了可能的解决途径。如利用光子晶体光纤可变的色散特性和强非线性效应,易实现孤子传输;又如充分发挥光子晶体光纤的弯曲损耗小、可传送大功率能量等优势,更适用于深海通信。如何实现长距离大容量的信息传输正是目前深海通信、深海探测等领域急需解决问题。本论文设计并数值模拟了光子晶体光纤中40Gbit/s孤子传输系统,为实现超长距离、超大容量新型通信系统提供理论支撑,以满足未来深海探测、深海通信系统的升级、换代的需求。论文综述了海洋的各种通信方式,包括无线声波通信、电通信、光孤子通信,特别是光子晶体光纤在孤子通信中的应用研究进展。指出未来适用于深海探测、深海通信的最佳方式之一就是采用新型光子晶体光纤为传输媒介、以光孤子为载体的光纤孤子通信系统。利用分步傅立叶方法数值计算了广义非线性薛定谔方程,从孤子脉冲传输和啁啾演变两个方面分析了40Gbit/s孤子系统的传输性能,及其各种效应对系统的影响;利用分步傅立叶方法数值计算了广义耦合非线性薛定谔方程,计算了飞秒孤子俘获现象,分析了光子晶体光纤中偏振复用孤子系统传输的可能性。本论文创新性工作如下:1)基于光与光纤介质相互作用机理,创建了啁啾研究方法。在光子晶体光纤中,从啁啾入手,推导了孤子形成的条件;针对飞秒孤子传输,推导了三阶色散产生的啁啾;并数值计算了群速度色散、自相位调制、三阶色散、自陡峭、脉冲内拉曼散射等效应产生的总啁啾;通过啁啾演变揭示了孤子传输时各种效应的作用及其相互作用的机理。并且,推导了偏振复用孤子系统中交叉相位调制效应产生的啁啾,分析了偏振模色散和交叉相位调制效应的相互作用所致啁啾演变的特性,进而解释偏振复用孤子的传输特性。2)利用分布傅立叶变化法,采用Matlab语言,编写了光子晶体光纤中单脉冲传输、系统中128bit脉冲序列的最大传输距离和眼图、在线同步调制和滑频滤波器补偿系统的程序。3)对光子晶体光纤中飞秒孤子传输的特性进行研究,获得了设计光子晶体光纤中孤子通信系统的有价值的数值解法。计算了理想孤子的传输的条件;数值分析了在传输中高阶色散效应、自陡峭效应、脉冲内拉曼散射效应、初始啁啾对孤子传输的影响:模拟了各种效应同时作用孤子的真实传输状态。并且,通过对光子晶体光纤中孤子脉冲传输的数值计算,发现了光子晶体光纤能够压缩脉冲,而且可获得压缩比较高、底座较小的窄脉冲。4)数值计算模拟了光子晶体光纤中40Gbit/s孤子传输系统,利用误码率和眼图对系统传输性能进行了评价。重点分析了系统传输最大距离和眼图在随偏振模色散的作用、群速度色散作用和脉冲占空比的变化;根据各种效应所致啁啾,为了优化系统性能,提出了两种系统的补偿方法,即利用同步调制和滑频滤波的方法对系统进行补偿,补偿效果非常明显。5)根据耦合的广义非线性薛定谔方程,利用分步傅里叶方法,研究了高阶非线性和高阶色散对孤子俘获的作用效果及其域值的影响。发现由于PCF具有较高的模式双折射度,飞秒量级的初始孤子脉冲可实现孤子俘获,分析了光子晶体光纤中实现偏振复用孤子系统的可能性。

论文目录

• 中文部分
• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 海洋通信的研究现状
• 1.1.1 水声通信技术
• 1.1.2 水下专用电缆通信技术
• 1.1.3 光纤通信技术
• 1.2 光纤通信的研究现状
• 1.3 孤子理论的研究现状
• 1.4 光孤子通信的研究现状
• 1.5 光子晶体光纤及其孤子传输的研究现状
• 1.5.1 光子晶体光纤的研究进展
• 1.5.2 光子晶体光纤中孤子产生及传输的研究进展
• 1.6 选题意义、主要研究内容及其创新点
• 1.6.1.意义
• 1.6.2.论文的研究内容
• 1.6.3.创新点
• 第二章 光子晶体光纤中光孤子的产生
• 2.1 光子晶体光纤
• 2.1.1 PCF的导光原理
• 2.1.2 PCF的无截止单模特性
• 2.1.3 PCF的损耗特性
• 2.1.4 PCF的色散特性
• 2.1.5 PCF的非线性特性
• 2.1.6 PCF的双折射特性
• 2.1.7 PCF的抗弯曲能力
• 2.2 光孤子脉冲传输的一般理论
• 2.3 孤子形成的物理机制-啁啾
• 2.3.1 啁啾的概念
• 2.3.2 群速度色散所致啁啾
• 2.3.3 自相位调制所致啁啾
• 2.3.4 总啁啾
• 2.4 本章小结
• 第三章 光孤子传输系统的控制方法
• 3.1 光孤子通信系统及其特征参量
• 3.1.1 光孤子通信系统
• 3.1.2 系统主要参数
• 3.2 平均孤子传输
• 3.3 动态孤子传输
• 3.4 绝热孤子传输
• 3.5 色散管理孤子传输
• 3.6 本章小结
• 第四章 光子晶体光纤中孤子演变特性研究
• 4.1 数值方法
• 4.1.1 有限差分法
• 4.1.2 光束传播法
• 4.1.3 分布傅立叶方法
• 4.1.4 分布傅立叶方法的实施
• 4.2 光子晶体光纤中孤子演变
• 4.2.1 理论模型
• 4.2.2 数值计算与分析
• 4.3 高阶色散和高阶非线性所产生的啁啾
• 4.3.1 高阶色散产生的啁啾
• 4.3.2 高阶非线性产生的啁啾
• 4.3.3 高阶色散和高阶非线性综合作用产生的总啁啾
• 4.4 光子晶体光纤中脉冲压缩
• 4.4.1 理论模型
• 4.4.2 数值模拟结果与讨论
• 4.4.3 结论
• 4.5 本章小结
• 第五章 光子晶体光纤中40Gbit/s孤子传输系统数值模拟
• 5.1 系统模型
• 5.1.1 光孤子通信系统的基本组成
• 5.1.2 系统模型
• 5.1.3 影响光纤孤子传输特性和传输容量的主要因素
• 5.1.4 系统评价
• 5.1.5 孤子的传输方程
• 5.2 偏振模色散的理论
• 5.2.1 偏振模色散的产生及特性
• 5.2.2 偏振模色散对通信系统的影响
• 5.3 40Gbit/s系统传输性能分析
• 5.3.1 偏振模色散的作用
• 5.3.2 群速度色散的作用
• 5.3.3 占空比对系统传输的影响
• 5.3.4 系统传输眼图
• 5.4 40Gbit/s补偿系统传输性能分析
• 5.4.1 滑频滤波器
• 5.4.2 同步调制技术
• 5.4.3 补偿系统的眼图
• 5.5 本章小结
• 第六章 偏振复用孤子通信系统
• 6.1 偏振复用孤子系统分量传输的耦合波方程
• 6.2 高双折射光子晶体光纤中孤子自俘获的研究
• 6.2.1 传输方程
• 6.2.2 u和v两分量在PCF中的传输
• 6.2.3 阈值
• 6.2.4 结论
• 6.3 偏振复用系统中的啁啾
• 6.3.1 非线性啁啾
• 6.3.2 群速度色散导致的啁啾
• 6.3.3 数值计算与讨论
• 6.3.4 结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 英文部分
• Abstract
• Contents
• Chapter 1 Introduction
• 1.1 The recent researches of ocean communication
• 1.1.1 Underwater acoustic communication technique
• 1.1.2 The communication technique of underwater especial cables
• 1.1.3 Optical fiber communication technique
• 1.2 The developments of optical fiber communication
• 1.3 The developments of soliton theory
• 1.4 The recent researches of optical solitons communication
• 1.5 The developments of the PCF
• 1.5.1 The research progress of PCF
• 1.5.2 Research progress of soliton generation and propagation in PCF
• 1.6 Thesis works
• 1.6.1 The importance of the works
• 1.6.2 Thesis works
• 1.6.3 Author's main contributions
• Chapter 2 Generation of the optical solitons in the PCF
• 2.1 Photonic crystal fibers
• 2.1.1 The light wave propagation principle in the PCF
• 2.1.2 Endlessness single-mode characteristic of PCF
• 2.1.3 Loss property of PCF
• 2.1.4 Dispersion property of PCF
• 2.1.5 Nolinear property of PCF
• 2.1.6 High birefringence of PCF
• 2.1.7 Bent-resistant ability of PCF
• 2.2 A general theory of optical soliton propagation
• 2.3 The physical mechanism of soliton formation-chirp
• 2.3.1 The conception of chirp
• 2.3.2 Chirp induced by GVD
• 2.3.3 Chirp induced by SPM
• 2.3.4 The resultant total chirp
• 2.4 The summary
• Chapter 3 The Control Method of Transmission System For Optical Soliton
• 3.1 Optical soliton communication system and its characteristic parameters
• 3.1.1 Optical soliton communication system
• 3.1.2 System parameters
• 3.2 Average soliton transmission
• 3.3 Dynamic soliton transmission
• 3.4 Adiabatic soliton transmission
• 3.5 Dispersion-managed soliton transmission
• 3.6 The summary
• Chapter 4 The research of the characteristics of the soliton evolution in PCF
• 4.1 The numerical method
• 4.1.1 The finite difference method
• 4.1.2 The beam transmission method
• 4.1.3 The split-step Fourier method
• 4.1.4 Split-step Fourier method actualizing
• 4.2 The evolutions of solitons in the PCF
• 4.2.1 Theory model
• 4.2.2 Numerical study and analysis
• 4.3 The chirp caused by high order dispersion and nonlinear effect
• 4.3.1 Chirp caused by high order dispersion
• 4.3.2 Chirp caused by high order nonlinear effects
• 4.3.3 Net chirp by high order dispersion and nonlinear effects
• 4.4 Study of pulse-width compression based on PCF
• 4.4.1 Theory
• 4.4.2 Results of numerical modulations and discussions
• 4.4.3 Conclusion
• 4.5 The summary
• Chapter 5 The simulation of the 40Gbit/s soliton transmission system in PCF
• 5.1 System Model
• 5.1.1 Basic parts of the optical soliton communication system
• 5.1.2 System model
• 5.1.3 The main influential factors to soliton transmission characters and capacity
• 5.1.4 System estimate
• 5.1.5 Soliton transmission equation
• 5.2 Theory of PMD
• 5.2.1 Cause and Character of PMD
• 5.2.2 Effect of PMD to communication system
• 5.3 Analysis of transmission performance in a 40Gbit/s system
• 5.3.1 Effect of PMD
• 5.3.2 Effect of high order dispersion
• 5.3.3 Effect of duty cycle ratio to transmission
• 5.3.4 Eye pattern of system transmission
• 5.4 The analysis on 40Gbit/s compensating system transmiting performance
• 5.4.1 Sliding frequency filter
• 5.4.2 Synchronic modulation technology
• 5.4.3 The control of system eye pattern
• 5.5 The summary
• Chapter 6 Communication system of the polarization divided soliton
• 6.1 Coupling between polarization components of the same wave
• 6.2 Soliton self-trapping generation by femtosecond pulse in the highly birefringent PCF
• 6.2.1 Propagation equations
• 6.2.2 The evolutions of u and v components in PCF
• 6.2.3 The threshold
• 6.2.4 Conclusion
• 6.3 Evolution of sum-chirp in polarization multiplied communications system
• 6.3.1 The nonlinear chirp
• 6.3.2 The group velocity dispersion chirp
• 6.3.3 Analysis and discussion
• 6.3.4 Conclusion
• 6.4 The summary
• Chapter 7 General discuss and future development
• References