自助下单地址（拼多多砍价，ks/qq/dy赞等业务）：点我进入

投稿人|叶军

论文题目|从光谱展宽到再压缩：非相干光波在光纤中传播的动力学

作者|叶军、马晓雅、张扬、徐江明*、张汉伟、姚天福、冷金勇、周朴*

完成单位 | 国防科技大学

论文介绍

光纤中色散与非线性效应的相互作用是非线性光纤领域的基础研究课题，而研究光场在光纤中的传输是揭示色散与非线性效应相互作用的一种简单有效的手段. 国防科技大学周朴研究员团队8月4日在PhotoniX上发表了题为From spectral broadning to recompression: dynamics of incoherent optical waves propagating in the fiber的论文，对非相干准连续光进行了理论和实验研究。 在光纤正常色散区域的传输特性中，报告了一种独特的光谱演化现象——先展宽再压缩。 这种光谱演化趋势不依赖于初始光谱宽度，不同于相干光脉冲在光纤中传输的光谱演化特性，也不同于部分相干准连续拉曼激光器在光纤中的传输特性。 研究光场传输的动态过程表明，光谱再压缩是由群速度色散辅助的反四波混频效应引起的。 这项工作有助于提高对光纤中具有不同统计特性的光场传播的物理理解。

研究背景

色散和非线性在光纤器件和系统中起着非常重要的作用。 例如，色散引起的脉冲展宽限制了光纤通信系统的容量； 自相位调制和四波混频等非线性效应可能导致光谱展宽和通道串扰，这对窄线宽光纤激光器产生和光纤通信等应用具有重要意义。 是不利的。 当光场在光纤中传输时，通常会同时受到色散和非线性效应的影响。 色散和非线性效应的相互作用导致非线性光纤领域出现许多有趣的现象。 例如，光孤子通过色散和非线性的精确平衡传输，以及各种非线性效应和色散相互作用产生的超连续谱等。研究光场在光纤中的传输是一种简单有效的揭示方法。色散和非线性相互作用。 在此之前，超短脉冲的传输已被广泛研究，各种类型的光孤子和新颖的非线性效应相继被报道。 近年来，部分相干准连续激光在光纤中的传输也受到关注。 2015 年，阿斯顿大学的 SK Turitsyn 研究了拉曼激光在光纤中的传输特性，并报告了一种新的非线性效应——逆四波混频。 这是一个极具指导意义的进步，但如何将光场在光纤中的传输扩展到更普遍的情况仍然是一个悬而未决的问题。 众所周知，入射光的统计特性在光场传输中起着重要作用。 超短脉冲相干光的传输已被广泛研究，部分相干准连续光的传输近年来也受到更多关注。 然而光纤光谱仪区别，非相干准连续光（如热光源和自由运行激光器等）在光纤中的传输特性和动力学还有待进一步研究。

技术突破

本文首先从理论上研究了在光纤正常色散区传播的非相干准连续光的光谱演化特性。 理论计算表明，无论初始注入的谱宽如何，其演化趋势总是相似的——先展宽后展宽（尽管较宽的谱线没有明显变化）。 图1(a)显示了线性坐标下的输入频谱、演化过程中的最宽频谱以及长距离传输后的稳态输出频谱，图1(b)显示了对数坐标下的频谱。 初始半峰全宽为 0.1 nm 的光谱（图 1(a) 左侧）在传输距离约为 2 km 时显示出明显的展宽。 随着传输距离的进一步增加，频谱的尾部几乎没有变化，而中心部分开始压缩。 初始半峰全宽为0.5 nm的光谱（图1（a）右）在传输过程中也产生类似的演变，但光谱变化不明显，光谱再压缩长度（光谱开始时的传输长度）压缩）向前移动到大约 350 m。 图1(c)和图1(d)分别为光谱半峰全宽和均方根线宽的展宽因子（光谱线宽展宽因子定义为输出光谱线宽与输入光谱线宽之比，即Δλout /Δλin )随着传输长度的演化趋势，结果表明，初始谱宽越宽，谱的最大展宽因子越小，谱再压缩长度越短（越靠近输入端）。

图 1 理论计算光谱演化。 (a) 线性坐标光谱，(b) 对数坐标光谱； (a-1)和(b-1)初始注入光谱的半峰全宽为0.1nm，(a-2)和(b-2)初始注入光谱的半峰全宽为0.5nm。 蓝线、红线和橙线分别代表输入光谱、演化过程中最宽的光谱、远距离传输后的稳态输出光谱； (c) 和 (d) 分别表示光谱半峰全宽和均方根线宽的展宽，因子是传输长度的函数。 上述所有计算中的输入功率均为 1.2 W。

本文进而分析了上述演化现象背后的动力过程。 非相干光场的频率分量之间没有相位相关性，因此其时域特性表现为一系列随机波动。 倍的平均功率。 以宽度为0.1 nm的初始光谱为例，其时间波动的平均尺度约为16 ps。 图2(a)是输入光场的时频图，可以近似看作是200 ps范围内的两个“啁啾脉冲”。 随着传输长度的增加，自相位调制效应导致脉冲前沿发生频率红移，脉冲后沿发生频率蓝移。 同时，群速度色散效应使红移分量移至脉冲前沿，蓝移分量移至脉冲后缘，脉冲展宽并产生频率啁啾（图2（b））。 随着传输长度的进一步增加，前一个脉冲后沿的蓝移分量在时域上与后一个脉冲前沿的红移分量在时域上重叠，并发生逆四波混频效应，导致时频图形状模式中的桥（图 2（c）白色虚线框）。 反四波混频效应消耗蓝移和红移分量并产生中心频率分量（图2（d）红色虚线框），导致频谱再压缩。 继续增加传输长度，由于光纤损耗的存在，非线性效应逐渐减弱，光谱演化以群速度色散为主。 时域中相邻的“脉冲”频繁交换能量，而谱宽几乎没有变化。 时频特性 的演化达到稳定状态（图2（e）和图2（f））。

图2 光纤正常色散区非相干准连续光传输的动态过程。 (a)~(f)为不同传输长度下的时频图： (a) 输入端； (b) 0.6 公里； (c) 1.2公里； (d) 2 公里； (e) 5 公里； (f) 35 公里。 时频图上方的插图表示光场的时域特性。

意见检讨

比较不同统计特性的光场在光纤正常色散区的传输特性可以发现，相干光超短脉冲表现出单调且逐渐减弱的光谱展宽，没有初始线性调频，这是由自相位调制和它是由群速度色散相互作用引起的（图3（a））； 而部分相干的准连续光具有足够强的相位相关条件，在传输的初始阶段会出现反四波混频效应，从而表现出单调且逐渐减弱的光谱压缩（图3（b））； 非相干准连续光的演化过程与上述两者不同光纤光谱仪区别，在传输的初始阶段，自相位调制和群速度色散效应使光谱展宽，同时群速度色散引起红移和蓝移分量在时域上重叠，进而辅助反四波混频效应的发生，使频谱重新压缩变窄（图3（c））。 结合以往的相关报道，该工作将光场传输的光谱演化扩展到更一般的情况，有助于加深对不同统计特性光纤中光场传输物理过程的理解。

图3. 光纤正常色散区传输的不同光场的光谱展宽趋势与色散和非线性效应的关系。 (a) 相干光的超短脉冲（假设没有初始啁啾）； (b) 部分相干准连续光（假设输入光具有足够强的相位相关性）； (c) 非相干准连续光。

主要作者

叶军，2018年12月获国防科技大学工学硕士学位，现于国防科技大学前沿交叉学科学院攻读光学工程博士学位。 研究兴趣包括超荧光光纤源和随机光纤激光器。

徐江明，国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员、硕士生导师。 主要从事高功率光纤激光器的应用基础研究，在高功率非相干光纤光源及其应用方面取得多项成果。 以第一作者发表SCI论文16篇，合作发表SCI论文60余篇； 在国内外学术会议上作报告17次，其中Postdeadline报告3次，ASSL等国际会议特邀报告5次； 2019年“博信”计划资助对象，曾获得国际会议“青年科学家”等奖项，国家学会优秀奖（提名）等。

周朴，国防科技大学高等交叉学科学院研究员、博士生导师，“王大衡光学中青年科技奖”获得者，全国优秀博士论文作者。 目前主要从事光纤激光与光束合成领域的科研、教学和人才培养工作。 普与模型诊断取得创新成果。 光纤激光（PW）、ASSL、CLEO-PR、AFL、AOPC等国际会议程序委员会委员，第十二、十三届全国青联委员，被评为“全国好青年”。

本文来源