自由空间光通信系统中光脉冲展宽问题的研究

针对自由空间光通信系统,分析了大气色散、大气湍流以及光学系统对光脉冲信号展宽的影响。给出理论分析、计算与仿真结果。证明了大气色散是引起脉冲展宽的主要因素,在某些条件下是不能忽略的。     

色散渐减光纤中的脉冲展宽研究

讨论了高斯脉冲在五种不同群色散剖面光纤中的传播特性和初始啁啾对脉宽的影响。结果发现:与单模光纤相比,色散渐减光纤(DDF)中的脉冲展宽较慢,并能有效抑制展宽,当β2C>0时,脉冲展宽速度与无啁啾时相比较快,当β2C<0时,脉冲有一初始窄化过程,不同群色散函数对啁啾脉冲有不同的影响。     

飞秒脉冲在硅波导中产生超连续谱的研究

利用非线性薛定谔方程对飞秒脉冲在硅波导中的传输以及超连续谱的产生进行了研究,计算和分析了色散参量及非线性损耗在超连续谱的产生过程中的影响.结果表明,孤子分裂是飞秒脉冲在硅波导中产生超连续谱的主要机理.飞秒脉冲中心波长与波导零色散点的相对位置对超连续谱的产生有极大影响.当中心波长位于近零色散点的反常色散区时,孤子分裂现象最明显,谱宽远大于在零色散波长及正常色散处入射时的情况,并且达到稳定展宽所需波导长度最短.其次,高阶色散的大小也会影响光谱展宽,三阶色散绝对值较小时,能够获得较大的展宽.另外,由于双光子吸收效应带来大量损耗,限制了谱宽,并且随着初始脉冲功率的逐渐增大,展宽出现饱和现象. 关键词： 超连续谱 孤子分裂 色散 硅波导     

基于全正色散光子晶体光纤的超连续谱光源

利用预估校正分步傅里叶法数值求解非线性薛定谔方程, 模拟超短激光脉冲在全正色散光子晶体光纤中传输时的演化情况, 分析了不同脉宽和能量的脉冲对产生的超连续谱的影响. 结果表明: 无啁啾高斯脉冲在此全正色散光子晶体光纤中传输时, 始终保持单个脉冲特性, 提高脉冲峰值功率可进一步展宽获得的超连续谱.模拟结果同时表明, 利用中心波长为1060 nm, 脉宽和能量分别为50 fs, 15 nJ的脉冲抽运此光纤, 当传输12 cm 后便可获得具有较好的光谱连续性和光谱平坦度的超连续谱. 进一步模拟结果表明, 采用棱镜对对其进行脉冲压缩, 可获得脉宽约15 fs, 谱宽约700 nm的理想超连续谱光源. 关键词： 超连续谱 光子晶体光纤 全正色散     

全波段正常色散光子晶体光纤中超连续谱的产生

设计了一种铅硅酸盐SF57 材料的光子晶体光纤, 利用有限元法数值模拟了该光纤的 色散特性. 研究结果显示在整个透明波段光纤具有正常色散. 利用自适应分布傅里叶法求解非线性薛定谔方程, 对中心波长为1550 nm, 初始脉宽为150 fs 的脉冲在该光纤中传输进行了模拟, 获得了关于入射脉冲中心波长对称的展宽范围超过了600 nm 的超平坦连续光谱, 并且光谱具有极其稳定和 相干的特性. 关键词： 光子晶体光纤 超连续谱产生 正常色散     

飞秒孤子在色散渐增光纤中谱压缩的数值分析

通过数值求解修正了的广义非线性薛定谔方程,研究了孤子在色散渐增光纤中的谱压缩进程.详细分析了入射脉冲峰值功率对输出脉冲的谱宽和中心波长的影响,并描述了脉冲的脉宽、谱宽及啁啾在光纤中的演化过程.计算结果表明,脉宽200fs、中心波长1550nm的基孤子在群速度色散从-1ps2/km至-11ps2/km线性变化的长100m的色散渐增光纤中传输时,脉冲谱宽由12.6nm压缩至5.2nm,即可获得最大压缩比为2.42.     

周期极化LiNbO3脉冲走离效应分析

 建立了包含高阶群速色散的OPCPA 数值模拟程序，并以准相位匹配的周期极化的LiNbO₃(PPLN)参量放大器为例，在信号光是中心波长1 053 nm，脉宽100 fs的飞秒脉冲经展宽器展宽800 ps的啁啾脉冲，输入能量约0.6 nJ，泵浦光波长527 nm，脉宽3 ns，初始输入泵浦光强300 MW/cmLiNbO²，PPLN晶体的非共线角1.49°，极化周期9.7 μm的条件下， 对OPCPA过程前级的高阶群速色散引起的走离效应对泵浦光、信号光频谱和脉冲形状的影响等具体特性进行了数值模拟。结果表明：在合适的晶体长度下，高阶群速色散对参量转换效率的影响不大，但它对输出信号光的时间波形和频谱有较大影响，会引起脉冲时间形状畸变和频谱漂移。     

超短脉冲激光经透射型体Bragg光栅的时域特性

利用Kogelnik耦合波理论对超短脉冲激光经透射型体Bragg光栅的时域衍射特性进行了研究,讨论了透射型体Bragg光栅的群延迟色散和光栅结构参数之间的关系,分析了群延迟色散和频谱剪切对衍射脉冲时域强度分布的影响.结果表明:当入射超短脉冲脉宽为100fs时,经透射型体Bragg光栅衍射后的脉冲展宽主要源自光栅对入射脉冲的频谱剪切,当入射超短脉冲脉宽为10fs时,衍射脉冲的展宽量不仅受频谱剪切的影响,而且与光栅的群延迟色散密切相关.     

大气湍流下带有跟踪误差的空间相干光通信性能分析

在星地链路的空间相干光通信系统中,大气湍流、跟踪误差会影响系统的混频效率和误码率.根据混频效率公式分别推导了大气湍流强度和跟踪误差与系统混频效率的关系并进行仿真计算.计算结果表明,混频效率随跟踪误差和大气湍流强度的增加而降低,其中当跟踪误差大于12μrad或湍流强度超过10-16时,混频效率趋近零.建立了大气湍流下带跟踪误差的光混频效率及误码率的数学模型,并计算了不同情况下的混频效率.在跟踪误差小于2μrad时大气湍流是混频效率的主要影响因素,当跟踪误差继续增大时跟踪误差起主导作用.根据传统相干光通信系统参量取值估算得最大混频效率约为67.8%,当误码率为10-9时系统接收灵敏度为17photon/bit.     

利用锁模光纤激光器在色散位移光纤中产生超连续谱的研究

采用主动锁模光纤激光器输出的重复频率10GHz、脉宽7．97ps的脉冲作为抽运光源,无需压缩后直接抽运4．2km的普通色散位移光纤(DSF)．利用色散位移光纤中自相位调制、交叉相位调制等非线性效应的联合作用,获得了20dB带宽达125nm、覆盖整个C波段、L波段和部分S波段的超连续(SC)谱。实验研究了抽运光脉冲峰值功率和抽运波长对超连续谱宽度的影响,结果表明抽运光脉冲峰值功率越高,得到的超连续谱的带宽越宽;通过对抽运波长的优化,可以实现最大程度的超连续展宽;分析了滤波器带宽对脉冲质量的影响;利用0．4nm带宽的可调谐滤波器对从超连续谱中滤出脉冲的特性进行了研究,在超连续谱的不同波长处获得了脉宽为8．90～9．80ps、时间一带宽积为0．44～0．49的稳定的窄光脉冲。     

Analysis of temporal broadening of optical pulses by atmospheric dispersion in laser communication system

In this paper, pulse broadening caused by atmospheric dispersion is analyzed, which is the key factor in high-speed and long-distance free space laser communication systems according to our simulation. The measured datum of atmospheric parameters, including atmospheric pressure and atmospheric temperature of the desert in Xinjiang, China, is used in the analysis of pulses broadening. The pulse broadening caused by atmospheric dispersion is very significant when pulsewidth is on the order of 5 ps, and pulse broadening is negligible if the pulsewidth is larger than 20 ps. With the increment of optical wavelength, atmospheric dispersion-induced pulse broadening is mitigated. The received pulsewidth is dominated mainly by dispersion-induced pulse broadening at small duty ratio of original signal, and original pulsewidth at large duty ratio of original signal respectively. By selecting proper duty ratio of optical pulse, the received pulsewidth can be minimized and the system bit rate can be maximized.     

Quantum Dot Versus Quantum Well Semiconductor Optical Amplifiers for Subpicosecond Pulse Amplification

The performance of quantum well and quantum dot semiconductor optical amplifiers was theoretically investigated. The effects on subpicosecond pulse propagation due to gain and refractive index dispersion, calculated using a microscopic polarization equation and a reduced wave equation in the linear regime including the background refractive index dispersion, were used in the comparison. In particular, the spectral shift and phase modulation imposed on the pulse were compared. It is shown that quantum dot amplifiers suffer comparable spectral shifts to the quantum well amplifier, strong linear frequency chirp and large pulse broadening. In quantum dot amplifiers with small inhomogeneous broadening, similar pulse break-up is shown as that calculated for the quantum well amplifier. In quantum dot amplifiers with large inhomogeneous broadening, the background refractive index dispersion makes the linear frequency chirp the dominant feature. In the light of our calculations, the advantages and disadvantages of quantum dot and quantum well amplifiers are discussed.     

大气色散效应对信标应用的影响研究

计算了由于大气色散效应造成的信标光与发射主激光的实际天顶角之间的角间距 ,其中考虑了天气条件、地理位置、发射天顶角和信标波长等影响因素。结果表明 :发射天顶角和信标波长对信标偏离角间距的影响较大 ,而天气条件和地理位置的影响相对较小。发射天顶角越大 ,角间距越大。信标波长应尽量靠近发射光波长 ,同时 ,应优选波长大于发射光的信标。     

532nm激光照射碳纳米管光场致发射电子枪(英文)

报道了碳纳米管光场致发射电子枪的初步研究结果。在532nm激光照射下碳纳米管光场致发射电子枪在极间高压为27kV时得到的最大的脉冲流强可以达到3.364A,其脉冲电流发射密度可达6.728A/cm2,对应脉冲电荷量为38.7nC。碳纳米管的量子效率通过公式计算为3.73×10-5,给出了在532nm激光照射下碳纳米管光场致发射电子枪发射电流随激光功率和极间电压的变化关系。     

Gamma-Gamma湍流信道中大气光通信系统误码特性分析

大气信道中的大气湍流是影响无线激光通信系统性能的主要因素之一, 其引起的强度闪烁效应会对接收信号的提取和还原造成很大干扰。基于Gamma-Gamma概率分布的大气湍流信道统计模型, 研究了利用副载波相移键控(PSK)强度调制技术的大气光通信系统的误码特性; 推导了副载波二进制相移键控(BPSK)及开关键控(OOK)两种调制模式下的系统误码率表达式; 对在一定条件下的大气光通信系统, 比较了副载波BPSK和OOK两种调制模式的误码特性; 分析了链路特征、接收口径尺寸、通信波长和天顶角等因素对系统误码率的影响。结果表明, 增大接收孔径和通信波长都能有效地降低系统误码率, 而天顶角的增大则会使系统误码率增加, 副载波BPSK调制模式的误码特性要优于OOK调制模式的误码特性。     

Pulsed single-photon Bessel beams propagation in non-Kolmogorov turbulent atmosphere

The analytic expressions are derived for the turbulent broadening, the long-term temporal broadening, the acquisition probability of single-pulse and the transmittance probability density of a pulsed space-time Bessel photon-beam propagating along a slant path in weak non-Kolmogorov atmospheric turbulence, based on the assumption of a pulsed Bessel beam with the initial Gaussian temporal shape of pulse and diffraction-free spatial distribution. It is shown that the turbulent broadening and the long-term temporal broadening are the nolinear-increase functions of the index of non-Kolmogorov turbulence and the effect of non-Kolmogorov index on the acquisition probability of single-pulse can be approximatively described by a Gaussian function with a peak value at non-Kolmogorov index close to 3.7 for the case of the input half-pulse width greater than picosecond (ps). The transmittance of probability density is decreasing as the increasing of the structure constant of the index of refraction, the zenith angle of communication channel, the propagation path and the pulse broadening. There is turbulent diffraction for Bessel beam propagation in turbulent atmosphere, but its free-space diffraction-free characteristic is reservation.     

光子数分束攻击对星地量子密钥分配系统安全的影响

由于仪器设备性能的不完美和信道传输损耗的存在,光子数分束(PNS)攻击对采用弱相干脉冲(WCP)光源的量子密钥分配(QKD)系统的安全性构成重大威胁.以基于WCP光源的星地QKD系统为研究对象,推导了在PNS攻击者采用最佳窃听策略进行窃听时,保证密钥绝对安全的最大天顶角和可采用的平均光子数之间的关系.理论分析和计算结果表明,星地QKD系统的最大安全传输天顶角和可使用的平均光子数等重要系统参数的取值上限均受PNS攻击的限制,最终系统的密钥交换速率和系统容量受到限制.对星地QKD系统的传输容量来说,天顶角和平均光子数是一对矛盾的影响因素.提供了一种对实际星地QKD系统的天顶角和平均光子数参数进行估算的方法.     

Polarization fluctuations of single photon states in a slant channel with non-Kolmogorov turbulence

Polarization properties of single photon states propagating through the non-Kolmogorov turbulence in a slant channel are studied based on the degree of polarization of quantum field. The degree of polarization of single photon states for linearly polarized quantum beam propagation in a slant turbulent channel are developed. Our results show that the effects of the outer scale fluctuations of atmospheric turbulence and the wavelength difference of the beams on the polarization can be ignored and the smaller inner scale of turbulence and larger zenith angle of communication channel will lead to larger fluctuations of the polarization of single-photon states. The effects of the inner scale of turbulence on polarization of single photon states are more significant for bigger refractive-index power and bigger zenith angles.     

基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发

相比于离散变量量子密钥分发,连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势,但是在安全传输距离上却略有不足.尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能,尤其在安全传输距离方面有着显著的提升,然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知.鉴于上述分析,本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案,试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能.研究结果表明,在相同参数下,当优化量子催化引入的透射率T,相比于原始四态调制协议,所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能.特别是,对于可容忍过噪声为0.002,量子催化可将安全通信距离突破300 km,密钥率为10^-8bits/pulse,而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果.此外,为了彰显量子催化的优势,本文给出了点对点量子通信的最终极限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi边界,仿真结果表明,虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界,但是相比于前者,后者能够在远距离通信上逼近于这种边界,这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据.     

光源稳定性对简并四波混频信噪比影响的实验研究

在碘蒸气中研究了染料激光稳定性对简并四波混频(DFWM)信噪比的影响。实验中采用多模Nd∶YAG激光器倍频的输出泵浦染料激光器(染料PM580溶于酒精)。在具有前向补偿分光系统和图像探测系统的帮助下,在常温常压条件下测得泵浦光在波长为554.013 nm时达到饱和光强为290 μJ。同时发现染料激光器的光稳定性(输出波长范围,光束质量和能量转换效率等)随使用时间,泵浦激光脉冲次数和能量的增加而逐渐减弱。另外通过对比发现在染料激光器输出不稳定时,光源单色性和指向性等指标的变化导致在同一泵浦强度不同时刻获得的DFWM信号强度相差很大,且DFWM信号信噪比低。染料激光器光源稳定性对DFWM信号影响的研究结果对物质的痕迹量探测以及无荧光物质光谱定标等方面的应用具有重要意义。