色散补偿及高阶孤子压缩啁啾光脉冲的理论与实验研究

利用半导体激光器的单模速率方程及超短光脉冲在光纤中传输的非线性薛定谔(NLS)方程，从理论及实验上研究了增益开关DFB半导体激光器出射的啁啾光脉冲在色散补偿光纤(DCF)及色散位移光纤(DSF)中的压缩过程与规律.实验上，从1.55μm增益开关DFB半导体激光器出射的重复频率为2.5GHz、脉冲宽度为53.8ps的光脉冲经色散补偿光纤压缩至12ps,而后利用色散位移光纤中的高阶孤子压缩效应将脉冲压缩至2.5ps.改变色散位移光纤参数及入射光功率后获得最窄光脉冲宽度为2.1ps.理论与实验结果符合. 关键词：     

温度对双向时分复用光纤时间传递精度的影响

理论推导了光纤链路双向时延差(TDEV)的稳定度与温度、双向时间间隔、波长间隔,以及距离的关系,并分析了温度对双向时分复用(TDM)光纤时间传递精度的影响。结果表明,随着温度变化幅度、双向时间间隔、以及传输距离的增加,双向TDM光纤链路时延差的稳定度逐渐变差。典型温度变化情况下,时间间隔小于100 ms时,3000 km双向TDM光纤链路时延差的稳定度优于1 ps/d。相同温度变化和距离的情况下,时间间隔小于100 ms的双向TDM光纤链路时延差的稳定度优于波长间隔为0.1 nm的双向波分复用(WDM)光纤链路。在实验室内,进行了双向TDM光纤时间传递实验。实验结果表明:室温环境下双向TDM光纤时间传递系统不对称偏差的均值随光纤长度(2 m~100 km)的变化小于29 ps,接近时间间隔测量仪器的噪底。100 km光纤双向TDM光纤时间传递的稳定度优于30 ps/s和20 ps/d。     

基于1085 km实地光纤链路的双波长光纤时间同步研究

在长距离高精度光纤时间同步系统中,为了减少后向反射光与光纤色散对传输精度的影响,本文在双波长光纤时间同步传输方法之上,提出了一种具有色散误差修正功能的双波长光纤时间同步传输方法.以自行研制的工程样机在长度约为800 km的实验室光纤链路上和1085 km的实地光纤链路上进行了实验测试,也是国内首次实现千公里级实地光纤时间同步传输.在实验室光纤链路上,测得传输链路色散补偿后的色散时延误差为10 ps,时间同步标准差为5.7 ps,稳定度为1.12 ps@105 s,不确定度为18.4 ps.在实地光纤链路上,测得传输链路色散补偿后的色散时延误差为60 ps,时间同步标准差为18 ps,稳定度为5.4 ps@4×10⁴ s,不确定度为63.5 ps.     

支持22个轨道角动量模式的低平坦色散微结构光纤

设计了一种可支持22个轨道角动量(OAM)模式传输的新型微结构光纤,该光纤具有低平坦色散、低损耗等优点,光纤中可支持的各个矢量模式之间有效折射率差值均大于10-4,对应的22个OAM模式都能够在纤芯中稳定传输。在1500~1600nm波段范围内,通过优化包层最内圈两层空气孔的物理参数,该光纤中可支持传输的模式色散均能控制在0~50ps·(nm·km)~(-1)范围内,HE71和EH51模式的色散变化值低于12.8ps·(nm·km)~(-1),其余模式的色散变化范围低于5ps·(nm·km)~(-1)。在1550nm波段处,该光纤所支持的所有模式损耗均低于1.35×10~(-9) dB/m。     

基于绝热孤子压缩效应的小基座孤子脉冲研究

高重复频率超短光脉冲产生技术是高速光时分复用(OTDM)系统的关键技术之一,而一般的超短脉冲源直接产生的脉冲往往不够窄,因此必须对光脉冲进行压缩后才能满足高速光通信系统的要求。采用360 m长的色散渐减光纤(DDF),成功将从再生锁模光纤激光器(RMLFL)输出的中心波长1546 nm、重复频率10 GHz、脉宽分别为5.40 ps和4.60 ps的光脉冲,绝热压缩为脉宽为1.93 ps和1.71 ps的小基座孤子脉冲,压缩因子分别为2.80和2.69。利用这种绝热孤子压缩方法得到的光脉冲质量较好,可以用于160 Gb/s的光时分复用系统。     

基于100km光纤链路的时间和频率同时传递

提出了一种基于光纤的时间和频率同时传递方案。采用基于温控光纤延迟线和压电陶瓷(PZT)光纤延迟线的光学相位噪声补偿技术实现高稳定的频率传递。同时,通过波分复用技术在稳定的光纤链路上进行基于时分复用的高精度同纤同波双向时间传递。在100 km的光纤链路上进行了时间和频率同时传递实验,光纤频率传递链路的秒稳定度和天稳定度分别达到5.25×10-14和1.9×10-17;双向时间比对在1 s处的时间传递秒稳定度优于40ps,在平均时间1000 s处优于1.5 ps。时间差抖动的峰-峰值和标准差分别小于400 ps和45 ps。     

微微秒超短脉冲的光学压缩

在研究了短光纤(L～L_w)中受激喇曼散射的斯托克斯脉冲对基波脉冲能量箝位效应的基础上进行了脉冲压缩实验。以高泵浦功率(P=1600W)注入长度为8.95m绿光单模光纤中,采用双光程的光栅对压缩结构,并引入空间频率窗口滤除自相位调制光谱的非线性啁啾部分,将40ps的锁模Nd:YAG倍频光脉压缩至<5ps。     

色散补偿和色散位移光纤实现光脉冲压缩

根据超短光脉冲在光纤中传输的非线性薛定谔方程，模拟了不同色散参量情况下色散补偿和色散位移光纤对增益开关半导体激光器产生的光脉冲的压缩，给出了光脉冲在经过色散补偿光纤前后的啁啾曲线。结果表明，使用色散参量D分别为-150，-180和-20ps/(nm·km)的色散补偿光纤可以实现其他脉冲压缩方法的压缩效果，最大压缩因子达到6.09，但色散参量越大，所需光纤长度就越短。此外，脉冲经过色散补偿光纤后线性啁啾几乎为零。还利用色散位移光纤对脉冲进行孤子压缩，脉冲宽度由最初的45ps减小到1.23ps。指出采用这2种光纤相结合的方法可以对光脉冲实现高效压缩。     

一种新型高非线性色散平坦光子晶体光纤结构

提出了一种新的高非线性色散平坦光子晶体光纤结构,引入了一个衡量非线性和色散平坦的品质因子δ。采用平面波展开法,研究了气孔尺寸对光子晶体光纤色散特性和非线性的影响。新结构在第一圈空气孔的中间插入六个附加小孔,使得光子晶体光纤有更小的有效模场面积,提高了光纤的非线性。通过控制第一圈和第三圈空气孔以及附加小孔的直径,使得该光子晶体光纤在大约330 nm的波长范围内,光纤的色散系数介于±0.5 ps/(km.nm)之间,在大约230nm的波长范围内,光纤的色散系数介于±0.1 ps/(km.nm)之间,在大约200 nm的波长范围内,光纤的色散系数D的值介于±0.05 ps/(km.nm)之间。光纤的有效模场面积为2.26μm2。衡量非线性和色散平坦的品质因子δ=11.8 ps.W/μm2。     

中心下陷的负色散光纤

利用非等温等离子体化学气相沉积成功制得了具有折射率中心下陷的负色散光纤 (RDF)。该光纤在保持较好的抗弯曲性能与偏振模色散的同时 ,有效面积达到 4 5 μm2 ,且在 15 5 0nm处的色散为 - 19.6 5ps/(nm·km) ,色散斜率为 - 0 .132ps/(nm2 ·km)。此外 ,通过优化光纤纤芯各层的掺杂原子浓度 ,在 15 30nm处光纤的氢损降到了0 .0 1dB/km。由负色散光纤与具有超大有效面积的非零色散位移光纤 (ULAF)组成的色散管理光纤对在 15 30nm到16 2 5nm波长范围内的色散斜率小于 0 .0 0 6ps/(nm2 ·km) ,且最大色散值小于 0 .2ps/(nm·km)。同时 ,15 5 0nm波长处的衰耗为 0 .2 2 4dB/km ,且在 15 30nm到 16 2 5nm波段范围内衰耗较为平坦。该色散管理光纤对可以在无需色散补偿模块的前提下应用于大容量高速率的长距离波分复用 (WDM)系统。     

从捕光天线到反应中心分子能量传递研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ中捕光天线LHCⅡ内Chla分子和β-Car分子传递光能到反应中心的时间特性,实验测得Chla分子用了25 ps,β-Car分子用了250 ps.理论研究得出:25 ps是相邻Chl分子之间随机转移传能的时间常数,250 ps是LHCⅡ内相邻β-Car分子,通过Chla分子单步FÖrster共振传递、Dexter电子交换机制、激子转移把能量转移到反应中心的总时间.理论计算与实验结果基本符合,激子随机转移传递激发能快而有效.     

混合分子聚集体有机纳米材料中相干与非相干皮秒脉冲累积光子回波

用双调制(斩波器和驻波调制器)和外差检测累积光子回波技术,研究了PIC-I和azaPIC-I混合分子集体有机纳米材料中一维Frenkel激子的位相弛豫过程.观测到激子失相时间T2随azaPIC-I克分子数的增大从60ps变为224ps.这与在含能量陷阱的分子聚集体中激子失相时间T2随陷阱的增加而变短的现象刚好相反.并且对在脉宽为4ps和相于时间为1ps的相干脉冲和非相干脉冲的不同激发条件下的实验结果进行了分析和讨论.     

从核心天线到反应中心分子传能研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ核心复合物内β-Car分子和Chla分子传递光能到反应中心的时间特性.实验测得,在CP47中的β-Car分子用了150 ps,Chla分子用了15 ps;在CP43中β-Car分子用了160 ps,Chla分子用了20 ps.利用超快光谱动力学实验曲线,理论计算出在核心天线中β-Car分子到Chla 662之间的能量传递速率为1.18×10¹²s^-1,β-Car分子到相邻β-Car分子之间按速率 1.14×10¹²s^-1传递能量.理论研究得出,在核心天线中β-Car分子接收到光能,以Dexter电子交换机制和Frster共振传能机制进行激发能传递,最后由Chla分子把能量传递到反应中心,在CP47中用了139 ps,在CP43中用了152 ps.理论研究表明,在核心天线中,Chla分子接收到光能之后,以随机转移方式将能量迅速传递到反应中心P680,在CP47中用了16.8 ps,在CP43中用了18 ps.理论研究与实验研究基本符合.     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。     

啁啾脉冲堆积用于光脉冲整形

报道了一种利用100 ps啁啾脉冲堆积产生2．2 ns任意整形脉冲的脉冲整形系统。采用掺Yb~(3 )光纤锁模振荡器得到稳定的锁模光脉冲序列,将该锁模脉冲通过啁啾光纤光栅展宽并通过1 nm带宽的高斯形光谱滤波器滤波,得到标准的100 ps高斯形啁啾脉冲序列,将此脉冲选单经过光纤延迟线组成的32路脉冲堆积器,得到了精度为32 bit的重复频率为1 Hz的2．2 ns任意整形光脉冲。研究了堆积脉冲的特性,分析了宽带啁啾堆积整形脉冲的光谱时间扫描特性对激光驱动惯性约束聚变打靶束匀滑的优化作用。实验测得了该系统输出的2．2 ns整形光脉冲具有小于50 ps的上升沿,与100 ps啁啾脉冲的时间抖动小于4 ps。     

Electrooptic prepulse suppression for fusion laser systems

We report on an effective electrooptic prepulse suppression technique with particular applicability to fusion laser systems. Three optically timed Pockels cells in series have a contrast of 10⁹. They are driven by a laser activated Si high voltage switch of 5 ps jitter and < 100 ps rise time. The resulting overall rise time of the three Pockels cells is 600 ps over the first 6 decades and 1.5 to 2 ns over 9 decades.     

Thermally tuned optical fiber for true time delay generation

A new technique for generating a continuous range of true time delay values is introduced. Heating optical fiber in order to change the effective index of the guided mode produces time delays. A 45-m section of single-mode silica fiber is demonstrated to produce a continuous range of time delay values from 0 to 211 ps over a temperature tuning range of 50°C (30–80°C). A thermal time delay factor is introduced and found to be 0.096 ps/m°C for Corning LEAF fiber. A 7.66-m section of multimode Lucina polymer fiber is demonstrated to produce a range of time delay values from 0 to 32 ps over a temperature tuning range of 30°C (30–60°C). The thermal time delay factor for this fiber is −0.1427 ps/m°C.     

Femtosecond transient reflection from polymer surfaces during femtosecond UV photoablation

A subpicosecond KrF laser system (248 nm, 0.5 ps) was used as a light source for ablation of PMMA Mylar and Kapton. The time-dependent reflectivity of the light-induced plasma mirror as measured by 496 nm, 0.5 ps long probe pulses showed an increase of up to 94% with 0.4–1 ps rise time and 10–15 ps fall time. The highdensity plasma mirror shows perfect optical quality, and seems to be a promising light-controlled ultrafast switch for UV and visible light. The spectrum of the UV light reflected from the ablated spot is blue shifted by 0.5 nm and shows 1 nm broadening.     

超短脉冲激光辐照金属薄膜温升效应的模拟研究

 考虑到材料的质量热容、热导率、驰豫时间等热力学参数随温度非线性变化因素的影响，利用具有人工粘性的、自适应时间步长的前向差分算法，数值求解了电子-晶格双温双曲两步热传导模型，讨论了厚度为50 nm的金膜在0.1 ps脉冲激光辐照下的温升规律。数值结果表明：薄膜前表面自由电子的温度在大约0.27 ps时达到最大值，不同厚度上自由电子达到温度平衡所需的时间大约为1.6 ps，而薄膜温度在整个厚度上达到平衡所需时间为60 ps左右。由电子温度及其温度梯度引起的热电子崩力很可能是造成材料破坏的一个主要因素。