调制不稳定性和光纤耦合器

光纤耦合器中调制不稳定性

1、光纤耦合器

光纤耦合器是一种定向耦合器，是光波技术必不可少的一部分，通常用于与光纤光学有关的多种应用领域。目前其大部分应用只用到它的线性特性，但是近几年来随着光纤通信技术的发展，对其非线性特性的研究和应用也逐渐受到了越来越多人的关注，并成为当今光纤光学研究的一个热点。

1966年，高锟博士和Hockham发明了光纤，康宁公司于四年以后用化学气相沉积法制备了光纤，其损耗降低到了20dB/km，通过改进以后可以将损耗降低到了2 dB/km, 由于光纤损耗的降低以及光纤的放大器的发展，使光纤通信飞速发展。在这种背景下澳大利亚的York Inc.公司及欧美等研究所开始对光耦合器进行研究。在20世纪50年代初以前，那个时候的定向耦合器是以金属波导和同轴线路为基础的波导小孔耦合定向耦合器，其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。而自1982年起，对于定向耦合器的非线性效应开始了研究，主要的应用是全光开关。对于现在的应用更是无可替代，在光网络，波分复用系统等光通信系统中发挥出重要的作用。

耦合器是光纤通信中一个非常重要的器件，能够实现光的分流与合流，广泛应用于光通信、光检测和光纤传感技术等领域：在通信领域，光纤通信网络试验和特性监视中，光信号的分合必须使用耦合器；在图像传输方面，一根光纤的光信号经耦合器可分配至多个用户；在波长多重传输系统和光放大器中，多波长光的分合也必须使用耦合器。耦合器可分为三大类，即半反镜或多层介质膜式光耦合器，光波导型(平面波导等)耦合器和光纤型耦合器。其中，最常见的是光纤耦合器。耦合器可分为三大类，即半反镜或多层介质膜式光耦合器，光波导型(平面波导等)耦合器和光纤型耦合器。其中，最常见的是光纤耦合器。

如果用具有很大磁化系数的绝缘材料制成两根波导，把两根波导相互靠近放在一起，就做成了最简单的耦合器；同理将两根光纤纤芯彼此靠近的放在一起可以制成两芯的光纤耦合器（也称定向耦合器），它是一种四端口器件(二输入和二输出端口)，其功能是实现光的分流与合流，光由一个输入端口输入，根据能量的不同直接祸合进两个输出端口或其中之一。

光纤耦合器(也称定向耦合器)，它是一种四端口器件(二输入和二输出端口)，其功能是实现光的分流与合流。光纤耦合器的物理机制可以理解为:当光纤芯部贴紧，经融熔延伸或研磨后，纤芯的闭光能力有所减弱，于是就有光向芯径外扩散现象产生，一根光纤中的光信号可以部分被耦合到其它光纤中去。光纤耦合部分存在着传播常数不同的对称或反对称两种模式，在入射端两模式同相位被激励。当一束光由光纤耦合器的一个纤芯入射时，因为不同的模式能量，两个纤芯中的光束，由于自相位调制(SPM)引起的相移也不同，在输出端光的耦合状态则取决于两模相差的重叠，结果，即使是对称的光纤耦合器因为非线性效应也表现出不对称性.实际上，这种情况与非对称光纤耦合器中的情况很类似。在非对称光纤耦合器中，不同的模传播常数引起两个纤芯间的相对相移，并阻碍了两者间全部能量的转移。因此，改变光耦合部分结构，控制模间相差便可获得任意耦合状态模式同相位被激励。

2、调制不稳定性

调制不稳定性指由于非线性色散、散射和非线性效应在介质中产生幅度和频率的自调制，使叠加在传输波上的扰动呈指数增长的一种非线性过程。大量文章已经对非线性介质中时间、空间以及时空调制不稳定性进行了研究并发现调制不稳定性将导致连续波或准连续波分裂成超短脉冲序列。因此，为产生高重复率超短脉冲，调制不稳定性的发生为其提供了一种全新的思路和方法。之所以将调制不稳定性看作是孤子波产生的前兆有两个原因：首先，调制不稳定性的产生的脉冲序列能够在一定条件下演化为孤子阵列；其次，其实验观察到的亮孤子参数与产生调制不稳定性的参数区间是能够相互吻合的。鉴于该原因，可以通过控制调制不稳定性发生的条件以提供一种形成光通信潜力媒介光孤子的方法。

调制不稳定性的研究如对于在常规材料如光纤中的研究有大量的理论和实践方面的工作，各种影响因素如色散、非线性效应，包括高阶色散、自陡以及延时的拉曼效应对调制不稳定性的影响也别揭露出来。Lazarides等人在考虑非线性极化和非线性磁化的条件下推导出各向同性、均匀介质中传输所满足的一维耦合非线性薛定谔方程。在此的基础上Kourakis研究了电磁波的在非线性负折射材料中非线性稳定性，还得到的耦合平面波解的调整稳定性图像。慢变包络近似下，建立了关于电场和磁场脉冲演化的耦合非线性薛定谔方程，发现在负折射介质中存在复合的亮、暗孤子解。Scalora等人在研究脉冲宽度达几十个光学周期的脉冲在非线性负折射超常介质中的传输特性，忽略磁场非线性，得到非线性薛定谔方程。Wen等人得到一个描述负折射介质中电场脉冲非线性传输的物理模型，为析了反常自陡峭效应对调制不稳定性的影响提供了基础，该模型比Scalora 等人的模型更普遍。二阶非线性色散效应、额外的自陡效应是超常介质中色散磁导率对超短脉冲传输影响具体体现。其中二阶非线性色散效应是超常介质中全新的非线性效应，而在常规介质中没有出现。

研究调制不稳定性的常用方法是线性稳定分析法，具体步骤为：1、求解非线性薛定谔方程稳态解；2、稳态解加入微扰；3、得到波数和频率的表达式；4、画出增益曲线。通过研究光纤中的调制不稳定性，具有非常现实的意义：一、时域中调制不稳定性可以产生重复频率的可调孤子脉冲串。二、可以产生THz频率脉冲，用来制作激光器，频率转换器和光纤干涉仪开关等光学器件。三、可以用来超连续谱的产生以及测量光纤的零色散波长分布。四、研究调制不稳定性，可以抑制光脉冲的频谱展宽，分裂等，对于实现光孤子传输有重要意义。