强双折射光纤中色散效应对偏振模传输的影响

偏振复用技术1的基本思想是沿强双折射光纤的两个正交偏振主轴入射光脉冲，在单信道码率不变的情况下，将传输的信息容量加一倍。
鉴于偏振模色散对脉冲偏振复用技术的影响2，3，一般恰当地选择脉冲能量和双折射系数，利用交叉相位调制效应克服偏振模色散，使两偏振脉冲在光纤中传输时相互吸引而形成束缚态，达到两偏振脉冲互不走离地稳定传输。这就是孤子自陷获现象（self-trapping）4.本文所米用的偏振复用技术就基于上述现象，在强双折射光纤（具有保偏特性）中研究了二阶色散三阶色散对偏振脉冲能长距离传输特性的影响。研究发现，只有二阶色散的影响时，偏振脉冲能长距离稳定传输，但所需入射脉冲峰值功率较高，因而对光源要求也越高。当选择不同脉冲波长，以降低二阶色散对入纤功率的要求时，三阶色散的作用将越来越明显。研究发现，无论正负三阶色散均对偏振模有破坏作用，而且三阶色散参量越大，对偏振模的破坏也越大，因而三阶色散不利于偏振模的长距离传输。
1理论模型研究ps量级的光脉冲传输，若脉冲在线双折射光纤零色散波长附近传输，需要考虑三阶色散。在负色散区，耦合非线性薛定谔（NLS）方程为5W iTT 1TTfA- T为两偏振方向脉冲群速度的倒数。A表示轴偏振分量脉冲包络（=x，y）。式子左边第三、第四项代表二阶色散和三阶色散。U和T表示二阶色散（GVD）三阶色散系数。式子右边分别代表自相位调制效应（SPM）和交叉相位调制效应（XPM）。T为光纤损耗系数，V为非线性系数。
为便于数值求解，作以下归一化变换u，Ay=P0v，z/LdT0为入射脉冲初始半宽度（1/e强度处脉宽），P0为入射脉冲初始功率，Ld=（T2）为色散距离。
得到归一化方程为）1/2，整数N的物理意义表示为孤子阶数，本文主要研究基本孤子，所以N= 1.对于基本孤子脉冲所需入纤功率为P0=IUl/Vr2.r=TLd/2为损耗参量。为归一化长度，f为归一化时间。
为研究方便，本文暂时不考虑损耗的影响。
实际上，脉冲损耗可从光纤放大器中得到补偿。沿光纤的两个偏振主轴上同步输入基本孤子脉冲，其中u为慢孤子，v为快孤子。
2数值模拟与分析2.1二阶色散对偏振模的影响化图。实线为慢孤子，虚线为快孤子。从可以清楚地看到，两偏振脉冲在传输中同步地保持着相同峰值功率和脉冲包络，峰值功率在归一化强度的1到1. 2处周期性振荡。两偏振脉冲尽管在时域上没*重合，但是它们总保持着脉冲交叠，不走离地传输着。当选取恰当的纤长，两偏振脉冲将*重合。如在归一化距离为40处，两偏振脉冲*重叠，在此处作为终端，即可实现脉冲的偏振复用。强双折射光纤能实现脉冲偏振复用的主要原因是，孤子利用光纤的非线性克服色散项的影响，其中两偏振脉冲的强度诱发的SPM效应与GVD相平衡，XPM效应与偏振模色散（PMD）相平衡，使脉冲能稳定传输。
但是由于此时二阶色散系数比较大，因而要使脉冲以孤子包络入射所需峰值功率较高。对于脉宽为10ps的基本孤子脉冲，所需入射峰值功率为100mW.对于一般光通信中入纤光功率典型值为1~10mW来说，在常规光纤中实现孤子偏振复用技术无疑对光源要求甚为苛刻。
22三阶色散对偏振模的影响由于二阶色散系数在波长1.5少m处太大，导致脉冲入射峰值较高，峰值较高的脉冲入射能量要求光源的输出峰值更高，因为光源能量通过耦合器进入光纤损耗很大，因而有必要采取一些方法来降低二阶色散的影响。若采用降低IUI的方法，在一定程度上可以降低对光源的要求。因为孤子峰值功率正比于IUI，减少IUI就等于降低孤子所需的峰值功率。但是这种方法有一个明显的缺点，即随IUI的减少，三阶色散的作用变得越来越明显。若入射脉冲波长在零色散波长附近，应考虑三阶色散的作用。就是零色散波长附近考虑了三阶色散效应的影响，偏振脉冲传输50个归一化距离的演化图。此时三阶色散参量为W= 0.02，偏振脉冲脉宽为1ps.从图中可以清晰看到，两偏振模不再同等激发。慢孤子（实线）的峰值功率明显高于快孤子（虚线）的峰值功阶色散成率。并且模拟更长距离的传输演化，发现快孤子峰值功率将大约降至慢孤子峰值功率的一半。快孤子在传输中脉冲前沿分裂出一个小峰，说明三阶色散使快孤子在传输过程中有色散波辐射。对比2，很清晰地看到，的慢孤子峰值比的慢孤子高，三阶色散对慢轴偏振模有压缩效应。进一步研究发现，随三阶色散参量增大，三阶色散对慢轴偏振模的压缩效果越明显而对快轴模式破坏越大。为三阶色散参量更大（W=0.03）时偏振脉冲的演化图。为进一步研究三阶色散效应对偏振模长距离传输的影响，偏振模传输100个归一化距离强度与传输距离的关系图。
从图中可以清晰看到偏振模在趋于稳定的同时，两者峰值偏差悬殊。其中一个偏振模畸变厉害。图中脉冲峰值的抖动是由于两偏振模传输时不断耦合交换能量的结果。当光纤三阶色散为负时，发现此时为快孤子模。也就是说，无论正负三阶色散，均会破坏一个偏振模。这是因为，慢孤子的双折射参量w的符号与二阶色散系数符号相反（式（1）），正三阶色散在一定程度上补偿了偏振色散，使XPM效应对慢孤子有较强的压缩效果，但是对于快孤子，W的符号恰为三阶色散符号，二者的联合作用削弱了XPM效应，从而使快孤子相对于慢孤子耦合得到的能量较小。
快慢轴偏振模在传输中因耦合得到的能量不同而使两模不对称，快轴偏振模耦合得到的能量少而被抑抑制。
对于长距离通信来说，都希望两偏振模能同等激发，并且在传输过程中两偏振模比较稳定而沾罄w量潘。，因为在零色散波长实现偏振复用的一大障碍，有必要研究对三阶色散的抑制和补偿问题，该方面的研究将另文报道。
3结论光脉冲的偏振复用能在单信道码率不变的情况下提高通信容量，并且利用光孤子在两偏振轴传输时具有的自捕获现象来克服偏振模色散。实现光脉冲偏振复用在选用光纤上应针对不同的实际情况具体问题具体解决。在强双折射光纤中1.5m波长处能很好地实现脉冲偏振复用。但是入射脉冲峰值功率甚高。当选择不同脉冲波长来降低二阶色散的影响时，以降低入纤脉冲功率的要求时，三阶色散将对偏振脉冲的长距离传输产生破坏作用。研究发现，正三阶色散破坏快轴偏振模，负三阶色散破坏慢轴偏振模。而且随着三阶色散参量的大，破坏作用越明显。