非线性双模光纤中孤子脉冲光传输特性研究

Only few studies are reported in the literatures on nonlinear effects of multimode optical fibers in comparison with that of single-mode fibers. This project aims to investigate the dynamics of pulse propagation in nonlinear multimode fibers with the emphasis on exploring the soliton pulse propagation in nonlinear two-mode fibers. For both cases of ignoring and considering the high-order effects, Theta function method will be employed to establish the exact doubly periodic solutions as well as the degenerated solitons of nonlinear two-mode fibers, by solving the coupled nonlinear equations controlling pulse propagation in nonlinear two-mode fibers. Then, the stabilities of the established solutions will be studied numerically with the emphasis on exploring the stabilities of optical solitons. The aim here is to establish the constraint conditions on the fiber parameters, input power and pulse frequency for the stable soliton pulse propagation in two-mode fibers. Finally, the multi-soliton pulse interactions will be studied with the emphasis on exploring the two- and three-soliton interactions. The effects of high-order nonlinearity and dispersion on multi-solion pulse interaction will be investigated. The other aim is to understand the differences and similarities of multi-soliton pulse interaction in the nonlinear two-mode and single-mode optical fibers. The results of this project may provide some helps to the both theoretical and experimental studies of space-division multiplexing systems with multimode fibers.

相对于单模光纤，文献中对多模光纤非线性效应的研究比较缺乏。本项目针对非线性多模光纤中脉冲光的传输问题，重点研究孤子脉冲光在非线性双模光纤中的传输特性。从严格的控制脉冲光在非线性双模光纤中传播的耦合非线性模型方程出发，分别在忽略高阶效应及考虑高阶效应的两种情况下，采用Theta函数法解析求解非线性双模光纤的严格双周期波解及退化的光孤子解形式，并通过数值模拟方法分析解的稳定性，重点分析光孤子解的稳定性，确立能形成稳定光孤子的光纤参数与输入脉冲功率及频率等各项参数间的约束关系；研究非线性双模光纤中多光孤子的相互作用，重点研究两孤子和三孤子的相互作用规律，确立高阶非线性效应和高阶色散效应对多孤子相互作用的影响，明确非线性双模光纤中多光孤子相互作用规律与非线性单模光纤中的异同。本项目的相关研究结果可望为基于多模光纤的模分复用通信系统的理论和实验研究起到一定的参考作用。

本项目课题是基于多芯/多模光纤的新一代模分复用通信技术而提出，非线性效应是影响模分复用通信系统的最重要因素之一，本项目主要研究了非线性双模光纤中孤子光的主要传输特性，主要研究内容及重要结果如下：.1. 给出了双模光纤在不考虑高阶效应情况下的模型方程，详细推导了每项非线性参数的表达式，并根据文献中双模光纤的实验数据给出了合理恰当的系数值域；.2. 系统的研究了双模光纤中不同模式间的非线性耦合系数和同一模式内的非线性耦合系数对双模光纤调制不稳定性谱的影响，发现对任一给定的功率，在反常色散区域，增益随模间和模内非线性系数的增大而急剧增大，在正常色散区域，不稳定性增益只有在一定的模间和模内非线性系数范围内方可存在；.3. 给出了非线性双模光纤在不同入射情况下的严格光孤子解，并基于双模光纤的模型方程，仿真模拟了不同情况下的光孤子传输的稳定性，发现当LP01单模、LP11a和LP11b双模以及三模同时入射时，在一定的模间和模内非线性系数参数范围内可以实现稳定传输，其它入射情况则会使得孤子脉冲发生周期性交换能量；.4. 详细研究了非线性双芯光纤中两孤子及多孤子的相互作用规律，发现当发射两孤子的时间间隔小于3时，两孤子可以实现稳定性传输，三阶色散和自陡峭效应均会大大加快孤子的传输速度；.5. 系统研究了高阶四阶色散效应对非线性双芯光纤调制不稳定性谱的影响，发现高阶色散效应在反常色散区域总会在高频区域产生一个全新的占主导地位的增益带；.6. 系统的研究了正三角型排列和线性排列三芯光纤中两孤子及多孤子的相互作用规律，发现当相邻两孤子的发射时间间隔小于0.5时，正三角型排列三芯光纤可以实现三孤子稳定传输；.7. 系统的研究了线性排列三芯光纤的调制不稳定性谱的主要特征，发现在正常色散区域，只有在线性耦合系数的强度大于某一临界值时，调制不稳定方可产生。.本项目的研究结果将为基于多芯和多模光纤的模分复用通信技术的实验发展提供有效的理论基础。