光纤通信系统中光脉冲传输特性的MATLAB计算程序

光纤通信系统中光脉冲传输特性的MATLAB计算程序

所属技术领域

本发明涉及一种光纤通信系统中光脉冲传输特性的MATLAB计算程序，属于光纤通信技术领域。

背景技术

美国科学家T.H.Maiman在1960年研制成功了世界上第一台激光器(红宝石激光器)以来，激光技术取得了迅速的发展，已经广泛应用于工农业生产、生命科学、信息科学、强场物理、“快点火”受控核聚变、探索极端物理条件下物质行为等重大科学研究领域，具有广泛的应用前景，在整个经济及社会发展中发挥出愈来愈重要的作用。得益于激光技术的发展，光纤技术得到了巨大的进步。至1970年，人们已经将光纤损耗降低到约20dB/km；到1979年，将1.55μm波长的光纤损耗降低到约0.2dB/km。低损耗光纤的获得，不仅导致了光纤通信领域的革命，而且也导致了非线性光纤光学新领域的出现。随后，掺铒光纤放大器得到了迅速发展，有效补偿了1.55μm波长区的光纤损耗，有力地推动了线性和非线性光纤光学的快速发展，激光脉冲在光纤通信系统中的线性和非线性传输特性研究得到了国内外科技工作者的普遍关注，特别是由广义非线性薛定谔方程

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所描述的脉冲传输问题出现在物理学、等离子体、信息科学、生命科学等现代科学的各个分支中，并为相关学科中众多的类似问题的解决做出了重大贡献。然而，方程(1)是非线性偏微分方程，在一般情况下不适于解析求解，除非是在能使用逆散射方法的某些特殊情况下才有可能，这限制了该方程在相关学科的应用和阻碍了相应学科的发展。鉴于此，采用数值计算方法就不同学科中相关问题来求解方程(1)成为不同学科发展的重要研究课题。

发明内容

本发明针对方程(1)在光纤通信系统中难于解析求解的情况和计算机技术的快速发展，在Windows操作系统的MATLAB环境中按照分步傅里叶方法设计和撰写了光纤通信系统中光脉冲传输特性的MATLAB数值计算程序来解决上述问题。本发明提出的计算程序简洁易懂，操作方便，功能强大，计算速度快，作图简便，实用性强，可根据实际情况修改相关参数，为光纤通信系统优化及该领域的深入研究提供了有力支持，将推动本学科的快速发展。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

为了方便利用方程(1)研究光纤通信系统中光脉冲的传输特性，本发明引入ξ＝z/LD， <math><mrow><mi>&tau;</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>T</mi><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>t</mi><mo>-</mo><msub><mi>&beta;</mi><mn>1</mn></msub><mi>z</mi></mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><mo>,</mo></mrow></math> <math><mrow><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>,</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msqrt><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></msqrt><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>,</mo><mi>&tau;</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow></math> <math><mrow><msub><mi>L</mi><mi>D</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><msubsup><mi>T</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>|</mo><msub><mi>&beta;</mi><mn>2</mn></msub><mo>|</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow></math> <math><mrow><msub><mi>L</mi><mi>NL</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><msub><mi>&gamma;P</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><mo>,</mo></mrow></math> <math><mrow><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>L</mi><mi>D</mi></msub><msub><mi>L</mi><mi>NL</mi></msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>&gamma;P</mi><mn>0</mn></msub><msubsup><mi>T</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mo>|</mo><msub><mi>&beta;</mi><mn>2</mn></msub><mo>|</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow></math> u＝NU，将方程(1)归一化，得

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式中，u为光脉冲慢变包络振幅，ξ为归一化传输距离，τ为归一化时间参量；右边第一项为散项，β_n为各阶速度散系数，n表示散阶数，第二项至第四项表示脉冲传输中的非线性项，第三项和第四项为高阶非线性项，其第二项为自相位调制效应；第三项为脉冲自变陡效应，对高阶孤子的影响显著，s＝1/ω₀T₀，ω₀为脉冲中心角频率；第四项为拉曼散射效应，τ_R＝T_R/T₀，T_R为脉冲内拉曼散射系数，与拉曼增益的斜率有关，通常为3fs；最后一项表示光纤损耗项，α为光纤损耗系数，L_D是散长度，T₀是脉冲的半宽度。

本发明采用分步傅里叶方法(应用了快速傅里叶变换)，按照方程(2)设计和撰写了光纤通信系统中光脉冲传输特性的MATLAB计算程序。一般来说，沿光纤的长度方向，散和非线性是同时作用的。分步傅里叶方法通过假定在传输过程中，光场每通过一小段距离h，散和非线性效应可分别作用，得到近似结果。更准确地说，从z到z+h的传输过程中分两步进行。第一步，仅有散作用，方程(2)中的非线性作用为零；第二步，仅有非线性作用，方程(2)中的散作用为零。分步傅里叶方法已广泛应用于各种光学领域，包括：大气中的光传输，折射率梯度光纤，半导体激光器，非稳腔及波导耦合器等。虽然用此方法运算速度快，相对简洁，但需要小心选择z和T的步长，以保证精度要求。该算法隐含着周期性边界条件，有时会造成到达窗口一边的能量从窗口的另一边自动进入的问题，通常需要使用一种“吸收窗口”，人为地吸收掉辐射到窗口边界上的能量。

本发明的有益效果是：本发明提出的计算程序简洁易懂，操作方便，功能强大，计算速度快，作图简便，实用性强，可根据实际情况快速修改相关参数，为光纤通信系统优化及该领域的深入研究提供了有力支持，将推动本学科的快速发展。

具体实施方式

光纤通信系统中光脉冲传输特性的MATLAB计算程序运行前，可根据实际情况修改相关参数，如：输入脉冲的初始时域波形、初始幅值、初始脉冲宽度和初始啁啾C，计算所用时域窗口大小、采样点数，不同光纤的散参量、衰减系数、传输距离等等。

光脉冲线性传输情况：当输入脉冲的初始脉冲宽度在ps附近和光功率较小时(线性传输)，可调节相关参数，使计算程序仅按照方程(2)左边第一项和右边第一项(散项)运行，即按照运行，其中高阶散可计算至六阶散。当光脉冲传输距离较长时，可同时考虑方程(2)右边第五项(光纤损耗项)。

光脉冲非线性传输情况：当输入脉冲的初始脉冲宽度在ps附近和光功率较大时(非线性传输)，可调节相关参数，使计算程序仅按照方程(2)左边第一项、右边第一项(散项)和右边第二项(自相位调制项)运行，即按照运行。当光脉冲传输距离较长时，可同时考虑方程(2)右边第五项(光纤损耗项)。

光脉冲高阶非线性传输情况：当输入脉冲的初始脉冲宽度在fs附近和光功 率很大时(高阶非线性传输)，可调节相关参数，使计算程序仅按照方程(2)左边第一项、右边第一项(散项)、右边第二项(自相位调制项)、右边第三项(高阶非线性项：自陡项)和右边第四项(高阶非线性项：脉冲内受激拉曼散射项)运行，即按照运行。当光脉冲传输距离较长时，可同时考虑方程(2)右边第五项(光纤损耗项)。

光脉冲分布拉曼放大传输情况：当输入脉冲在分布拉曼放大传输情况下，可调节相关参数，使计算程序仅按照方程运行，光纤损耗的拉曼增益系数α′_R＝α_sexp[-α_p(L′-ξ)L_D]为归一到散长度的参量，α_p是在泵浦波长的光纤损耗系数，α_s是在信号波长的光纤损耗系数，L′为归一化光纤长度。

总之，本发明提供了光纤通信系统中光脉冲传输特性的MATLAB计算程序，可通过调整不同参数计算各种情况下的光脉冲传输特性。我们应用该程序已经部分研究了光脉冲传输特性，取得了部分研究成果并发表在国内外重要刊物上。可见，本发明为光纤通信系统优化及该领域的深入研究提供了有力支持，将有力地推动本学科快速发展。