非線性光纖光學研究型綜合實驗的設計與實踐

董 鵬，趙 莉，田艷杰，徐志杰

（中國石油大學（華東） 理學院，山東 青島 266580）

開展研究型綜合實驗教學是高校培養創新型人才的一個重要途徑。在實驗教學中，教師結合學生專業基礎和學科學術前沿設計研究型綜合實驗教學內容，指導學生自主開展研究性實驗，有助于培養學生的創新精神、科學思維和實驗技能，使學生成為具有綜合性思維和科研探索能力的應用型人才，為以后工作和進一步深造打下良好的實踐基礎。近年來，國內外高校在專業實驗教學中都非常注重引入一定比例的研究型綜合實驗項目。

光纖作為一種具有獨特優勢的光學介質被廣泛應用于光通信、光器件、光傳感、光測量等技術領域，在上述應用中，光纖中發生的各種非線性光學效應因其或作為須竭力規避的因素、或作為可借以利用的因素引起了人們廣泛而深入的研究興趣，逐漸發展成為一個廣受關注的研究領域和前沿交叉學科。為了將專業學術前沿融入專業教學中，開闊學生的學術視野、培養學生的創新思維，我們面向光學專業本科生，開設了“非線性光纖光學研究型綜合實驗”項目。在該實驗項目的實施中，針對光纖內豐富的非線性效應及其廣泛的應用領域，指導學生自主選題，開展研究性實驗。對于取得較好結果的實驗，鼓勵學生積極申報大學生創新項目，進一步加深研究，更好地完善實驗結果。

1 研究型綜合實驗的設計依據

石英光纖固有的非線性系數較之大多數非線性介質小兩個數量級甚至更多[1]，但由于光纖的芯徑?。▎文９饫w＜10 μm）、損耗低（單模光纖中1.0～1.6 μm 波段＜1 dB/km），使得光纖中的非線性效應在較小的入射功率下也非常容易發生。光纖中最常見的非線性效應為調制不穩定性、四波混頻、受激拉曼散射、受激布里淵散射、色散波、自陡、自相位調制、交叉相位調制等。在光纖通信系統與光纖器件中，各種非線性效應分別扮演著不同的角色。例如，四波混頻可引起波分復用系統的信道串擾[2-3]，也可以用來實現波長轉換、相位共軛、參量放大[4-6]；受激拉曼散射可引起光信號的消耗和Stokes 信號噪聲[7]，也可以用來實現光信號的分布放大[8]等；以上各種非線性效應，通常情況下會同時發生，結果導致入射光的光譜極大展寬，即超連續譜的產生。在超連續譜產生中調制不穩定性，由此引發的光孤子和色散波都是頻譜展開的關鍵因素[9]。光纖中各種非線性效應的發生依賴于入射光參數（波長、偏振）和光纖參數（色散系數、非線性系數）[1]。

基于光纖內豐富的非線性效應及其廣泛的應用領域，指導學生在此研究背景下，自主查閱文獻，選擇實驗內容，開展實驗研究。

2 實驗材料與器件

本綜合實驗項目用的實驗材料和器件主要包括：高非線性光纖、放大自發輻射（ASE）光源、陣列波導光柵（AWG）、光纖放大器（EDFA）、偏振片、可調諧濾波器（OTF）、光譜儀（OSA）。下面分別予以介紹。

高非線性光纖：為了便于觀察非線性效應，實驗選用非線性系數γ較高的高非線性光纖。本實驗中采用的高非線性光纖的零色散波長為λ0=1543 nm，非線性系數為γ=10 W–1·km–1。

ASE 光源：鑒于大部分非線性效應的發生都與光纖的色散有關，而光纖色散又與入射光的波長有關，因此在選擇實驗用光源時，應該確保光源的光譜覆蓋高非線性光纖的零色散波長。本實驗采用放大自發輻射（ASE）寬帶光源（型號為Opticwave BLS-C），光源的3 dB 帶寬約為40 nm，光譜如圖1 所示。

陣列波導光柵（AWG）：為了方便地濾出ASE 光源中每個波長，本實驗還采用了相應工作波段的陣列波導光柵（AWG）來對光源的光譜進行分割。本實驗采用的 AWG 具有 40 個通道，通道波長范圍為1530.33～1561.34 nm，基本與ASE 光源波段范圍一致；通道間隔為0.8 nm；單通道3 dB 帶寬為0.4 nm。濾出的每個通道信號頻譜都呈高斯分布，如圖2 所示，其中第18 通道的中心波長為1543.4 nm。該波長接近實驗中所采用的高非線性光纖的零色散波長（1543 nm）。每個通道具有獨立開關，可單獨開通或者與其他通道一起開通。

圖1 ASE 光源的光譜

圖2 ASE 光源經陣列波導光柵分割后的光譜

光纖放大器：在需要較高功率的光信號時，可以使用光纖放大器對光信號進行放大。本實驗采用摻鉺光纖放大器（EDFA），最大輸出功率為2 W。

濾波器：一般光信號經光纖放大器放大后會產生放大噪聲，為了避免噪聲的影響，可以使用濾波器濾掉噪聲。本實驗中采用可調諧濾波器（Santec OTF 930），其最大承載功率為300 mW，可調諧波長范圍為1528～1568 nm，–3 dB 濾波帶寬為0.7 nm。

偏振片：在研究光信號的偏振態對非線性效應的影響時，需要使用偏振片將從光源發出的自然光變為線偏振光。

光譜儀：為了從頻域觀察非線性效應的發生，我們采用光譜儀來觀察和記錄從高非線性光纖輸出的光信號。

3 實驗教學設計

3.1 實驗預習

實驗前，學生通過自主查閱專業書籍或相關文獻，了解光纖內各種非線性效應發生的條件和特點，以及它們的研究現狀和應用背景。在此基礎上自主設計具體實驗內容。

3.2 實驗操作

實驗課上教師首先就該實驗項目的選題背景、研究現狀以及學生所選取的具體實驗內容展開交流討論，通過討論使學生明白實驗意義、實驗目的和實驗原理。然后教師以引導的方式講解實驗器材的選擇、實驗裝置的搭建以及實驗數據的采集。下面以研究非線性光纖中發生的調制不穩定性現象為例來加以介紹，對于選擇研究其他光纖非線性現象的實驗也采用類似的方法。

3.2.1 實驗意義和實驗目的

調制不穩定性現象最早在20 世紀60 年代被科學界發現，被認為是一種廣泛存在于各種非線性系統中的非線性效應。自然界中大多數系統都具有某種擾動或隨機起伏，這種廣泛存在的擾動在一定的色散（或衍射）和非線性條件下，會對系統自身產生一種不穩定調制。這種現象就稱之為調制不穩定性現象[1]。調制不穩定性的時域表現是將連續或準連續輻射分裂成一列超短脈沖，而相應的頻域表現是引起入射光頻譜展寬。因此，調制不穩定性是導致連續光在一定色散條件下頻譜展寬的主要因素之一，這對采用連續光作為泵浦光來產生超連續譜具有指導意義。

采用非相干光作為泵浦光在光纖中產生超連續譜，原因是泵浦的非相干性會通過增強調制不穩定性來促進光譜的展寬。此后有大量關于非相干光泵浦的超連續譜產生的研究[10-11]。但在這些研究中具體分析光纖中非相干光調制不穩定性對光譜展寬的增強機制的研究卻很少。本實驗采用ASE 非相干光源，旨在系統研究非相干光調制不穩定性發生的條件和規律，研究結果將對非相干光泵浦下超連續譜的產生具有指導作用。

3.2.2 實驗原理

從描述光在光纖中傳輸的非線性薛定諤方程（NLSE）出發，利用微擾理論，在忽略光纖損耗的情況下，可以得出調制不穩定性發生在反常色散區，即二階色散系數滿足β2＜0 ，并且明顯特征是在入射光頻率ω0兩側產生峰值位于頻率ω0±Ωmax的兩個對稱旁瓣，其中：

Ωmax對應峰值增益頻移，γ是非線性系數，P0是入射功率。兩個對稱旁瓣的峰值功率增益系數為gmax=2γP0?？紤]光纖損耗時，需要將P0替換為P0exp(-αz)，其中α為光纖損耗系數，z為光纖傳輸距離，這時調制不穩定性的峰值增益頻移Ωmax和峰值增益gmax都將變小。

關于高階色散和高階非線性對調制不穩定性的影響，現有的研究表明：三階色散3β并不影響調制不穩定的增益譜，自陡的主要影響是減小增長率并使增益頻率范圍減小。

3.2.3 實驗裝置

實驗裝置如圖3 所示，其中，EDFA 和OTF 用虛線框出，表示為可選器件。從ASE 光源發出的光經AWG（陣列波導光柵）分割成40 個通道，實驗中可選擇開通其中的中心波長符合要求的一個通道m，將之作為泵浦光耦合入高非線性光纖，經光譜儀觀察非線性效應的發生。如果需要觀察隨著泵浦光光強增大非線性效應的變化情況，則需要將該通道的信號接入EDFA 進行放大。一般情況下，EDFA 的接入會引入放大噪聲，如果噪聲影響到對現象的觀察，這時需要使用OTF 進行濾波，將噪聲濾掉。

圖3 實驗裝置示意圖

3.2.4 實驗數據采集與結果分析

1）觀察不同色散條件下調制不穩定性的發生。

首先保持耦合入光纖的光功率不變（濾波器后的測量值為18 dBm），選擇不同的通道進行調制不穩定性現象的對比觀察。實驗結果如圖4 所示。

圖4 給出了6 個通道的實驗結果。(a)—(f) 6 個通道的中心波長（泵浦波長）由小到大，依次為1530.8 nm，1541.9 nm，1542.7 nm，1543.9 nm，1545.1 nm，1557.9 nm。其中(a)—(c)的中心波長位于高非線性光纖的正常色散區，(d)—(f)的中心波長位于高非線性光纖的反常色散區。為了突出光在高非線性光纖中發生的非線性效應，每個圖都給出了連接高非線性光纖前后的光譜。很明顯，中心波長位于高非線性光纖正常色散區的(a)—(c)基本沒有發生調制不穩定性（泵浦光右側的譜峰為受激拉曼散射的Stokes 光）。中心波長位于高非線性光纖反常色散區的(d)—(f)都發生了明顯的調制不穩定性，表現為在泵浦光兩側出現了頻譜旁瓣。這一結論與相干光的調制不穩定性基本一致，但也有所不同。根據相干光調制不穩定性理論，調制不穩定性發生時會在泵浦光兩側產生對稱而明顯的頻譜旁瓣，而在本實驗結果中發現：在零色散波長附近，調制不穩定性的邊帶為比較寬的頻譜旁瓣；隨著反常色散增強，旁瓣頻譜才變得越來越明晰。

圖4 相同功率、不同色散條件下調制不穩定的實驗結果

對圖4 中6 組實驗結果進行對比，發現：隨著色散的增強，產生的頻譜旁瓣越來越窄，這與理論預測一致。由式（1）知，調制不穩定性的峰值增益頻移Ωmax與(|1/22β|)成反比，由此可知隨著色散系數絕對值|2β| 的增大，旁瓣譜越來越窄。

2）色散不變的條件下研究調制不穩定性的頻譜結構隨泵浦功率的變化。

選擇一個位于反常色散區的通道（1550.0 nm），研究調制不穩定性的頻譜結構隨泵浦功率的變化，得到圖5 的結果。

圖5 色散不變條件下調制不穩定性的頻譜結構隨泵浦功率的變化

圖5 所示結果表明：在高功率下，調制不穩定性導致泵浦光頻譜產生了高階旁瓣。高階旁瓣的出現表明對泵浦光的調制增強了，結果會導致連續的泵浦光在時域演化為脈沖。在后續拓展實驗中，可以在時域觀測泵浦光，驗證這一實驗現象。

3）色散不變的條件下，調制不穩定性旁瓣峰值隨泵浦功率的變化。

選取位于反常色散區的中心波長為1543.9 nm 的通道作為泵浦光，對調制不穩定性從細節上進行觀察，發現隨著泵浦功率的提高，調制不穩定性產生的旁瓣逐漸增強，并且旁瓣相對泵浦的頻移增大，如圖6(a)所示。圖6(b)為旁瓣峰值波長隨泵浦功率的變化曲線，其中虛線為實驗測結果，實線為理論計算結果。

式中采用的參數為：光纖損耗系數α：(2 dB/km)/4.343=0.4605 dB·km–1；傳輸距離z：1 km；泵浦光的二階色散系數β2（1543.9 nm）：–0.022 ps2km–1。

實驗結果在低功率時大于理論值，而在高功率時小于理論值。這是因為本實驗采用的光源為非相干光，其發生的調制不穩定性的旁瓣頻移量大于適用于相干光的理論頻移量。而在高功率時，除了發生調制不穩定性外，由圖5 知受激拉曼散射等其他非線性效應也同時發生，消耗了泵浦能量，因此這時調制不穩定性產生的旁瓣的頻移量實驗值小于理論值。

3.3 實驗內容拓展

以上只是在頻域對調制不穩定性現象進行了觀察和數據分析，還可以將圖3 中的光譜儀換成示波器，在時域觀察光信號的變化。理論表明，調制不穩定性的時域表現是將連續或準連續輻射分裂成一列超短脈沖，而且當色散系數和非線性系數滿足匹配條件時，短脈沖將會以光孤子的形式出現。

此外，如圖5 所示，隨著泵浦功率的增大，泵浦光頻譜中產生的高階旁瓣越來越多，泵浦功率繼續增大時，其他非線性效應，例如受激拉曼散射、色散波等可能都會發生，多種非線性效應共同作用的效果便是泵浦光頻譜極大展開，即超連續譜的產生。

上述現象都可以作為調制不穩定性實驗的拓展內容來展開研究。在非線性光纖光學綜合實驗，除了調制不穩定性，光纖中豐富的非線性效應均可以結合當前研究熱點和應用背景展開研究。拓展內容可作為不同實驗內容進行課堂教學，也可作為有興趣學生的大學生創新研究內容。

圖6 色散不變的條件下，調制不穩定性旁瓣峰值隨泵浦功率的變化

3.4 實驗報告

實驗課后，要求學生將實驗內容和實驗結果及分析按照科研論文的格式撰寫實驗報告。對于研究內容、實驗結果具有一定學術價值的同學，其實驗報告由教師專門指導，按照科技論文的要求修改，向專業期刊投稿。

4 綜合實驗運行模式與教學效果

研究型綜合實驗的運行模式是教師選定研究領域和方向，由教師和學生共同討論決定具體研究內容。首先教師向學生概括介紹非線性光纖光學的發展狀況、應用領域、當前的研究熱點、各種非線性效應發生的基本原理，然后詳細介紹光纖非線性效應的實驗方法和實驗儀器。學生通過了解儀器、查閱文獻等方式自主設計實驗內容，教師審核實驗內容，并與學生討論實驗方案的可行性。確定實驗方案后，學生自主開展實驗，實驗前，教師需要向學生詳解介紹儀器的使用方法和強調實驗注意事項。在實驗中，學生自主實驗，教師適時指導，但不過多干涉實驗，在實驗安全的前提下，給學生自由探索的空間，允許走彎路，允許推翻重來，保護學生探索的興趣。鼓勵學生在現有實驗的基礎上開展更深入更系統的研究。

在研究型綜合實驗的每個環節，自主能力的培養始終貫穿其中。學生自主查閱文獻、設計實驗內容、進行實驗操作、對實驗結果進行分析和討論。在整個實驗過程中，學生通過實驗方案設計、實驗操作、數據采集、結果分析以及實驗報告撰寫，從理論和實驗兩個層面均得到了全方位的鍛煉。因此，該研究型綜合實驗有助于全面培養學生的創新思維和探索意識，鍛煉學生的知識應用能力和科研能力，有助于培養復合型創新人才。

本文以觀察和研究非線性光纖中調制不穩定性現象為例，闡述了研究型綜合性實驗教學對培養學生的科研探索能力的作用。研究型綜合性實驗涵蓋的知識面廣，涉及實驗技能豐富。通過系統的綜合性實驗訓練，培養了學生的創新意識、合作意識以及自主探索能力。依托綜合性實驗，學生在申請項目，撰寫論文、各項賽事以及申請專利方面均獲得了喜人的成果。