光纤光学前沿

光纤波导概论

光纤折射率随光强变化（光学克尔效应）产生的最常见的非线性现象就是自相位调制.自相位调制是指在光传播过程中由于光场自身作用引起的相位变化.当光束在非线性介质中传播时，由于克尔效应导致介质的折射率发生了变化，在距离L 处光束自身的相位变化量为

20()n n I k L φ=+ (1.1)

其中，0/2k c =ω=π/λ，λ为波长.由上式可以得到自相位调制引起的非线性相移为20NL n k LI φ=.若入射光信号为脉冲（即有强度调制），则由式(1.1)可知自相位调制将对信号在不同强度处引入了不同的相位，即引入了时域的啁啾，从而使得脉冲频谱展宽.光纤中的自相位调制还可以与光纤的色散作用共同作用达到平衡，从而形成光孤子.

当两束或多束光波同时在介质中传播时，由于光克尔效应，每一束光都将使介质的折射率发生变化，该非线性折射率不仅影响这束光自身（自相位调制），也会使得同时在介质中传播的其他光受到影响，这就是交叉相位调制.

假设两束光同时在光纤中传播，第j （j=1或2）束光在距离Ｌ处的相位变化量为

230[(2)]j j j j n n I I k L -φ=++ (1.2)

其中，j I 为第j 束光的强度；右边第二项来自自相位调制；第三项就是由交叉相位调制导致的非线性相位302j j I k L -.利用交叉相位调制可以实现光开关、波长转换等应用；但是它也会在光纤陀螺、波分复用等系统中引入干扰.

交叉相位调制仅仅使入射的多束光波之间发生作用，但不发生能量转移；而在另一些条件下，不同光波之间还会因其他的非线性作用从而产生新波并发生能量转移，这些非线性现象包括以下介绍的受激布里渊散射、受激拉曼散射和四波混频.

早在1928年拉曼就发现受激拉曼散射，其物理现象是：一定频率的光波入射到介质上时，很小一部分光功率会转移到新的频率的散射光上，新产生的谱线对称分布在入射频率的两侧.一般情况下，高频率光（称之为反斯托克斯光，anti-Stokes ）的产生要远远少于低频率光（称之为斯托克斯光，Stokes ），因此一般不考虑反斯托克斯光.若入射泵浦为较强的激光，很容易激发出相干性很强的斯托克斯光，此时称为受激拉曼散射.当入射泵浦光的功率达到某一阈值时，泵浦能量将迅速转换到斯托克斯波上去；而当斯托克斯波的强度又达到阈值后，它作为泵浦源又会产生更高阶的斯托克斯波，以此类推，这一个过程称为级联过程.

受激拉曼散射的量子描述是，介质中一个入射泵浦光子通过非线性拉曼散射转移部分能量，产生低频斯托克斯光子，而剩余能量被介质以分子振动（光学声子）的形式吸收，完成振动态之间的跃迁.斯托克斯频移r p s v v v =-由分子振动能级决定，其值决定了受激拉曼散射的频率范围，其中p v 是泵浦光的频率，s v 是斯托克斯光的频率.对非晶态石英光纤来说，其分子振动能级融合在一起，形成了一条能带，因而可在较宽频差p s v v -范围（40THz ）内通过受激拉曼散射实现信号光的放大，但受激拉曼散射的阈值相对较高.

布里渊散射现象是法国物理学家Leon Brillouin 发现的，是光纤中的另外一种重要非线性现象.它是由介质中的(3)

χ非线性效应引起的与声学声子相关的非线性散射.光纤中一个入射光子被转换成能量稍低一点的（低频）、反向传输的散射光子和一个声子.这个过程在低能量的情况下自发进行，为自发布里渊散射；当介质中的入射光达到一定阈值时就会变成强烈的受激效应，这时布里渊散射将表现出入射光的大部分能量转移到后向传输的散射波，导致后向散射波被非线性放大.与拉曼散射是入射光子和光学声子发生作用不同的是，布里渊散射是入射光子和声学声子发生作用.因此光纤中的布里渊散射的表现也与拉曼散射不同：

（1）布里渊散射的阈值与泵浦光的谱宽有关：如果泵浦光是谱宽很窄的连续光或准连续光，其阈值非常低，为毫瓦量级（此时容易发生级联布里渊散射）；而如果泵浦是脉冲且脉宽小于1ns 或是非相干光，几乎不发生布里渊散射.

（2）布里渊散射的斯托克斯频移约为10GHz ，远小于拉曼散射

（3）布里渊散射产生的斯托克斯是向后向传播的.

布里渊散射产生的布里渊移量与光纤中的声速成正比，而光纤的折射率和声速都与光纤的温度及所受的应力等因素有关，这使得布里渊频移随这些参数变化而变化，温度和光纤应变部分都会造成布里渊散射频率产生线性移动.

四波混频（four-wave mixing,FWM）是光纤介质的非线性三阶极化率实部作用产生的一种光波间耦合效应，是因不同波长是两三个光波相互作用而导致在其他波长上产生所谓混频产物或边带的新光波，这种相互作用可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应.所谓参量效应，指的是非线性效应对介质参量如折射率的调制，而发生四波混频的原因是入射光中的某一个波长上的光会使光纤的折射率发生改变，则在不同的频率上产生了光波相位的变化，从而产生了具有新的波长的光波.与前述受激散射产生新波长的原理不同的是，四波混频是非弹性过程，光纤起被动作用；而受激散射是弹性散射，光纤起主动作用.

受发生条件的限制，光纤中常见的四波混频现象，通常是两个泵浦光子湮灭同时生成两个频率不同个光子，它们满足能量和动量守恒条件.这两个条件的具体表现就是泵浦光频率之和与生成光频之和相等，且满足相位匹配条件.这是参量过程与前述的拉曼散射、布里渊散射所不同的地方.

光子晶体光纤

由于结构可以灵活设计，光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）可以产生许多的特性，如无截止波长传导、灵活的色散、高双折射及高非线性等，使得PCF在通信、传感等领域具有广泛的应用前景，成为了光纤发展的新方向，是当前光纤光学领域的一个研究热点.

所谓光子晶体就是折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期为光波长数量级.我们熟知的微电子学对电流精确控制是建立在半导体材料的能带理论基础上的.电子禁带是一个能量带，它能有效地阻止电子通过半导体.电子禁带的存在及其性质主要取决于禁带晶体的原子类型和晶体结构（即晶格的间距和形状）.光子的光子晶体中的运动规律类似于电子在固体晶格中的运动规律.在固体晶格中由于电子的势能具有周期性，电子的能量呈现带状结构，在电子的能量的允许能带之间存在着电子能量不可能取值的禁带.在光子晶体中，由于折射率呈现周期性变化，光子在其中运动时，其能量也具有带状结构，带与带之间存在着光子禁带.在光子禁带内，光子晶体将反射入射方向上的所以偏振态的电磁波，不允许任何电磁波传播模式，这将显著地改变光与物质相互作用的方式.而光子晶体中光子禁带的存在和性质与电子禁带类似，主要取决于介质的类型和晶体的排列结构.尤其是排列结构，可以引起光子晶体许多性质的变化，如改变介质大小和形状，改变介质的排列，改变晶体的周期从而使其形成缺陷态等.由于光子晶体存在光子带隙，可以在大小、形状、周期等方面改变其折射率从而改变其传播特性，在无阈值激光器、光波导、光开关等领域有相当广泛的应用前景.

在自然界中，存在着天然的光子晶体结构，如蝴蝶的翅膀，蛋白石等.

光子晶体光纤是光纤芯子位置沿Z轴（传输方向）引入缺陷的二维光子晶体，一般由石英玻璃基底和空气孔构成.按导模机制的不同，PCF可以分为两大类：全内放射型和光子带隙型.

光子晶体光纤与传统阶跃光纤最大的区别在于光子晶体光纤的包层由空气孔按一定规律排列形成，这也使得光子晶体光纤的传播特性与传统光纤有很大不同.光子晶体光纤和传统光纤的最大区别是其横截面上空气孔的引入.正是由于这些空气孔的存在，光子晶体光纤才呈现出许多新颖的传输特性.光子晶体光纤的出现突破了传统光纤在单模光纤、色散、有效模场面积、双折射等方面的一些限制.光子带隙导模型光子晶体光纤还可以做到将模式场集中在低折射率区（如空芯）.它的出现极大地拓展了光纤光学的研究领域.

光子晶体光纤的损耗主要分为三类：①散射损耗；②吸收损耗；③限制损耗.其中限制损耗是光子晶体光纤所特有的，它是由于光子晶体光纤包层空气孔的有限性引起的.限制吸

收是与吸收无关的损耗，依赖于光子晶体光纤的结构及光场，与结构参数、包层空气孔的层数、波长等因素有关.限制损耗的产生原因是纤芯的折射率与包层基质折射率是相同的，从而模式是泄露的，由于层数的有限，导致模式的泄露，形成限制损耗，随着空气孔层数的增加，限制损耗是不断降低的.同时占空比的增加也可以降低限制损耗.光纤结构不变，波长的增加则会导致限制损耗的增大.

妨碍光子晶体光纤技术获得广泛应用的一个关键因素是光纤的熔接问题.光子晶体光纤与普通单模光纤的接续，以及光子晶体光纤之间的接续是其获得实际应用必须解决的问题.光纤之间的接续损耗主要由两个方面引起：模场不匹配已经熔接过程中对光纤结构的损坏.模场不匹配因素是由两侧光纤的固有结构所决定的，可以通过理论公式进行估算；熔接过程中对光纤结构的损坏则导致模场失配是由实际熔接工艺和熔接参数决定的.而对于由大量空气孔构成的光子晶体光纤而言，这方面的影响往往更为重要.一般来说光纤熔接的质量依赖于光纤端面处理的平整程度、光纤间的对准和折射率、熔接的功率和熔接的时间.

色散是光纤的一个重要参数，它指的是由于输入信号中包含不同频率的光，它们在光纤中传输速度不同，不能同时到达输出端，从而导致输出端脉冲展宽变形，形成失真的现象.光纤的色散用色散系数D表示.无啁啾脉冲在光纤中传播时，其展宽与其中心频率处的色散系数D成正比，因此控制光纤的色散对信号的传输非常重要.

光子晶体光纤中的石英玻璃和空气具有较大的折射率差，光纤中空气孔的大小和排列方式也可以实现多种设计.因此光子晶体光纤较传统光纤而言，可以更加灵活地设计其色散特性.

微纳光纤

器件的微型化是科学研究和技术发展的重要趋势之一，是未来高速光通信系统和高速信息处理等应用的核心技术.作为微纳光子器件中最基本的光信息传输单元，微纳尺度的光波导结构是当前光子学领域的研究热点之一.

与其他种类的微纳光波导（如硅基平面波导、金属表面等离子体波导）相比，微纳光纤具有易制备、结构简单、均匀度高、传输损耗低、物化性能稳定和机械强度高等特点，而且可以方便地与现有光纤系统耦合和集成，近年来受到越来越多的关注.由于微纳光纤的直径接近或小于传输光的波长，光纤与环境包层之间的折射率差很大，因此，与普通光纤相比，微纳光纤具有一些特殊的光学特性，如强约束能力——可以将光约束在具有亚波长截面的模场上传输、强倏逝场——光纤外传输的倏逝场能量比例可以超过90%、异常波导色散——波导色散可以远高于材料色散，从而使总色散取值范围比常规光纤大几个数量级.

光纤光源

DFB光纤激光器优于DBR光纤激光器之处在于它只用一个光栅就能实现反馈和波长选择，容易获得单纵模、窄线宽工作，而且频率稳定性更好，还避免了有源光纤与光栅的熔接损耗.DFB光纤激光器的缺点是掺铒光纤纤芯含锗量少，光敏性较差，光栅制作比较困难.简而言之，DFB光纤激光器的基本原理是：在有缘光纤布拉格光栅中引入π/2的相移，当泵浦光注入时，将产生单模激光输出，从而形成DFB光纤激光器.因此对DFB光纤激光器的分析可以从了解π/2相移光栅的传输特性入手.

所谓相移光栅，是在常规光纤布拉格光栅的某一特定部位引入一定的相移，产生两个相互异相的光栅，这两个相互异相的光栅类似于波长选择法布里-珀罗谐振腔，允许谐振波长的光注入到光纤布拉格光栅的阻带，在阻带中打开一个线宽极窄的透射窗口.

拉曼增益与泵浦波长和光纤介质有关.石英光纤的拉曼增益谱很宽，达到40THz ；最大增益位于泵浦频率的下端13.2THz （440cm -1）处，因此拉曼增益谱的选择范围很广.光纤拉曼激光器具有结构简单、输出光束质量好、波长选择范围光等优点，但由于非线性效应强弱与泵浦光功率有很大光系，拉曼散射的阈值相对较高.利用拉曼效应的级联过程可构建级联光纤拉曼激光器.级联光纤拉曼激光器理论上可以实现任意波长的激光输出.

光纤中的布里渊散射与拉曼散射类似，即入射泵浦光在介质中产生频率下移的斯托克斯光.但与拉曼散射是入射光子和光学声子发生作用不同的是，布里渊散射是入射光子与声学声子发生作用.因此光纤中的布里渊散射的表现也与拉曼散射不同：①布里渊散射的阈值与泵浦光的谱宽有关：如果泵浦光是谱宽很窄的连续光或准连续光，其阈值非常低，为毫瓦量级；而如果泵浦光是脉冲光且脉宽小于1ns ，或泵浦光是非相干光，几乎不发生布里渊散射.②布里渊散射的斯托克斯频移约为10GHz ，远小于拉曼散射.③布里渊散射产生的斯托克斯光是后向传播的.

基于布里渊散射的光纤激光器可广泛用于陀螺仪、传感器、微波源已经光通信等领域.光纤布里渊激光器可以由环形腔构成，也可以由法布里-珀罗腔构成，其运行方式可以是连续光也可以是脉冲光，其输出可以控制为单波长输出或多波长输出.由于布里渊散射阈值较低，很容易发生级联布里渊散射.为了避免产生多个斯托克斯线，大多数单波长输出的光纤布里渊连续激光器采用环形腔结构.为了得到脉冲输出，可以在布里渊激光器中采用主动锁模技术，或利用同步脉冲做泵浦，或利用非线性自脉冲效应.

光纤激光器与其它固体激光器相比，激光由于被限制在波导中传输，具有很好的光束品质和环境稳定性.光纤特殊的几何结构决定了它可以获得非常高的单次通过增益，而且具有极好的散热效果.这使得光纤激光器无须冷却系统，加上使用商用半导体激光器（LD ）直接泵浦，其结构更加紧凑，成本更低廉.

大模场面积光纤是高功率激光传输的关键器材，而大模场面积光子晶体光纤的出现为研制高功率光子晶体光纤激光器提供了可能.在传统的光纤掺杂技术（MCVD 法）中，在保证光纤单模运行的前提下，通过减小数值孔径或增大芯径可以获得较大的模场面积.但光纤芯层与包层折射率差的精度控制最终限制了光纤的最小数值孔径.光子晶体光纤技术为制造大模场面积光纤开辟了新的道路.光子晶体光纤在提供大模场面积的同时还可以更准确地控制芯包之间的折射率差，从而保证光纤在任意波长的单模特性.通过增大孔距同时保持空气孔的相对孔径小于某一特定的值，就可以获得大模场面积，同时保持单模运行的光纤.光子晶体光纤中的较大的折射率差（空气与石英玻璃）使得制造多模大数值孔径（大于0.8）光纤成为可能.另外，稀土掺杂大数值孔径小模场面积光子晶体光纤的设计减小了信号光和泵浦光的模场，可以提高小信号增益系数，降低泵浦阈值.如果在光纤芯子附近破坏结构的对称性，引入高双折射，还可以实现保偏的目的.

超连续谱（supercontinuum,SC ）是指光波在透明介质中传播时，由于非线性效应的作用，光谱被极大展宽的现象.超连续光谱已经给控制飞秒激光脉冲的相位稳定、脉冲压缩、光纤频率测量、密集波分复用（DWDM ）光源、光学相干层析（OCT ）等领域带来重要突破.

超连续谱的起源与折射率的变化相关（由电场强度和非线性折射率n 2决定）.由此引入的时间依赖相位导致了输入脉冲波长附近产生新的频率分量，出现群时延和脉冲展宽等现象.光纤的零色散波长0λ与泵浦波长pump λ的相对位置是超连续谱产生的关键因素.例如，在光纤的反常色散区，当pump 0λ>λ时，可以得到最宽的超连续谱，而当pump 0λ=λ或pump 0λ<λ时，超连续谱很窄，但具有更好的平坦特性.当泵浦在反常色散区时，群速度色散与SPM 之间的平衡导致高阶孤子的形成（孤子的阶数与脉冲幅度相关）.由于光子晶体光纤中的三阶

色散（较传统光纤要高）、SRS以及自陡峭效应，这些高阶孤子将分裂为基孤子脉冲，每个孤子脉冲发出对应的蓝移而且相位匹配的非孤子波，最终脉冲形成稳定红移的N个具有不同中心波长的基孤子，随后发生的SRS、FWM效应以及光纤色散使得光谱加宽并更加平滑.在反常色散区，超连续谱起源于高阶孤子分裂，但同时反常色散会使输入脉冲的噪声经调制不稳定性而放大.输入脉冲的其他参数也会对超连续谱产生重要影响，如输入脉冲的功率、啁啾以及光纤的模式折射率、群速度色散等.与反常色散区不同，当在正常色散区输入飞秒脉冲泵浦时，超连续谱的产生机制主要为SPM，同时SRS决定了超连续谱向长波长方向展宽.超连续谱的形状与带宽由光纤的零色散波长与泵浦波长的相对位置以及泵浦功率决定.特别是当泵浦波长靠近光纤的零色散波长时，其他非线性过程如FWM将会对谱展宽产生贡献.实际上，即使泵浦波长在正常色散区，当泵浦功率增加，由于高色散斜率与SRS的作用，光谱将展宽超过零色散波长而进入反常色散区，从而形成孤子.靠近零色散波长的泵浦，将产生孤子，其位置依赖于泵浦功率，同时会引起光谱的高度不稳定性.由于光子晶体光纤结构参数的可调性，可设计出具有两个零色散点且相互较为接近的色散曲线.当泵浦波长位于两个零色散点之间时，与上述的展宽机制不同，最初SPM导致谱展宽，当光强降低到满足相位匹配条件时FWM将对光谱展宽产生贡献.在此种超连续谱形成过程中孤子效应只起次要作用，其噪声较低.

光子晶体光纤中的第一个超连续谱产生实验采用的是高功率短脉冲（飞秒量级）.当采用短泵浦脉冲时，增加光子晶体光纤的长度或脉冲功率将获得更宽的光谱.较高的脉冲功率泵浦将使超连续谱变得平滑，同时强度抖动变低，这对于超连续谱作为宽带光源来说非常重要.此外，较弱的光功率（几千瓦）、较长的光纤长度（米量级）在约100fs脉冲的条件下，将获得更高质量的光谱.

分布式光纤传感技术

λ的光波注入到光纤中时，入射光子与纤芯中微观粒子相互作当具有一定能量波长为

用，会产生后向瑞利、拉曼和布里渊散射光，利用这些散射光就可以对沿光纤不同位置的温度应力及弯曲等物理量进行测量.

瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的，散射光的频率与入射光的频率相同.瑞利散射光与光纤的损耗和吸收特性有关，受温度影响不明显.拉曼散射是由入射光与光纤中的光声子产生非弹性碰撞产生的，波长大于入射光的为斯托克斯光，波长小于入射光的为反斯托克斯光.反斯托克斯光受光纤中因自发热运动而产生的声子产生非弹性碰撞引起的，其在光纤中产生新的频率分量.该散射频移分量是由声波产生的移动光栅所产生，光栅以声速在光纤中传播，且声速与光纤温度的应力有关，所以两个布里渊频移分量均携带光纤的局部温度与应力信息.

新型光纤传感机制与技术

光纤环形腔由两个光纤耦合器和一段长光纤组成，待测样品也置于环腔内.在一个衰减周期中，一个输入脉冲由耦合器1耦合入环腔，在环腔内循环多次，功率由于腔内的损耗而逐次衰减，在耦合器2的输出端连接的探测器上获得一列时序脉冲，脉冲强度在时域上呈指数衰减，衰减时间（输出脉冲光强衰减至初始光强的1/e所用时间）由环腔内的总损耗决定.通过测量衰减时间，可以算出环腔内的总损耗，减去耦合器的插入损耗、光纤的传输和熔接损耗，即可获得待测样品的吸收损耗.这种方法有如下优点：首先，由于待测损耗由信号的

时域性质所决定，从而不依赖于激光光强，具有对激光器噪声的低敏感性；其次，把待测样品置于光纤腔内也可以使其避免腔外噪声或损耗的影响，从而提高了测量的灵敏度；最后，光纤腔衰荡的优点为结构简单、紧凑、成本低廉.

光纤表面等离子体谐振（surface plasmon resonance ，SPR ）传感器是将高灵敏度的表面等离子体传感技术与低能量消耗的光纤传输技术有机结合的产物.它能够对传感器表面待测介质组成的微小变化做出灵敏的响应，适用于研究传感器表面敏感层中物质与介质溶液的生物及化学反应，进而定量测定介质溶液中的微量生物和化学活性物质.

SPR 是一种物理光学现象，由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生.光线从光密介质照射到光疏介质时，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象.如果在两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝场的p 偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子波（SPW ）.

所谓光学相位共轭技术（optical phase conjugation ，OPC ）就是通过该技术能得到信号光的相位共轭光，而相位共轭光是指其电场的包络复振幅是入射光复振幅的共轭.相位共轭技术广泛用于光计算、激光、图像处理及非线性激光光谱学等领域.在光纤通信领域，先是用来补偿光纤的线性色度色散效应，其后相位共轭（又称频谱反转）技术在光通信领域被广泛研究并被用于抑制长距离光纤传输过程中传输光纤的非线性干扰.

在实际应用中，常见的相位共轭系统都是在光纤链路中心（或中心附近）放置一个相位共轭器.光信号先经过前半段光纤链路的传输，然后在链路的中心位置利用相位共轭器件得到与光信号相位共轭的共轭光，之后将得到的共轭光滤出作为信号，沿后一段链路继续传播.由于群速度色散的存在，信号脉冲的不同频率分量在光纤中传播的速度不同，结果一段光纤传播后，速度快的频谱分量位于脉冲前沿，而速度慢的频谱分量位于脉冲后沿，即光纤中的色散使脉冲产生啁啾，使得脉冲展宽甚至前后脉冲相互交叠；经过相位共轭器后，得到的共轭光脉冲其频谱相对于信号光发生了反转（相位共轭的这种特性常称为频谱反转，spectral inversion ），这时在前一段光纤中的慢频率分量（时域中位于脉冲后沿）转变为快频率分量，而快的频率分量（时域中位于前沿）变为慢频率分量，再经过同样的光纤链路传输后，此时的快分量追上慢分量，脉冲恢复至原来的脉冲宽度，并且相互重叠的脉冲也分开了.相位共轭抑制非线性克尔效应的过程与之相类似，即相位共轭器在链路中间将非线性克尔效应引入的脉冲啁啾反转.与色散不同的是，非线性克尔效应是非线性效应，其产生的啁啾依赖于信号脉冲的功率，因此相位共轭抑制非线性克尔效应的效果还依赖于信号功率沿光纤链路的分布.

光纤信息处理技术

最近几年，人们开始研究通过减慢光的传播速度的办法来控制信号传输时间，从而实现信号的存储以及精确控制等功能.所谓慢光，就是控制光的速度使其传播速度减慢.相反，加快光的传播速度称为快光.

光的传播速度包括相速度p v 和群速度g v ，前者是光相位的传播速度，后者是光能量的传播速度，我们通常所说的光速是指后者.可以用相折射率/p p n c v =和群折射率/g g n c v =来表征相速度和群速度.p n 和g n 关系表示为

/g p p n n wdn dw =+ (1.3)

其中w 代表光的频率.从公式可得出，通过改变群折射率可以改变群速度，而群折射率的改变来自于相位折射率随频率的变化，相位折射率随频率变化越快，群折射率和群速度改变越大.因此实现慢光的关键是使材料的相位折射率随频率快速变化，即具有强的色散效应.如果折射率随频率的增加而增加，称为“正常色散”，对应慢光；相反，如果折射率随频率的增加而减小，称为“反常色散”，对应快光.

我们知道，材料的吸收（或增益）和色散满足因果关系，如果把折射率看成复数，则其实部代表色散，虚部代表吸收（或增益），实部与虚部满足Kramers-Kronig 光系，表示为 2(')()'4'g w n w n dw w w ∞-∞λ=-π-? (1.4) 其中，n 代表材料的本征折射率；g(w)代表增益（或吸收）谱线；n(w)代表折射率随频率的关系（即色散）.

如果材料在某波长处存在很窄的增益或吸收峰，根据Kramers-Kronig 关系，窄的增益或吸收峰将导致折射率的改变.折射率的实部代表相位，虚部代表增益或吸收.增益对应“正常色散”，实现慢光；吸收对应“反常色散”，实现快光.因此，实现慢光的关键是在材料中形成一个窄的增益峰，增益峰越窄，增益值越大，信号的延迟量也越大.信号的延迟量可简单表示为T~G/B.其中G 表示信号增益大小，B 表示增益带宽.增益带宽B 越窄，延迟量T 越大，但所能支持的信号速率相应降低.

光纤通信中的光性能监测

色度色散（CD ）的产生源于不同频率的光通过光纤时速度不同，以至于一些频率成分提前到达.任何携带信息的信号都包含一定范围的频率成分，因此一个数字信号被调制到光载波上时，传输后CD 将导致脉冲展宽，与相邻脉冲重叠，造成码间干扰（ISI ）和信号传输错误.

偏振模色散（PMD ）是高速可重构光的一个重要损伤.单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，在理想的光纤中，由于波导的圆柱对称性，这两种模式是无法区分的，并且有同样的传播常数.然而，实际的光纤并不是完全对称的，因此沿着两个主偏振态（PSP ）传播的两个垂直偏振分量可能以不同的速度传输并在不同时间到达，造成ISI.这种现象叫做PMD.在一阶近似中，PMD 表现为差分群时延（DGD ）.

光纤和线路上的其他双折射光器件都会产生PMD 积累由于固有的性质，PMD 对信号造成的损伤是随机的、时变的，并受到振动、压力、温度等外界因素的影响.此外，这些影响包括一阶和高阶成分.

光纤保密通信与编码技术

量子信息学是信息科学和量子力学相结合的交叉学科，在提高运算速度、增大信息容量等方面具有突破现有经典信息系统极限的能力.与经典密码通信不同，量子密码的理论基础是量子力学，安全性不是基于计算的复杂性，而是基于量子物理的基本特性，在物理上实现了绝对的安全性.主要依据“海森伯测不准原理”和“量子态不可复制定理”

（1）“海森伯测不准原理”是指同一时刻以相同精度测量量子的位置与动力是不可能的，只能精确测量两者之一.即任何一个物理量的测量都不可避免地对另一物理量产生干扰，能够保证通信双方自己测量到信息是否被窃听，使通信双方无需事先交换密钥即可进行保密通信.

（2）“量子态不可复制定理”是“测不准原理”的推论，是指在不知道量子状态的情况

下复制单个量子是不可能的.复制量子态必须要先对量子态进行测量，而测量会破坏原有的量子态.这样，通信双方就会察觉到窃听者的存在.

量子保密通信利用以上原理原则提供了不可破译、不可窃听和大容量的保密通信体系.

光子纠缠(Photon Entanglement) 理论认为,两粒来自同一光束的光子, 若两粒光子分开来,发生在其中一粒光子上的事情, 在另一粒光子上都能反映出来.

随着当今信息社会对通信容量、信息安全性要求的逐步提高，迫切需要开发具有高速率、高安全性的信息保密通信技术.混沌保密通信是最近十几年来发展起来的一种新型信息保密技术.混沌是非线性动力学系统中一种确定性的、类随机的运动.混沌信号具有遍历性、非周期、类噪声、可再生等特性，特别适合用于保密通信.混沌保密通信大致分为三大类：（1）直接利用混沌进行保密通信；

（2）利用同步的混沌进行保密通信；

（3）混沌数字编码的异步通信.

其中，第二类的混沌同步通信是目前的研究热点，其基本思想是利用发射端产生的混沌信号作为载波，把信息信号加载到混沌载波中，信息信号与混沌载波一起注入到接收器.在接收器与发生器之间实现混沌同步的条件下，利用接收器的混沌带通滤波作用，在接收端可解调出信息信号.

在无线调频通信中，发射机按照调频图案不停地切换载波波长，接收机只有按照同样的方式切换波长才能接收到完整的信息，同时因为载波的不断切换，抗干扰能力也得到明显提升.即使有部分频点被干扰，依然能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信.与固定频通信相比，跳频通信具有较好的隐蔽性.只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获通信内容.由于调频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，调频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新.

光跳频通信技术借鉴了传统的无线电调频通信技术，光跳频技术与常规光通信不同，信号被分段在多个信道中传输，实现光跳频通信技术的关键是不同波长信道的快速切换.

光跳频通信技术巧妙地借用了无线跳频通信概念，两者都利用了载波的跳变.不同的是，在无线跳频通信中，任何时刻，信号只加载在一个载波波长上，利用快速频谱分析技术，就可以得到跳频图案，从而能够实施监听或干扰；而在光跳频通信技术中，所有的光信道都有信息加载.即便采用高速光谱分析技术，也不能获得跳变序列的信息.所传输的信息具体被加载到哪个光信道上完全由跳频密钥决定的，因此光跳频通信中，信息传输具有更大的隐蔽性.

光跳频通信防护技术是一种原创性新技术，将成为未来互联网中局部保密通信的关键技术之一，该技术的优点有：①采用光电子器件对信息进行加密，达到传统微电子芯片加密方式无法达到的加密吞吐量；②在互联网中开辟安全通道，只需在端机上做文章，不需要重新铺设光纤，充分利用现有公网和专网资源；③不需要任何特殊光电子和微电子器件，能在较短时间内开发出商用产品.