（光学专业论文）光纤超短脉冲光源的理论和实验研究.pdf

南开大学博士学位论文摘要 摘要 现代超快光学技术是目前国际学术界一个非常活跃的前沿研究领域，飞秒脉 冲光源是现代超快光学技术的基础，也是实现光纤通信系统超高速、大容量传输 的关键之一。被动锁模和光脉冲压缩技术是产生飞秒光脉冲的行之有效的方法。 本论文从实验和理论两方面对超短脉冲光纤光源进行了较为深入细致的研究。本 论文的主要内容包括： 2 3 4 5 6 7 利用非线性偏振旋转锁模的经典动力学模型，研究了被动锁模光纤激光器的 腔内参数对输出光脉冲特性的影响。用广义耦合非线性薛定谔方程数值模拟 了被动锁模光纤激光器中孤子脉冲形成的全过程。 在同一被动锁模光纤孤子激光谐振腔中，实现了脉宽为3 5 2 f s 、重复频率为 1 2 5 m h z 、峰值功率高达1 5 7 k w 的稳定飞秒单孤子脉冲；8 阶谐波锁模孤子 光脉冲；间隔为1 4 0 p s 的束缚态孤子光脉冲；5 阶谐波锁模束缚态孤子光脉 冲和间隔为1 3 8 6 p s 的f s 束缚态孤子脉冲串。 分析了色散渐减光纤中交叉相位调制引起的调制不稳定性，得到了光纤损耗 和离散效应同时存在情况下的色散关系式。研究发现，在抽运功率、传输距 离、光纤损耗相同的条件下，色散渐减光纤较常规光纤具有较宽的增益谱， 更易产生超短脉冲序列。 提出并实现了一种产生重复频率可成倍增长的脉冲串的新方法，即在环形腔 掺铒光纤激光器中，引入取样光纤光栅和低色散、高非线性光子晶体光纤， 使该激光器的重复频率在1 0 0 g h z 、2 0 0 g h z 和3 0 0 g h z 三者之间互相转换，激 光器输出光脉冲的宽度为2 p s 。 在被动锁模光纤激光器中，实现了脉宽2 p s 、重复频率从6 4g h z 到 1 1 4 g h z 范围内连续可调的调制不稳定性光脉冲序列。 提出了两种光孤子脉冲压缩的新方法：利用孤子绝热放大和高阶孤子脉冲压 缩相结合实现飞秒高阶孤子压缩，它利用喇曼散射与负三阶色散的相互作 用，消除了正三阶色散对光脉冲压缩时产生的不利影响，提高了压缩比，改 善了光脉冲的质量；采用色散渐减光纤组成的非线性光纤环形镜压缩高阶孤 子，发现该方法能有效地消除压缩后脉冲的底座、提高光脉冲的输出能量。 在同一包层泵浦e “y b 共掺光纤激光谐振腔中，利用一段未泵浦的光纤做饱 和吸收体，通过调整泵浦功率，实现了连续、调q 、调q 中的自锁和连续锁 模等工作模式；分别利用m z 干涉仪和光纤光栅环形镜做饱和吸收体，对 i 南开大学博士学位论文 摘要 上述激光器进行优化，实现了全光纤化的调q 和低噪声锁模激光的稳定运 转。并对该光纤激光器的工作原理进行了定性解释。 8 对采用二次泵浦方式的l 波段环形腔e “y b 共掺光纤激光器进行了研究，在 泵浦入纤功率为2 7 3 2 m w 时，激光器输出功率达到5 1 8m w ，斜率效率达到 1 9 ；采用由两段高双折射光纤和两个偏振控制器组成的环形镜做波长选择 器件，分别实现了环形腔和线形腔l 波段可调谐激光器的稳定运转，激光器 调谐范围可达到6 0 n m ，不同波长处激光输出功率的起伏小于o 7 d b 。 关键词：被动锁模；光孤子光纤激光器：束缚态孤子：谐波锁模；调制不稳定 性：光脉冲压缩；调q ；锁模；二次泵浦 i i 南开大学博士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h em o d e r nu l t r a f a s to p t i c a lt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h es u b j e c to fi n t e n s i v e i n v e s t i g a t i o nr e c e n t l y as t a b l eu l t r a s h o r t p u l s e s o u r c ei st h eb a s i so ft h e f e m t o s e c o n do p t i c s ，a n dt h ev e r yi m p a r t m e n tf o rt h ef m u r eu l t r a h i 曲s p e e do p t i c a l c o m m u n i c a t i o n t h ep a s s i v e l ym o d el o c k e df i b e rl a s e ra n dt h ep u l s ec o m p r e s s i o n m e t h o da r ev e r ya t t r a c t i v ea m o n gm a n yp o t e n t i a lf 色m t o s e c o n do p t i c a lp u l s es o u r c e s i nt h ef u t u r ea l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i st h e s i se x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l ym a k e sar e l a t i v e l yd e e pr e s e a r c hi n t ou l t r s h o r tp u l s eo p t i c a lf i b e r s o u r c e ，a n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf b l l o w s ： 1 t h ei n 玎u c n c eo fn o n j i n e a rp 0 1 a “z a t i o nr o t a t i o np a s s i v e l ym o d e - 1 0 c k e df i b e r l a s e rc a v i t yp a r a m e t e r so no u t p u tp u l s e w i d t h ，c h i r p ，b a n d w i d ma n ds t a b i i i t yi s i n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y w eh a v ea l s o n u m e r i c a l l y s i m u l a t e dt h e p u l s e d y n 锄i c so ft h ef i b e rs o l i t o nl a s e r 2 b yd e s i g n i n gt h ec a v i t yp a r a m e t e r so ft h ef i b e rr i n gl a s e r ，s t a b l es i n g i e8 0 l i t o n p u l s e sw i t ht h ep u l s ew i d t h o f3 5 2 f s ，t h er e p e t i t i o nr a t eo f1 2 5 m h za n dt h ep e a k p o w e ro f1 5 7 k wa r eo b t a i n e d t h es t a b l e8 t hh a 咖o n i cm o d e l o c k e do fn o r m a l s o l i t o n ，t h es i n g l eb o u n ds o l i t o n sw i t ht h es o l i t o n ss p a c i n go f1 4 0 p s ，t l l e5 t h h a 加o n i cm o d e l o c k i n gm o d ea n dat r a i no fb o u n ds o l i t o n sh a v ea l s ob e e n o b t a i n e di no n eg i v e np a s s i v em o d e l o c k i n gn b e rr i n gl a s e rf o rt h ef i r s tt i m e 3 t h em o d u l a t i o n i n s t a b i l i t y i n d u c e db yt h e c r o s s p h a s e m o d u l a t i o ni na d e c r e a s i n gd i s p e r s i o nf i b e ri si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ee x p r e s s i o no ft h ed i s p e r s i o n r e l a t i o ni so b t a i n e dw h e nt h ef i b e rl a s sa n dt h ew a l k o f fe f 诧c ta r et a k e ni n t o a c c o u n t i ti sf o u n dt h a tt h eg a i ns p e c t r u mo fd d fi sm u c hb r o a d e rt h a nt h a to f o r d i n a r yo p t i c a lf i b e r s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na l s os h o w st h a tt h eu l t r a s h o r t p u l s e sc a nb eg e n e r a t e di nt h ed d fb ym o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y 4 w ee x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t eap a s s i v e l ym o d e - l o c k e d e r b i u m d o p e df i b e r l a s e rw i t hr e p e t i t i o nr a t e m u l t i p l i c a b l es o l i t o np u l s et r a i n s b yu s i n gas a m p l e d f i b e rb r a g gg r a t i n ga sap e r i o d i cm u l t i - c h a n n e lf i l t e ra n du s i n gt h el o wa n dn a t d i s p e r s i o n o fah i g h 】y n o n “n e a r p h o t o n i cc r y s t a lf i b e f ， a n d b ya c c u r a t e l y a d j u s t i n gt h ep o l a r i z a t i o ns e t t i n ga n dt h ep u m pp o w e r ，m er e p e t i t i o nr a t eo ft h e p u l s et r a i n sc a nb es w i t c h e da m o n g1 0 0 g h z ，2 0 0g h za n d 3 0 0g h z i 南开大学博士学位论文 摘要 5 w ee x p e r i m e n t a n yd e m o n s n 甚t eap a s s i v e l ym o d e 一】o e k e d e r b i u m d o p e d 丘b e f l a s e rw i t ht h ep u l s ew i d t ho f 2 p s ，a n dt h ep u l s et r a i n sr e p e t i t i o nr a t ec a nb e t u n e df r o m6 4 g h zt ol14 g h z 6 w ep r o p o s et w oi m p r o v e dm e t h o d st oc o m p r e s sh i g h o r d e rf e m t o s e c o n ds o l i t o n ， t h ef l r s tm e t h o dc o m b i n e se f 诧c t so fn e g a t i v et h i r d o r d e rd i s p e r s i o na n dr a i i l a n s e l f _ s c a t t e r i n gi nt h ef i b e r s t h es e c o n do n eu s e san o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r c o n s t r u c t e df i o md i s p e r s i o n d e c r e a s i n gf i b e r ，w h i c hc a nc o m p r e s sa n dp e d e s t a l s u p p r e s so fh i g h e r o r d e rs o l i t o n 7 w es t u d yt h et e n l p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa h i g h e n e r g ye r ，y bc o - d o p e df i b e rr i n g l a s e r b yu s i n gas e c t i o no fu n - p u m p e de r y bc o d o p e df i b e ra sas a t u r a b l e a b s o r b e r ， t h ed e v i c ec a no p e r a t ea ts e v e r a ld i f 毙r e n to p e 豫t i o nm o d e sf o r d i f r e n tp u m pp o w e r ，s u c ha sas t a b l es e l f - q s w i t c h e d ，s e l f - m o d e l o c k e dp u l s e ， a n dac o n t i n u o u s - w a v em o d e - l o c k e do p e r a t i o n b yi n c o r p o r a t i n gt h es a t u r a b l e a b s o r p t i o ni na nu n p u m p e de y d fa n dt h em a c h z e l l l l d e ri n t e r f e r o m e t e ro ra n b e rb r a g gg r a t i n gl o o pm i r r o r ，w eo b t a i nt h es t a b l ec o n t i n u o u s w a v em o d e l o c k i n gp u l s ew i t ht h el o w e rn o i s e sf o r t h ef i r s tt i m e 8 a c l a d d i n gp u m p e de r y bc o - d o p e dd o u b l ec l a df i b e rr i n gl a s e ro p e r a t i n gi nl b a n di sd e m o n s t r a t e d b yu t i l i z i n ga m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o na s a s e c o n d a r yp u m ps o u r c e ， t h el a s e rc a no p e r a t ei nl b a n ds t a b l y w h e nt h e p u m p i n gp o w e ri s3 5 9 4 5 m w ，t h em a x i m u mo u t p u tp o w e ro b t a i n e di s5 1 8 4m w ， t h es l o p ee f 珏c i e n c yi sl9 u s i n gah i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e rl o o pm i f r o ra st h e w a v e l e n g t hn h e r ，aw a v e i e n g t ht u n a b l er i n go rl i n e a rc a v i t yn b e rl a s e ro p e r a t i n g i nl b a n dh a v eb e e no b t a i n e d ，t h es t a b i l i t yo ft h el a s e ri sv e r yg o o d ，t h eo u t p u t w a v e l e n g t hc a nb et u n e di naw i d er a n g eo f6 0 n m ，a n dt h eo u t p u tp o w e ro ft h e l a s e ra td i f f e r e n tw a v e l e n g t l l sc a na l s ob en a t t e nw i t h i n0 7 d b k e yw o r d s ：p a s s i v e l ym o d e - l o c k e d ；f i b e rs o l i t o nl a s e r ；b o u n d s o l i t o n s ；h a r m o n i c m o d e o c “n g ；m o d u l a t i o n a ii n s 招b t y ；o p “c a lp u l s ec o m p r e s s i o n ；q s w i 把h e d ； m o d e l o c k e d ；s e c o n d a r yp u m p i n g m e t h o d s i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：彩秘 铆。f 年f 月夕日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内部5 年( 最长= 5 年，可少于5 年) 秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最睦2 0 年，可少丁2 0 年) 南开大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 二十世纪科学技术发展取得了巨大进步，信息技术革命风起云涌，计算机、 互联网络技术迅速兴起给人类的物质生活和精神生活带来了翻天覆地的变化。通 信已经成为人们生活中的重要内容。其中，光纤通信技术以其巨大的带宽潜力和 无与伦比的传输性能在通信领域，特别是在长距离大容量通信中占据着不可替代 的位置。 自二十世纪九十年代以来，光纤通信技术的发展更加迅速。从最初的普通单 模光纤到色散补偿光纤、色散平坦光纤、色散渐减光纤、高非线性光纤等特种光 纤的不断产生；从掺铒光纤放大器由c 带向l 带、c + l 带、s 带的不断扩展；从 信号处理由光一电一光模式向全光处理模式的转变；从光通信网络由2 5 g b i t s 向l o g b i t s 、4 0 g b i t s 的大步前进，“光纤通信”、“全光网络”几乎成为家 喻户晓的名词。 尽管光纤的引入使通信网络的发展取得了长足的进步，但伴随网络传输容量 的不断增加，光纤网络中的电子瓶颈问题越来越成为通信容量的一大难题。目前 大容量的全光通信技术主要有两种传输方式：波分复用技术( w d m ) “一”使人们能 充分利用光纤的带宽，除波长范围在1 5 2 5 n m 一1 5 6 5 n m 的c b a n d ，人们已开始利 用1 5 7 0 n m 一1 6 2 0 n m 的l b a n 矿1 和1 4 8 0 n m 一1 5 2 0 n m 的s b a n 驴1 ；另一种是光时 分复用技术( 0 t d m ) “1 ，该技术主要结合光孤子通信进行。光孤子通信主要是利 用光孤子脉冲能平衡光纤传输过程中色散和非线性的作用，从而实现长距离通 信。为了更大的提高o t d m 技术的传输速率，研制一种合适的光孤子源是o t d m 技 术领域中的一个非常重要的课题。 现有的光孤子源主要集中在一些半导体激光器 上，这类半导体激光器具有两个特点： ( 一) 输出的光孤子脉冲的脉宽比较宽， 一般在n s 或p s 量级； ( 二) 当激光耦合进光纤时具有较大的耦合损耗，且耦合 效率难以确保长期稳定。根据o t d m 的脉冲时域复用原理可知，孤子脉冲宽度越 窄，复用后的传输速率越高；光源的耦合效率越高越有利于信号传输。所以研制 一种脉宽较窄、耦合效率高的光孤子激光器非常重要，北美和西欧一些发达国家 在这方面纷纷开展了大量的相关研究”1 。 本文的主要工作就是围绕光纤超短脉冲光源的产生进行的。在本章的第一部 分指出被动锁模光纤孤子激光器是o t d m 系统的理想超短激光光源，并对其发展现 状进行了分析：本章的第二部分对利用调制不稳定性产生超短光脉冲串的研究进 南开大学博士生学位论文 第一章绪论 展进行了综述： 第三部分对利用光脉冲压缩技术产生超短光脉冲的研究情况进行 介绍：最后介绍论文的主要工作及取得的成果。 1 1 被动锁模光纤激光器的分类和发展 o t 咖技术要求系统的光源能产生具有较低占空比的超短脉冲。目前应用于 o t d m 通信系统的超短脉冲光源大致有以下四种0 1 ：增益开关d f b 激光器( g s d f b ) ”1 、外腔主动锁模半导体激光器( s m l ) “0 1 、d f b 激光器+ 电吸收调制器集成 模块( d f b + e a m ) 1 和锁模光纤激光器( m l e d f l ) “”。g s d f b 的结构相对来说 比较简单，性能也稳定，但是出射脉冲带有一定的抖动和较严重的红移啁啾，需 要进行消抖动和消啁啾处理后才能应用于传输，而且脉冲具有较大的直流基底， 时分复用后会产生干涉噪声；外腔s 肌输出脉冲的啁啾较小，但是重复频率不可 调、性能不稳定，集成后的外腔s m l 虽然在性能上相对稳定，但工艺复杂；利用 d f b + e a m 产生高重复率超短光脉冲对工艺有很高要求，输出脉冲的波长不可调。 与上述几种光源相比，锁模光纤激光器具有许多明显的优势：一方面，光纤到 光纤的耦合技术非常成熟，不仅有更高的耦合效率而且非常稳定；另方面，锁模 光纤激光器的腔结构比较简单、灵活、调谐范围较宽、腔内可调参数多，所以能够 很方便的利用主动锁模技术产生满足各种需要的高重复频率的超短脉冲；更重要的 是，光纤本身具有很多特有的性质，诸如自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制 ( x p m ) 、群速度色散( g v d ) 、非线性偏振旋转( n p r ) 等，合理地利用光纤的这些 特性不仅能方便地实现被动锁模，而且能有效地改善主动锁模脉冲的质量，产生更 短的光脉冲。这一点对o t d m 系统支持更高的传输速度是非常有利的。 锁模光纤激光器按锁模方式可以分为主动锁模光纤激光器”、被动锁模光纤 激光器“”和主被动联合锁模光纤激光器“”三类。主动锁模必须使用有源调制 器，使光纤激光器结构复杂化。同时主动锁模和主被动联合锁模由于调制能力有 限，限制了输出脉冲的宽度。与上述两种方案相比，被动锁模光纤激光器是获得 飞秒脉冲的有效方法，它能在激光腔内不使用调制器之类的任何有源器件的情况 下实现超短脉冲的输出。其原理是利用非线性器件对输入光强度的依赖性窄化脉 冲，得到更窄的光脉冲。它不受调制器响应速度的限制，可以得到相当稳定的超 短脉冲锁模序列输出，是o t d m 系统的理想超短激光光源。 2 南开犬学博士学位论文 第一章绪论 实现被动锁模光纤激光器的方法有很多种，主要包括利用s e s 伽构成的环形 腔或线形腔被动锁模光纤激光器“”；利用非线性光纤环形镜( n o l m ) ( 或非线性 放大环形镜n a l m ) 构成的“8 ”字型被动锁模光纤激光器“。”1 ；利用光纤中非线 性偏振旋转效应构成的环形腔或线形腔被动锁模光纤激光器“”等。 1 1 1 利用s e s a m 构成直线腔被动锁模光纤激光器 最初的激光被动锁模机制都是采用在腔内插入可饱和吸收体，这是加成锁模 ( a p m ) 技术出现前实现被动锁模的唯一方法。其锁模的机理是，当光脉冲通过可 饱和吸收体时，边缘部分损耗大于中央部分，其强度足以使可饱和吸收体饱和， 透过率最大，结果是光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化了。找到一种能对1 p s 或更短的时间内产生响应的快速可饱和吸收体很不容易，最合适于光纤激光器锁 模的材料是半导体吸收介质”“，典型的实验装置如图( 卜卜1 ) 所示。 c 棚i m t o r 图卜1 1 利用半导体可饱和吸收体实现被动锁模的光纤激光器装置 自1 9 7 0 年用饱和吸收体实现被动锁模以来，被动锁模光纤激光器得到了很大发 展。1 9 9 3 年，e a d es o u z a 等利甩保偏掺铒光纤和i n g a a s p 可饱和吸收体得到了 能量为4 0 p j 、脉宽为3 2 0 f s 的变换极限被动锁模光脉冲。“。2 0 0 2 年，n x i a n g 报道了利用一个快可饱和吸收体和一个慢可饱和吸收体构成直线腔被动锁模掺铒光 纤激光器，得到重复频率为1 6 2 旧z 、脉宽为1 3 5 f s 的锁模脉冲序列。这种方案的 优点在于便于谐振腔的结构安排，而且慢饱和吸收体的引入有利于锁模脉冲的建 立，因为它对脉冲形成初期的长脉冲作用效果要优于快可饱和吸收体的作用1 。 2 0 0 4 年，y d e n g 等在腔内放入s e s 枷，利用碰撞脉冲被动锁模技术实现了脉宽 3 8 0 f s 、重复频率为6 0 5 洲z 的被动谐波锁模“”。利用半导体可饱和吸收体实现锁 模的不利之处是破坏了其全光纤结构。 1 1 2 利用非线性光纤环形镜实现被动锁模光纤激光器 3 吣八v _ 僦 意开人学博十生- 悔论文 第章绪论 与半导体可饱和吸收体相比，利用a p m 效应进行被动锁模，在实现激光器令 光纤结构的同【f 寸，可以不受载流了愀复唰问的限制而获得b 秒量级的超斌光脉 冲。它的另一个优点是n j 以件很宽的波长范囤内实现锁模输出。 利用非线性光纤环形镜实现光纤激光器锁模是a 刚的一种有效方法。非线性 _ ) 匕纤环形镜具有与比强度有关的透射特性，可以像可饱和吸收体一样窄化脉冲， 其工作原理为”“：将+ 个光纤耦龠器的鹏个输出端相连，构成个s a g 旧c 光 纤十涉环。当一束光从光纤耦合器的一个输入端入射时，将往s d g n 一光纤环髟 成两束柏向传输的j 匕，如果这两束光具有小同的光强由于光纤的非线性k o r r 效 应，相向传输的州束光将获得不同的非线性相移形成非线性相移著。当入射光 较弱时，非线性桐移差很小，入射光将从入射端反射同去，如果入射光很强，以 致非线性柏移差达到n 入射光将从耦合器的男一个端l j 伞部透射。 使用非线性光纤环形镜( 非线性光纤环形镜n o l m 或非线性放大环) 眵镜 n a l m ) 进 j ：被动锁模的光纡激光器，囚为腔的形状通常被称为“8 ”字型激光器， 如图( 卜卜2 ) 所示。其锁模的物理机制称为十涉或加成脉冲锁模。 o u t p u t 冈卜卜2 利用m i m 构成的“旷4 f 删被动锁模光 f 激光器 e d f n a l m 早在1 9 9 1 年就被成功用十被动锁模光纤激光器”“。在随后的实验l i ， t 0 t s u n 等人又于1 9 9 7 年得到了脉冲能量为o 5 n j 、脉宽1 2 j r s 的被动锁模 序列“。1 9 9 4 午， 】s l e n t z 报导了利用n o l m 构成的“8 ”字型被动锁模光 纤激光器，得到了9 7 0 f 。s 锁模脉冲输”2 0 0 2 年n 1 s e o n g 存n ( ) i m 和 n 吣构成的“8 ”字型被动锁模光纤激光器的基础上，利用包敞| i 半衡：l i ：刈称光 纤卅：镜( d 卜n o l m ) 构成新型的“8 ”字型被动锁模光纤激光器，不但得到重复频 率j 3 7 洲z 、脉宽i 1 7 p s 的短脉冲序列| i f 且还大大提商了脉冲序列的稳定 一r k ，消除了a s e 噪卢“。 4 南开大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 3 利用非线性偏振旋转效应构成被动锬模光纤激光器 实现被动锁模的另外一种方案是利用非线性偏振旋转效应( n p r ) ，其工作原理 可以用s p m 和x p m 效应来解释“，如图( 卜1 3 ) 所示。 当一个脉冲的两个正交偏振分量在光纤中传输对，由s p m 和x p m 效应引起的 强度依赖偏振态变化可以形成等效饱和吸收体，这种方法被称为非线性偏振旋转 ( n p r ) 锁模。 o u t p u t 图卜卜3 利用非线性偏振旋转效应构成的被动锁模光纤激光器 n p r 的物理机制与克尔光闸类似，都是利用了非线性双折射效应。从概念上 理解，其锁模机制与“8 ”字型激光器相同，这里只是用同一脉冲的两个偏振分量 代替反向传输的两列波。从实用的角度看，这种结构更加简单。 1 9 9 2 年，v 。j m a t a s 首先用非线性偏振旋转技术实现了被动锁模全光纤激 光器，获得了1 5 5 d s 的脉冲输出n “。到1 9 9 2 年底，k t a m u r a 等获得了脉宽 为4 5 2 f s 、重复频率为4 2 g h z 的脉冲输出，这标志着利用该技术可以产生稳定的 自启动亚皮秒脉冲序列”。当意识到腔内大量色散并无益处，反而限制锁模脉冲 宽度和能量后，这种激光器的性能有了进一步的改善。1 9 9 3 年，k t a m u r a 等 通过利用具有正色散的铒光纤和其它在1 5 6 0 n m 附近具有负色散的光纤构成环形腔 交替对光脉冲进行展宽与压缩。通过调节各段光纤的长度，在腔内平均色散为 0 0 0 l l 瑚2 ，枷之间时，获得了最佳压缩效果，得到了脉宽为7 7 f s ，脉冲能量 为9 0 p j 的高能量光脉冲“”。这一研究的发现，为利用n p r 效应产生加宽脉冲锁 模光纤激光器开辟了新的道路。2 0 0 3 年，f 0 i i d a y 等利用光纤的非线性偏 振旋转效应及在腔中利用光栅对进行色散补偿的技术，实现了脉宽3 6 f s ，单脉冲 能量1 5 n j 的脉冲输出”。 这是目前利用这种方法得到的最窄光脉冲。 在研究短脉冲、高能量被动锁模光纤激光器的同时，人们对可调谐及双芯被 动锁模光纤激光器也进行了大量的探讨。2 0 0 3 年，s k a z i 等利用孤子自频移 效应，实现了波长范围在1 2 0 n m 范围内可调谐的飞秒孤子光纤激光器”。2 0 0 4 5 南开大学博士生学位论文 第一章绪论 年，h i d e y u k i d 等利用铋基掺铒光纤的宽带增益实现了调谐范围为3 0 n m 的被动锁 模e r 掺杂光纤激光器。“。2 0 0 4 年，m r u s u ，等人利用交叉相位调制效应，在 较大的波长间隔内实现了e r 、y b 共腔的双芯锁模光纤激光器。”。 1 9 9 7 年，v v a f a n a s j e v 等人从理论上预言除单孤子光脉冲外，还存在着另 一种静态光脉冲一束缚态孤子“。2 0 01 年，y d g o n g 等人利用非线性偏振旋 转的孤子光纤激光器，首次从实验上观测到了脉宽为3 2 6 f s ，相邻孤子间隔为 9 3 8 f s 的两个束缚态孤子的存在，并且指出束缚态孤子的形成机理是因为两个或 多个具有相同速度和位置的基孤子共存。”。2 0 0 2 年，n h s e o n g 等人利用 “8 ”字型光纤激光器，同样观测到了脉宽为1 4 7 p s ，相邻孤子间隔为3 3 4 d s 的束缚态孤子“1 。对束缚态孤子的理论和实验研究已经从一定程度上解决了被动 锁模光纤激光器低重复频率的弱点。 1 2 利用调制不稳定性产生高重复频率的超短光脉冲串 尽管利用锁模光纤激光器可以为光通信系统提供稳定的超短光脉冲源，但被 动锁模光纤激光器一般只能产生重复频率从l m h z 到1 0 0m h z 低重复频率的超短 光脉冲；另一方面，利用主动锁模光纤激光器虽可将重复频率提高至4 0 g h z ，但 如前面所说，这种光纤激光器不仅所产生的光脉冲脉宽较宽，并且因高频率的射 频器件的存在而使其价格相当昂贵。除了传统的锁模光纤激光器，调制不稳定性 不失为另一种较好的能产生高重复频率超短光脉冲的被动物理过程。所谓调制不 稳定性是指由于色散和非线性的相互作用而导致的弱周期性微扰指数增长“。调 制不稳定性在流体力学“、非线性光学和等离子体物理学等领域早已有研究。 按调制不稳定性的工作原理可将其大体分为自相位调制( s p m ) 引起的调制 不稳定性和交叉相位调制( x p m ) 引起的调制不稳定性。 1 2 1 利用s p m 引起的调制不稳定性产生的孤子脉冲串 光纤中的s p m 引起的调制不稳定性需要反常色散条件，这种不稳定性表现为 将连续或准连续的辐射波分裂成一列超短光脉冲。 自1 9 8 6 年k t a i 等首次在光纤的负色散区域内观察到调制不稳定性现象”3 以来，p f r a n c o 等首次在孤子光纤激光器中观测到了脉宽为4 3 5 f s 、 重复频率 为1 3 0 g h z 自诱导调制不稳定性产生的孤子脉冲串”，但因所使用腔长较长，因 而影响了光纤激光器的稳定性，并且自诱导喇曼效应的存在影响了高功率下调制 不稳定性的产生。随着对通信网传递信息能力要求的不断提高，近年来利用调制 6 南开大学博士学位论文 第一章绪论 不稳定性产生高重复频率脉冲串的研究在不断深入，其有关的技术指标正在不断 提高。1 9 9 7 年，e i j iy o s h i d a 等人利用在腔内放入f p 滤波器的方法，降低了 调制不稳定性光纤激光器的闽值“”。2 0 0 2 年，c j s d em a t o s 等人利用高非 线性色散位移光纤的低色散、高非线性系数，实现了脉宽为3 6 5 f s ，重复频率高 达2 6 2 g h z 的自诱导调制不稳定性孤子脉冲串“。2 0 0 3 年，y d g o n g 等人利 用高掺杂的铋基铒光纤，同时利用喇曼光纤激光器做泵源，当泵浦功率为1 2 w 时，在一个腔长仅为1 1 5 m 长的光纤激光器中，实现了脉宽为4 2 0 f s ，重复频率 为6 6 0 g h z 的调制不稳定性孤子脉冲串“”，尽管对腔内脉冲的重复频率和脉冲宽 度的控制还需进一步的研究，但这是迄今为止重复频率最高的孤子脉冲串。 上述研究均是基于激光器中利用主动光纤做增益介质的。2 0 0 1 年， s t e p h a n e 等人在被动腔光纤激光器中同样观察到了调制不稳定性脉冲串，他们的 研究为产生调制不稳定性脉冲串提供了新的方法和途径“。 1 2 2 利用x p m 引起的调制不稳定性产生的孤子脉冲串 当两束不同波长的光同时在光纤中传输时，同样可产生调制不稳定性现象。 与单光束的调制不稳定性只能发生在负色散区不同的是，由于x p m 的作用，调制 不稳定性不仅可以发生在负色散区，即使两光束都工作在正色散区，调制不稳定 性同样可以发生。 早在1 9 8 8 年，a s g o u v e i a n e t o 等人就采用泵浦探针结构，将工作在正 色散区( 波长为1 0 6 0 n m ) 的泵浦光和工作在负色散区( 波长为1 3 2 0 n m ) 的信号 光同时在光纤中传输，当泵浦峰值功率增加到o 4 w 时，观测到了间隔为2 6 0 g h z 的调制边带“”。如果信号脉冲较弱，且泵浦脉冲继续增强，由于弱连续信号光可 由x p m 引起的调制不稳定性放大，此弱连续信号即可被转换为一短脉冲序列“0 1 。 1 9 9 3 年，d m p a t “c k 等人将工作波长为1 5 4 3 n m 的半导体激光器产生的连续 信号光与工作波长为1 5 5 8 n m 锁模半导体激光器产生的1 3 7 p s 的泵光一起入射到 l l k m 长的色散位移光纤中，该光纤的零色散波长为1 5 5 0 n m ，使泵浦和信号波长的 群速度基本相等。结果x p m 引起的调制不稳定性使连续信号转变成了7 4 p s 的脉 冲序列”“。2 0 0 2 年，e m o s c h i m 等人指出，在四波混频存在的情况下，由s p m 产生的调制不稳定性的主导地位将会被x p m 引起的调制不稳定性取代”“。 1 3 利用光脉冲压缩技术产生超短光脉冲 7 南开大学博士生学位论文 第一章绪论 光纤中超短光脉冲的产生除了利用谐振腔直接产生外，还可用腔外压缩方法 获得。高速r z 码光时分复用技术( 0 t 咪) 通信系统的传输速率越高，所需的光脉 冲宽度越窄，对脉冲质量( 脉冲形状、啁啾、色散波分量等参数) 要求也越高。 对于几十或数百g b i t s 的o t d m 系统，则要求光脉冲的宽度为皮秒或亚皮秒量 级，而一般的高重复频率超短光脉冲源直接产生的光脉冲往往较宽、且含有底 座，必须采用适当的脉冲压缩、整形后才能满足高速光通信的要求。 光脉冲压缩技术是产生超短光脉冲的关键技术之一。其中，孤子效应脉冲压 缩技术( s e c ) 、利用交叉相位调制( x p m ) 的脉冲压缩技术和绝热脉冲压缩技术 ( a s c ) 是应用比较广泛而且成熟的压缩方法，其它脉冲压缩技术还包括利用光纤 布拉格光栅的脉冲压缩器”，利用光纤放大器的脉冲压缩技术“”1 ，利用光纤 耦合器和干涉仪”“”1 的脉冲压缩技术，但这些压缩技术在可行性、压缩比和压缩 质量等方面仍须进一步提高。 1 3 1 孤子效应脉冲压缩 工作波长大于零色散波长的高阶孤子光脉冲在光纤中传输时，在自相位调制 ( s p m ) 和反常群速度色散( g v d ) 的共同作用下，会经历一初始窄化的过程。这 样，只要适当选择光纤的长度，即可使输入光脉冲在光纤中得到压缩，压缩因子 取决于孤子的阶数。一般情况下，孤子阶数越高，压缩因子越大。 1 9 8 3 年，l e m i l l i o n a i r e 等首次利用孤子效应压缩原理，采用段 3 2 0 m 的单模光纤，将工作在1 5 帅的色心激光器产生的7 p s 的脉冲压缩到脉宽为 0 2 6 p s 的光脉冲，同时验证了随着孤子阶数的增加，光脉冲可以被压缩得更窄 ”。1 9 8 7 年，a s g o u v e i a n e t o 等利用两级压缩装置( 光纤一光栅对压缩器 紧接孤子效应压缩器) ，将压缩因子大大提高。实验首先用第一级光纤一光栅对 压缩器将1 0 0 p s 的光脉冲压缩到1 p s 一2 p s ，然后再将这些脉冲输入到孤子效应压 缩器，通过精心设计光纤长度，可再获得5 0 倍的压缩因子“。该实验的成功， 为利用高阶孤子压缩光脉冲提供了新的途径。2 0 0 3 年，e m e v e l 等利用光谱展宽 技术，对光脉冲进行腔外压缩，将4 2 f s 的光脉冲压缩到1 4 f s “”。2 0 0 4 年，j w n i c h o l s o n 等利用孤子效应压缩的方法，将被动锁模光纤激光器所产生的p s 光脉 冲放大后再使其在普通的单模光纤中传输，将光脉冲进行压缩，获得了工作在 1 5 5 0 n m 光通信窗口的、脉宽为3 4 f s 、重复频率为4 6 g h z 、平均能量大于4 0 0 m w 的高能量、单模、全光纤的飞秒光脉冲源。这一实验的成功标志着利用孤子效应 压缩器同样可压缩光脉冲串“”。 8 南开大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 2 利用交叉相位调制( x p m ) 实现光脉冲压缩 利用s p m 引起的啁啾压缩脉冲要求入射脉冲足够强，从而脉冲在光纤内传输 时，其频谱能得到相对程度的展宽。显然，这种技术不能用来压缩低能量的光脉 冲。由于交叉相位调制( x p m ) 也能对光脉冲施加频率啁啾，因此可用来压缩弱脉 冲“”“1 。虽然利用x p m 压缩脉冲需要与弱输入脉冲共同传输的泵浦脉冲较强，但 泵浦脉冲可具有和输入脉冲不同的波长。 1 9 9 3 年，a d e l l i s 等利用x p m 的脉冲压缩技术，采用1 2 p s 的光脉冲做 为泵浦脉冲，将1 0 6 p s 的信号脉冲压缩到了4 6 p s 。泵浦脉冲和信号脉冲分别工 作在1 5 6 和1 5 4 脚“。2 0 0 3 年，m i