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西南大学硕士学位论文 基于s o a 主动锁模光纤激光器的特性研究 光学专业硕士研究生：江光裕 指导教师：吴正茂教授 摘要 高重复频率波长可调谐的超短光脉冲源是光波分复用时分复用( w 咖0 t d m ) 高速率 光纤通信系统、全光处理、全光网络中的重要组成部分。半导体光放大器( s o a ) 具有体积 小、增益谱宽、非线性系数高、功耗低和易于集成等优点在锁模光纤激光器中起到重要的 作用。近年来，基于s o a 的主动锁模激光器由于能够产生高重复频率的近变换极限超短光 脉冲，而倍受人们的广泛关注。但人们对其1 ：作特性进行了理论研究，大多数都忽略s o a 的 端面剩余反射率及非线性偏振旋转效应。而在实际应瑚中。虽然人们采用各种方法减少或 降低其端面剩余反射率及非线性偏振旋转效席，但是总存在剩余反射率和非线性偏振旋转 效应。因此，有必要对s o a 的端面剩余反射率及非线性偏振旋转效应进行研究。 s o a 对光脉冲的影响可通过含有增益压缩及增髓非对称分布的速率方程描述。光纤对脉 冲的影响可通过薛定谔方程描述基于自再现理论，通过数值求解可得到稳定时的锁模脉 冲波形从而可对其输出脉冲的峰值功率以及脉冲宽度等进行研究。基于此，本文建立了 基于s o a 的谐波锁模光纤环行激光器的理论模型。利用该模型，研究了s o a 的端面剩余反 射率对输出脉冲的波形、峰值功率及其脉冲宽度的影响。数值模拟结果表明：s o a 的端面剩 余反射率对锁模脉冲影响较大：随着端面剩余反射率的增大，峰值功率逐渐增加，脉冲宽 度逐渐变宽。 另外，本文建立了基于s o a 非线性偏振旋转效应的谐波锁模光纤环行激光器理论模型， 研究了在不同s o a 注入电流情况下s o a 非线性偏振旋转效应对睹波锁模光纤环行激光器输 出脉冲的波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。研究结果表明：随着s o a 注入电流增加，脉 冲光场分量t e 、t m 模经过不同的增益变化，脉冲峰值功率增加，脉冲宽度变宽，而输出脉 冲前沿变得陡峭，后沿变得平缓，且理论模拟与已有的实验结果相吻合。 该论文的研究结果对高重复频率、高峰值功率的超短脉冲的获取以及基于s o a 主动锁模 光纤激光器的设计具有一定的指导意义。 关键词：半导体光放大器锁模激光器剩余反射率非线性偏振旋转 西南大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i cs t u d yo nt h e a c t i v e l ym o d e l o c k e d f i b e rl a s e rb a s e do ns o a m a j o r ：o p t i c s a d v i s o r ：p r o f z h e n g m a ow u a u t h o r ：g u a n g y uj i a n g ( $ 2 0 0 3 5 7 9 ) a b s t r a c t u l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s es o u r o e sw i t hh i g | lr e p e t i t i o nr a t ea n dt h et u n a b l ec e n t r a lw a v e l e n g t h p l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m j o t d m ) h i g h - s p e e do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a l l - o p t i c a lt r a n s a c t i o na n d a l l - o p t i c a ln e t w o r k s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) h a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha st h e b r o a dg a i n s p e c t r u m ，h i g hn o n l i n e a rc o e f f i c i e n t , l o wp o w e rp e n a l t ya n de a s i l yi n t e g r a t e d ， t h e r e f o r ei tt a k e si m p o r t a n te f f e c ti nt h em o d e - l o c k e df i b e rl a s e r r e c e n t l y ，a c t i v e l ym o d e - l o c k e d r i n gl a s e r st a k i n gs e aa st h eg a i nm e d i u mh a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nf o rg e n e r a t i n gh i g h r e p e t i t i o nr a t e ，u l t r a - s h o r ta n dt r a n s f o r m l i m i t e do p t i c a lp u l s e s h o w e v e r , w eh a v en o t i c e dt h a li n t h er e l a t i v et h e o r e t i c a lm o d e ld e s c r i b i n gt h es e ab a s e da c t i v e l ym o d e l o c k e dr i n gl a s e r s ，t h e f a c e tr e s i d u a lr e f i e c t i v i t ya n dt h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o no f t h es e aa r eu s u a l l yn e g l e c t e d f o rs i m p l i c i t y a l t h o u g ht h ef a c e tr e s i d u a lr e f l e e t i v i t ya n dt h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o nc a n b ed e c r e a s e db ya d o p t i n ga l ls o r t so fm e t h o d s ，t h e ya l w a y se x i s t t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e so ft h ef a c e tr e s i d u a lr e f t e c t i v i t ya n dt h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m o d e - l o c k e dr i n gl a s e r sb a s e do ns e a ， i n t h i sp a p e r , a , q e rc o n s i d e r i n gt h ef a c e tr e f l e c t i v i t yo ft h es e a ，u s i n gt h er a t ee q u a t i o n i n c l u d i n gg a i nc o m p r e s s i o na n dt h eg a i na s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o nt od e s c r i b et h ei n f l u e n c eo fs e a o nt h eo p t i c a lp u l s ea n da d o p t i n gt h e s c h r o d i n g e re q u a t i o nt o d e s c r i b et h ep u l s ea m p l i t u d e e v o l u t i o ni nt h ef i b e r , at h e o r e t i c a lm o d e lo ft h eh a r m o n i cm o d e - l o c k e df i b e rr i n gl a s e rb a s e do n s o ah a sb e e ne s t a b l i s h e d ，b a s c do nt h i sm o d e la n ds e l f - r e p r o d u c t i o nt h e o r y , t h em o d e - l o c k e d p u l s es h a p ec a bb eo b t a i n e dt h r o u g l ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e r e f o r et h ei n f l u e n c eo ft h ef a c e t r e s i d u a lr e f l e c t i v i t ye l lt h es h a p e ，p e a i 【p o w e r , a n dp u l s ew i d t ho ft h ep u l s eo u t p u tf r o mt h e h a r m o n i cm o d e l o c k e df i b e rr i n gl a s e rc a nb ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a c e tr e s i d u a l r e f l e c t i v i t yw i l la f f e c tg r e a t l yt h em o d e - l o c k e dp u l s e ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef a c e tr e s i d u a l r e f l e c t i v i t y , t h ed e a kp o w e rw i l li n c r e a s ea n dt h em o d e - l o c k e dp u l s ew i l lb ew i d e r a f t e rc o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o ni ns e a ，at h e o r e t i c a lm o d e lo ft h e h a r m o n i cm o d e - l o c k e df i b e rr i n gl a s e rh a sb e e ne s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r b a s e do l lt h i sm o d e l ，i t h a sb e e ni n v e s t i g a t e dt h a tt h ei n f l u e n c eo f t h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o ni ns e ao bt h es h a p e ， 堕童查兰堡主兰垡堡苎 p e a kp o w e r , a n dp u l s ew i d t ho ft h ep u l s eo u t p u tf r o mt h eh a r m o n i cm o d e - l o c k e df i b e rr i n gl a s e r t h er e s u l t ss h o wt h a t , w i t ht h ej n c r e a s eo ft h eb i a sc u r r e n to ft h es o a ，t h et ea n dt mo ft h e i n p u to p t i c a l f i e l de n v e l o p su n d e r g ot h ed i f f e r e n tg a i nv a r i a t i o n , t h el e a d i n ge d g eo ft h e m o d e l o c k e dp u l s ei sq u i t e s t e e pb u tt h et a i l i n ge d g ei sr e l a t i v e l yf l a t , t h em o d e - l o c k e dp u l s ep e a i 【 p o w e ra n dp u l s ew i d t hw i l li n c r e a s eg r a d u a l l y t h er e s e a r c hr e s u l t sa l eh e l p f u lf o ro b t a i n i n gu l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s ew i t hh i g hr e p e t i t i o n r a t e s ，h i 【g hp e a l ( p o w e ra n dd e s i g n i n gt h eh a r m o n i cm o d e - l o c k e df i b e rr i n gl a s e rb a s e do nt h e s o a k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) f a c e tr e f l e c t i v i t y n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o n r o t a t i o n i i 独创性声明 学位论文题目：基王q 圭塑黛搓左红邀光墨曲持性班窥 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者：工必袷 签字日期：i 州年5 月旧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：曰不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：正光洽 签字日期：上o o 年亭月，8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：级1 r 致 签字日期：妒。f 年r 月心日 电话 邮编 西南大学硕士学位论文 1 1 光纤通信技术的发展趋势 第一章绪论 光纤通信技术是通过光学纤维传输信息的通信技术。在发信端信息被转换和处理成 易于传输的电信号，电信号控制一光源使发出的光信号具有所要传输的信号的特点，从 而实现信号的电一光转换、发信端发出的光信号通过光纤传输出到远方的收信端，经光电 二极管等转换成电信号，从而实现信号的光一电转换。电信号再经过处理和转换而恢复为 原发信端相同的信息。光纤通信最直接、最基本的优点是。4 1 ：( 1 ) 频率资源丰富、传输 容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8 - 9 个数量级。因此所开发的容量 很大。( 2 ) 衰减小、中继距离长且误码率小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴 电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。( 3 ) 重量轻、体积小。光纤重量很轻直径很小。 即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多：同时便 于施工和运输。( 4 ) 防干扰性能强、保密性能好。光纤由电绝缘的石英材料制成，因此光 纤通信线路不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰。抗电磁脉冲能力也很强，保密性 好。( 5 ) 节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或锚等有色金属。光纤本身是 非金属，光纤通信技术的发展将为国家节约大量有色金属。( 6 ) 成奉低。总之光纤通信 不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨人的竞争能力因此光纤通信在信 息社会中将发挥越来越重要的作用。 近年来，随着光纤通信技术的不断创新，光纤通信管理体制的不断完善以及光纤通信 市场的全面开放光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面，正因如此光纤通信技 术将进入更高水平的发展阶段。 1 1 1 向超高速系统的发展1 3 随着网络化时代的到来网络容量的需求和传输速率的提高成为超高速系统发展的主 要矛盾。目前商用系统已从4 5 m b p s 增加到1 0 g b p s ，其速率在2 0 年时间里增加了2 0 0 0 倍 比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量 而且也为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。另外1 0 g b p s 系 统己开始大批量装备网络，全世界安装的终端和中继器己超过5 0 0 0 个，主要在北美，在欧 洲、日本和澳大利亚也己开始大量应用。我国也将在近期开始现场试验。同时不少的电信 公司实验已经开发出4 0 g b s 的系统。但是采用电的时分复用来提高传输容量的作法已经接 近硅和镓砷技术的极限，此外电的4 0 g b p s 系统在性能价格比其在实用中是否能成功还是个 未知因素因而更现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分 西南大学硕士学位论文 复用( w d m ) 方式进入大规模商用阶段。而其它方式尚处于试验研究阶段。 1 i 2 向超丈容量复用系统的发展卜2 。l 如前所述采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽。然而光纤的2 0 0 n m 可用带宽资源 仅仅利用了不到1 ，9 9 的资源尚待发掘。复用技术的主要目的是扩充容量光复用主要 有三种技术，即光波分复m ( o w d m ) 、光时分复用( 0 1 i ) m ) 以及正处于研究阶段的光码分 复用( o c d m a ) 。 1 波分复用技术( o w l ) m ) 如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送，则可大大增加光纤 的信息传输容景，这就是波分复用( w d m ) 的基本思路。现在主要采用的是密集 w d m ( d w e ) m ) 系统，即波长信道个数多( 4 4 0 个波长信道) 或者说，波长分布间隔密的 w d m 系统。d w d m 技术可以充分利用光纤的巨人带宽资源，节约大量光纤和设备资源， 引入宽带新业务。几乎所有d w d m 系统均工作在1 5 5 0 n m 的低衰耗窗口波长区间。d w d m 系统的光源一般采用在1 5 5 0 n m 波段的高分辨率或窄带激光器。窄带发射激光器允许细密的 信道间隔，并且最大限度地减少其它信号损伤的影响( 如色散) 。光复用和分接采用薄膜电介 质滤波器和各种类型的光栅等技术，用于d w d m 系统的不同波长发送信号的混合和接收信 号的分解。光放大器可以同时放大一根光纤的所有波长的信号，采用掺铒光纤放大器，掺 铒光纤放大器有宽的平坦带宽增益。如今，d w d m 技术向更多信道数和每个信道更大容量 的方向发展，l u c e n t 、c i e n a 、a l c a t e l 等厂家的4 0 x 2 ，5g b s 产品已经商用化。p i r e l i 和马可 尼也都推出了3 2 x 2 ，5g b s 的产品。另外，随着新光纤的使用，基于1 0g b s 的w d m 将逐 渐成为产品的主流。其中北电已经推出了3 2 1 0g b s 的商用化产品并投入应用。每信道容 量为2 0g b s 、4 0g b s 的系统和拥有8 0 或更多信道的系统正在研制和试验。 2 光时分复用技术( o t d m ) o t d m 指利用高速光开关把多路光信号复用到一路上传输。利用o t d m 技术可以克服 e d f a 增益不平坦、四波混频伊w m ) 非线性效应等诸多因素限制，而且可解决复用端口的竞 争增加全光网络的灵活性。虽然，o t d m 有以上的优点，但由于其关键技术( 高重复率超 短光脉冲源、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术) 比较复杂，实现这些 技术的器件特别昂贵，而且制作和实现均很困难，所以这项技术迟迟没有得到很大的发展 和应用。但是，光时分多址，光时分复用( 0 1 d m o t m d ) 全光网络具有更大的发展前途，因 为与d w d m w d m 全光网络相比，具有更高的频谱利用率，更容易实现信道的动态分配、 2 西南大学硕士学位论文 更高的系统容罱、易于组网、易于多种数据速率和业务种类的接入等优点其交换方式采 用灵活的光时分交换方式。 3 光码分复用技术( o c d m a ) 光码分多址技术( o c d m a ) 利用光纤的巨大带宽和高速的光信息处理技术将数据比特 扩频成光脉冲序列，经光纤传输后，利用光学相关技术实现数据恢复。o c d m a 系统采用 地址码寻址方式具有很大的灵活性。它的编解码器采用光信号处理技术，可以实现无延 迟异步接入，并且网络控制简单，业务透明性好，是未来接入网和高速l a n 的最佳方案之 一。o c d m a 技术也可以应用干其他共用总线领域，如舰船或飞行器的传感器总线及其他 对保密性要求较高的场合。完成实际o c d m a 系统，将面对很大的技术挑战。o c d m a 实 用化的主要障碍是为o c d m a 寻找最佳的编解码器结构和最优的光正交码方面，国内外虽 己进行了大罱的研究，取得了一些成果，但是尚未有突破性的进展。可以认为近两年来超 大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程砷。不仅彻底开发了无穷 无尽的光传输链路的弈最，而且也成为i p 业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活 光节点的基础。 1 1 3 向全光网方向的发展 波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统， 其灵活性和可靠性还不够理想。如果在广域格型网的节点上配置光交叉连接( o x c ) 设备， 在本地环行网的节点上配置光分插复用( o a d m ) 设备，直接进行光路调度，完成光路的 倒换、转接，不仅可使高新传输技术得到组网应用，而且对提高网络运行效率、提高可靠 性、降低节点成本、组建全光通信网都是必小可少的。如果说d x c 、a t m 技术的应用提高 了通信网络的灵活性和生存性是通信技术的重大发展的话，应该说o x c 、o a d m 技术带 给网络的是技术革命。这是从电子技术向光子技术的转变，从依靠传统技术进步到使用全 新技术的飞跃全新技术的飞跃。在传输线路的速率总量增大之后，转接节点上的吞吐量巨 大，采用电子电路的方式进行交叉连接和分插复用，软硬件实现难度高，即使能实现，节 点成本猛增，抵消大容量高速传输带来的效益。因此o x c o a d m 技术是光网络技术中的 关键。 实现o x c o a d m ，有空分( s d ) 、波分( w d ) 等几种方式。s d 以网上的光纤线路为单位， 一根光纤为一条光通道，适用于光纤众多的网络上的转接。w d 是普遍使用w d m 传输方 式的情况下，以规定的光波长为一条通道在多个波长通道之问进行倒换转接的最佳方式。 将来的交叉连接系统，不一定采用其中的某种方式，更多的将是几种方式的组合，在s d 方 西南大学硕士学位论文 式的基础上使用w d 方式，甚至加上电子电路的t d 方式，按需要形成不同的层次o x c o a d m 需要的主要技术包括制作n x n 的矩阵开关、光滤波器、衍射光栅等器件技术。补偿 能量损失的阵列半导体光放大器技术，监制控制技术及监控信号传输技术等。 1 i 4 解决全光网瓶颈的手段光接入剐” 光纤接入网指业务提供点与用户之间是以光纤为传输媒介的接入网，但用户接入网仍 保留着旧的铜缆网，不能适应信息业务特别是i n t e r a c t 业务爆炸性增长的需要。两者在技术 上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全网进一步发展的瓶颈。目前尽管出现了一系列 解决这一瓶颈问题的技术手段，如双绞线上的x d s l 系统，同轴电缆上的h f c 系统宽带 无线接入系统，但都只能算是一些过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问 鹿的长远技术手段是光接入网。接入网中采用光接入网的主要目的是：减少维护管理费用 和故障率：开发新设备，增加新收入：配合本地网络结构的调整，减少节点扩大覆盖： 充分利用光纤化所带来的一系列好处i 建设透明光网络，迎接多媒体时代。这些需求必将 促进在接入网中大最使用光纤，促进光纤用户接入网的发展，加速光纤到户伊m 1 f i b e r t 0 t h eh o m e ) 的实现。所谓光接入网从广义上可以包括光数字环路载波系统( o d l c ) 和无源 光网络( p o n ) 两类。数字环路载波系统d l c 不是一种新技术，但结合了开放接口v s 1 v 5 2 。 并在光纤上传输综合的d l c ( i d l c ) ，显示了很大的生命力，以美国为例，目前的1 3 亿用 户线中，d l c i d l c 己占据3 6 0 0 万线其中i d l c 【2 7 0 0 万线。特别是新增用户线中5 0 为i d l c 每年约5 0 0 万线。无源光网络技术主要是在德国和日本受到重视。德国在1 9 9 6 年底以前共敷设了约2 3 0 万线光接入网系统，其中p o n 作为网络光纤化的主要技术通过 技术发展，将无源光网络成本降至与铜缆双绞线成本相当的水平，并在1 9 9 8 年全面启动无 源光接入网建设，计划于2 0 0 5 年基本普及光纤到家。p o n 可以提高带宽利用率，便于采用 w d m 方式扩展下行带宽，预计2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 万线。e p o n 以其高带宽、低成本、易 安装、易维护、可扩展、标准化和广泛的商用软硬兼施件支持特点有可能最终成为压倒一 切的2 层技术。作为这两种技术的结合一e p o n 技术被认为是下一代网络( n g n ) 中主要的宽 带接人技术。而p o n 的趋势是向宽带a p o n 方向发展。在无源光网络的发展进程中近来 又出现了一种以a t m 为基础的宽带无源光网络技术( a p o n ) 。这种技术将a t m 和p o n 的 优势相互结合，传输速率可达6 2 2 1 5 5 m b p s ，可以提供一个经济高效的多媒体业务传送平台 并有效地利用网络资源，代表了多媒体时代接入网发展的一个重要战略方向，目前国际电 联已经基本完成了标准化工作。a p o n 将成为面向2 1 世纪的宽带接入技术的主要发展方向。 1 1 5 下一代全光网络发展趋势陆2 4 4 西南大学硕士学位论文 近年来，随着囡特网的迅猛发展，i p 业务星爆炸式增长。预测表明，i p 将承载包括话 音、图像、数据等在内的多种业务构成未来信息网络的基础。同时以w d m 为核心、 以智能化光网络( i o n ) 为目标的光传送网将控制信令引入光层，满足了未来网络对多粒度信 息交换的需求，提高了资源利用率和组网应片】的灵活性，因此如何构建能有效支持i p 业务 的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点。与传统的业务类型相比，i p 业务具有显著的 自相似性、收发数据小对称性和服务器拥塞等特点，闪此对承找的光网络而言，面临的主 要问题是不仅要求超太容量和宽带接入等，还需要光层的智能性更高，能在光节点上实现 光交换，目的是通过光层与i p 层的适配和融合。建立经济高效、炙活扩展及支持业务q o s 等的光网络以满足i p 业务对信息传输和交换系统的要求。 智能化光网络吸取了i p 网的智能化特点。在现有的光传送网上增加了一层控制平面， 用于为用户建立连接、提供服务和对底层网络进行控制它具有高可靠性、可扩展性和高 有效性等突出特点，支持不同的技术方案和业务需求，代表了下一代光网络的发展方向。 研究表明随着i p 业务爆发性增长，电信业和i t 业正处于融合与冲突的“洗牌”阶段，新 技术呼之欲出。随着软件控制( “软光”技术) 的使用，今天的光网络将逐步演进为智能化的 光网络，它使运营者能更有效地自动配置业务和管理业务罱同时还能提供良好的恢复机 制，支持带有不同q o s 需求的业务，使运营者能建设和管理炙活的光网络开腱一些新业 务，包括带宽租赁、波长业务、光层组网、光虚拟专用n ( o v p n t s 。高速增长的i p 业务对 带宽的需求很大，w d m 传输技术能提供超大容罱带宽资源，冈此传统光网络向适用丁传输 i p 业务的新一代光网络演进势在必行。 从光纤通信的发展现状与趋势来看，完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展 的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力和影响面也更宽 势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决 定电信网和信息业的未来大格局，也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响。 l f2 锁模光纤激光器在光通信系统中的重要影响 发展高速、人容量光纤通信是当前国际上光通信研究的主要方向，光时分复用( 0 t d m ) 和波分复用( w d m ) 是克服光、电子器件瓶颈，提高光通信容景的有效途径。其中帅m 光通信 技术日趋成熟井已有实现1 3 2 x 2 0g b sw d m 光通信的报导。然而单纯增加波分复用路数 将增加技术复杂程度和成本。所以提高波分复用单信道速率是继续增加容量的必然趋势。 国际上对o t d m 技术的研究就开始于1 9 8 2 年。1 9 8 7 年r s t u c k e r 等人，在实验室完 成了两个信道o t d m 传输实验，其传输速率为8 g b s ，工作波长为1 3 1 j m 。1 9 8 8 年又 报导了一个四信道的o t d m 传输系统，各信道的工作速率为5 g b s ，通过光复用够达到 2 0 g b l s 。1 9 9 3 年，贝尔实验室用光时分复用方法将2 5 g b s 的信号提高到1 0 g b s ，再用 西南大学硕士学位论文 o t d m 技术实现2 0 g b s 的光传输实验。1 9 9 4 年，日本进行了光时分复用传输实验，每个信 道的传输速率为6 3 g b s 1 6 个这样的光信道经过光时分复用成l o o g b s 。日本n t t l 9 9 6 年 报导了采用w d m o t d m 方法进行4 x1 0 0 g b s 信号的无中继传输距离1 0 0 k = 的传输实验。目 前这项技术的研究正向着增大复用路数和更高的传输方向发展，并加速实用化研究。o t d m 技术可有效提高单信道率减少波长信道数目，充分利用已有石英光纤低损耗窗口是优先 考虑的研究方向，而超短脉冲技术和超连续( s c ) 光源的发展，为实现低成本的t b s 传输提 供可能的解决方案。产生高比特率传输的超短光脉冲是o t d m 的关键技术之一，通常o t d m 系统的传输速率高达几十或数百g b s ，光脉冲的宽度为皮秒或亚皮秒量级。主动锁模激光 器由丁具有高重复频率、波跃可调谐、可输出变换极限光脉冲、易于同步、输出功率大等 特点，是未来的超高速大容量光纤通信系统，尤其是0 t d m w d m 光纤通信系统的理想光源 “1 。在加州阿纳海姆举行的激光电光学会议上( c l e o 9 6 ) c l a c k - - m x r 公司的_ t 程师展示 了一种波长为1 5 5 0 n m 的二二极管泵浦的商品化锁模铒光纤激光振荡器输出脉宽短于 1 0 0 f s ，1 5 5 0 m n 波长是高数据率通信的重要波长。该e r f 激光器输出5 0 m w 近衍射极限的优质 激光功率。对此高平均脉冲能量振荡光束倍频后可产生飞秒脉冲，适合作为峰增益( 7 7 5 n m ) 处钛蓝宝l i 再生放大器的光脉冲。同时主动锁模光纤激光器可以直接产生高重复 频率、高功率、高质量窄脉宽的光脉冲源是全光信号处理、全光网络技术的重要纽成部分。 由丁熟知的增益开关半导体激光器或锁模光纤激光器都只能产生某一波长的近变换极限超 短光脉冲，通常依靠选取特定波长的几个d f b 激光器作为0 t d m w d m 通信光源会给i i ：作带 来很多不便。因此在锁模光纤激光器输出高重复率的、能在宽光谱范围内同时选择出多个 波长的皮秒( 亚皮秒) 光脉冲。利用在适当长度色散位移光纤( d s f ) 中的光谱超连续 ( s u p e r c o n tj n u u m s c ) 展宽，获得宽度5 0 n m 的s c 光谱，经可调谐滤波器滤波后得到不同 波长、脉宽与泵浦光相似( 仍为2 p s ) 的近变换极限超短光脉冲1 。这种超连续的超短光脉 冲源被认为是o t d m w d m 混合光纤通信系统的理想光源。 o t d m 超窄脉冲激光源要求所产生的光脉冲的脉宽尽可能地窄常用的方法有增益开 关法、啁啾光纤光栅法、电吸收连续光选通调制法等。近年来随着光孤子通信技术的迅速 发展。加之光孤子通信的自身特点( 如长距离、无中继、误码率低和抗干扰能力强) ，用超 窄光孤子脉冲作为o t d m 源己成为一个新的亮点。目前己研制成特性优趣、种类繁多的光 孤子源1 3 1 - 3 5 l ，有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器、增益开关半导 体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。在众多的超窄光孤子脉冲激光器的研制中，全 光纤主动锁模孤子激光器由于具有输出脉冲重复频率高、频率可调谐、高消光比、低抖动 的高质量孤子形脉冲的特点而倍受青睐。1 9 8 0 年，b e l i c o r e 的m o l l e n a u e r 使用i 5 5u 的锁模色心激光器和低损耗光纤，首次在实验室观测到光孤子。1 9 8 9 年，又利用单模光纤 的受激拉曼分布放大进行能量补偿，采用光纤循环结构模拟长距离传输系统，实现5 5 p s 的 孤于在4 2 k m 的光纤环中稳定传输6 0 0 0 k m 。1 9 9 4 年，n a k a z a w a 等人利用主动锁模掺铒光纤 6 西南大学硕士学位论文 环形激光器成功地获得了重复频率1 0 g h z 、脉宽7 p s 的稳定的孤子脉冲序列，并进行了距 离超过1 1 0 6 公里的孤子传输实验。最后，尽管主动锁模孤子激光器要真正实用化尚需解 决一系列具体问题，但人们相信在不久的将来这一技术一定会被推，“和应用。 总之，随着通信容最和传输速率的日益提高，超短脉冲光纤激光器特别是锁模光纤 激光器必将在未来的光纤通信系统中发挥越来越大的作j j 。 1 3 本论文的主要工作及意义 目前广泛使用的光纤通信系统，包括都市网络系统、局域网络系统和使用光纤传输信 号的各种设备系统等都需要使用大量的、# 导体分布反馈激光器作发射光源，这增加了网络 和系统的复杂性和成本。随着都市光纤通信网络、各种局域网和光纤信号传输设备仪器的 广泛使用，这一问题就更加明显。锁模激光器是时域应用方面产生超短脉冲的重要工具， 同时其实用化仍然存在着一些问题，基n 宣些木论文立足于光纤通信系统的发展现状、 趋势及研究熟点，结合国内外的先进科研成果着眼于超短光脉冲源的发展前景，以主动 锁模光纤激光器为出发点，对其作以fj l 方面的研究： 详细分析了锁模光纤激光器的基本原理。 建立了基于s o a 的谐波锁模光纤环行激光器的理论模型。利用该模型，研究了s o a 的端面剩余反射率对输出脉冲的波形、峰值功率及其脉冲宽度的影响。数值模拟结果表明： s o a 的端面剩余反射率对锁模脉冲影响较大；随着端面剩余反射率的增大，峰值功率逐渐 增加，脉冲宽度逐渐变宽。 建立了基于s o a 非线性偏振旋转效应的谐波锁模光纤环行激光器理论模型，研究了在 不同s o a 注入电流情况下，s o a 非线性偏振旋转效应对谐波锁模光纤环行激光器输出脉冲的 波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。研究结果表明：随着s o a 注入电流增加，脉冲光场分 量t e 、删模经过不同的增益变化，脉冲峰值功率增加，脉冲宽度变宽，而输出脉冲前沿变 得陡峭，后沿变得平缓，且理论模拟与已有的实验结果相吻合。 参考文献 i 】宋丰华，现代光电子器件技术及应用国防工业出版社，2 0 0 4 2 张劲松，陶智勇，韵湘，光波分复用技术北京邮电大学出版社，2 0 0 2 3 马军山，光纤通信原理与技术，人民邮电出版社2 0 0 4 【4 s k a m e i ，m i s h i i ，e ta 1 ，“6 4 - - c h a n n e lv e r yl o wc r o s s t a l ka r r a y e d - w a v e g u i d eg r a t i n g m u l t i d e m u l t i p l e x e rm o d u l e su s i n gac a s c a d e dc o n n e c t i o nt e c h n i q u e ”o f c2 0 0 2 2 0 0 2 【5 】s k a w a n i s h i ，h t a k a r a , e ta 1 ，“a l lo p t i c a lt i m e - d i v i s i o n m u l t i p l e x e do m i c a lt r a n s m i s s i o n a n da l l _ o p t i c a ld e m u l t i p l e x i n g ”，e l e c t r o nl e t t , 1 9 9 7 ，3 3 ( 1 1 ) ：9 7 6 - 9 7 7 要塑奎兰里圭兰垡塑奎 6 】z h a n gh u i d u o ，“c u r r e n tt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n tt r e n do f o p f i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，s t u d y o no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 3 。5 ( 11 9 ) ：5 3 - 5 5 【7 】w a n gr o n y a n gy i ，z h a n gd i a n - s h e n ，“a p p l i c a t i o n o ff i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi na c c e s sn e tw o r k ”，j o u r n a lo f s h e n y a n ge l e c t r i cp o w e ri n s t i t u t e ，2 0 0 3 ，5 ( 1 ) ：8 - 9 【8 1t y a m a m o t o ，e y o s h i d a , e ta 1 ，“6 4 0 g b so p t i c a lt d mt r a n s m i s s i o no v e r9 2 k mt h r o u g ha d i s p e r s i o n - m a n a g e df i b e rc o n s i s t i n go fs i n g l e - m o d ef i b e ra n dr e v e r s ed i s p e r s i o nf i b e r ，1 e e e p h o t o n t e c h n o ll e t t ，2 0 0 0 ，1 2 ( 3 ) ：3 5 3 3 5 5 【9 j h w h i t e ，m o w e n ，e ta 1 ，“w d ma n dh y b r i dw d m o t d ma p p l i c a t i o n so ft h e m u l t i - w a v e l e n g t h g r a t i n g c a v i t y ( m g c ) l a s e r ，a p c c o e c c 1 9 9 9 ，9 9 ( 4 ) ：1 4 2 9 - 1 4 3 1 【1 0 】r j m a n n i n ga n dd a o