（光学专业论文）主动锁模掺铒光纤环激光器的研究.pdf

主动锁模掺铒光纤环激光器的研究 摘要 高重复频率光脉冲产生技术是实现光纤通信系统超高速大容量 传输的关键技术。目前，在光纤通信系统中，掺铒光纤激光器是最具 开笈潜力的超短脉冲光源。其中主动锁模掺铒光纤环激光器由于可输 出高重复率的近变换极限的超短脉冲以及宽带可调，因而被广泛的研 究用来作为高速光纤通信系统的光发射源和光时钟源。 本论文首先分析了锁模原理和锁模脉冲的形成机制，并建立了主 动锁模掺铒光纤环激光器的理论模型。简要介绍了有理数谐波主动锁 模掺铒光纤激光器的工作原理，分析了如何产生高阶锁模脉冲。铌酸 锂调制器是整个主动锁模掺铒光纤环激光器的核心，着重分析了铌酸 锂调制器的调制特性以及调制深度对脉宽和失谐范围的影响，在实验 中生成了较好的二阶锁模脉冲。泵浦光功率、器件损耗和铒光纤长度 同样对输出脉冲产生很重要的影响，本论文也作以详细分析。 主动锁模掺铒光纤环激光器实用化的最大问题在于其不稳定性。 本论文分析了两类不稳定性：短期不稳定性和长期不稳定性，并详细 的分析了每一类不稳定性产生的原因。产生短期不稳定性的原因主要 是驰豫振荡和超模竞争，本论文对这两种原因进行了详细的分析并给 出了解决每一种原因的方案。在实验中，我们利用“非线性偏振旋转 效应”和滤波器来解决短期不稳定性所造成的脉冲抖动和漂移。同时 也分析了产生长期不稳定性的原因，并根据原因给出了几种解决长期 不稳定性的方案，并对每一种方案的原理进行了详细分析，比较了各 个方案的优缺点。 我们利用掺铒光纤、泵浦光源以及实验室现有的器件搭载起主动 锁模掺铒光纤环激光器系统，产生了2 5 g h z 到1 0 g h z 的各种锁模脉冲， 并初步根据实验室条件对不稳定性进行了实验研究，得到了比较理想 的结果。 关键词：主动锁模掺铒光纤环激光器，失谐，短期不稳定性，长期不 稳定性 t h er e s e a r c ho na c t 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 rr i n gl a s e r a b s t r a c t as t a b l e o p t i c a lp u l s e s o u r c ew i t hah i 曲r e p e t i t i o nr a t e i s v e r y i m p o r t a n t f o rr e a l i z i n gf u t u r e u l t r a - h i g hs p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h ea c t i v e l ym o d e l o c k e de r b i u m d o p e d f i b e rr i n gl a s e ri sv e r ya t t r a c t i v e a m o n gt h o s ep o t e n t i a ls o u r c e sw h i c hc a ng e n e r a t eb r o a d b a n dt u n a b l e n e a rt r a n s f o r m - l i m i t e dp u l s ew i t hh i g h r e p e t i t i o nr a t ea n dh a sb e e nu s e d a st h e o p t i c a l t r a n s m i t t e ra n da l l o p t i c a l c l o c ks o u r c ei nt h e s e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i nt h i st h e s i s ，am o d e lh a sb e e ns e tu p i nt h e o r yf o rt h ep u r p o s e o f s y s t e m i c a l l ya n a l y z i n ga m l e d f l ，w i t hm o d e - l o c k e dp r i n c i p l ea n d m e c h a n i s mo fm o d e 。l o c k e d o p t i c a lp u l s ep r e s e n t e d i no r d e rt og e th i g h e r o r d e rr h m l ，w ei n t r o d u c e dr a t i o n a ln u m b e rh a r m o n i cm o d e 1 0 c k e d e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r s l i n b 0 3 i n t e n s i t ym o d u l a t o ri st h ec o r eo ft h e w h o l el a s e r s y s t e mw h o s em o d u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d u l a t i n g d e g r e ew i l lp r o d u c ea ne f f e c to nt h ep u l s ew i d t ha n dq u a l i t y w eh a v e s u c c e e d e di ng e t t i n ga b e t t e rt w oo r d e r o p t i c a lp u l s ei nt h el a b o r a t o r y t h e p o w e r o fp u m ps o u r c ea n dt h ea t t e n u a t i o nc a u s e d b y d e v i c e sa n d e r b i u m d o p e df i b e rl e n g t ha r ea l s oi m p o r t a n tt ot h eo p f i c a lp u l s ew h i c h h a sb e e n a n a l y z e d i nd e t a i l t h ei n s t a b i l i t yo fa m l - e d f li saf a t a lf a c t o rp r e v e n t i n gi t t ob e u s e di np r a c t i c e s s t u d yo nd e m n i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ea m l - e d f li s h e l p f u l f o r c o n s t r u c t i n gas t a b l ea m l e d f l i nt h i st h e s i s ，w eh a v e a n a l y z e d t w o i n s t a b i l i t yo f t h ea m l - e d f lw h i c hi n c l u d e st h es h o r tt e r m i n s t a b i l i t ya n dt h el o n gt e r mi n s t a b i l i t y ，w i t ht h er e a s o no fr e s u l t i n gi n e a c h i n s t a b i l i t y s t u d i e di nd e t a i l t h ed i s s e r t a t i o n g i v e se x a m p l eo f f a m o u s s o l v i n g m e t h o d so fs h o r tt e r m i n s t a b i l i t y b yu t i l i z i n g t h e n o n l i n e a r p o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ，w eo b t a i n e dt h es t a b l ew i t h o u tn o i s ep u l s e i nt h e1 a b a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h eg e n e r a t e dr e a s o no f l o n gt e r m i n s t a b i l i t y , w eg i v es o m ep r o j e c to f e l i m i n a t i o nt h el o n gt e r m i n s t a b i l i t y w eh a v es e t u p t h ea m l - e d f l s y s t e m w i t h e r b i u m - d o p e d f i b e ra n d p u m po p t i c a ls o u r c ea n d o t h e rd e v i c e si nt h el a b ，p r o d u c i n gm o d e - l o c k e d p u l s ew i t hr e p e t i t i o nf r e q u e n c yf r o m 2 5 g h zt o1 0 g h z 。w eh a v es t u d i e d t h e i n s t a b i l i t y o fa m l - e d f li nt h e l a ba n dh a v eg o t t e ns o m ei d e a l r e s u l t k e y w o r d s ：a c t i v e l y m o d e l o c k e d e r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e r , l o n g t e r mi n s t a b i l i t y , s h o r tt e r m i n s t a b i l i t y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：圣煎日期：竺! ：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：墨坠 日期：! 三! ：! 导师签名： 至圣丝夏 日期： 角r b 3 - 。岁o 北京邮电大学硕士论文第一章序论 第一章序论 1 1 光纤通信概述 光导纤维是现代通信网络传输信息的最佳媒质，光纤通信技术是信息社会的支 柱，它在短短的三十几年中获得了迅速的发展，越来越引起人们的极大兴趣，受到 人们的普遍关注，光纤传输几乎已成为所有宽带通信系统的最佳技术选择。 早在1 9 6 6 年，英籍华人高锟指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途 径，从而奠定了光纤通信的基础。在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3 0 0 0 d g k m ， 他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于材料中的杂质粒子吸 收产生的他的预见很快就变成了现实，1 9 7 0 年光纤研制取得了重大突破，美国康宁 公司生产出了损耗为2 0 d b k m 的石英光纤。1 9 7 2 一1 9 7 3 年，在0 8 5 9 r n 波段，光纤的 传输损耗已经下降至u 2 d b k m 左右：同时，光纤的带宽不断增加，而且光源的寿命也 在不断增加，1 9 7 3 年，半导体激光器的寿命是7 0 0 0 d 、时，1 9 7 7 年贝尔实验室已达到 l o 万小时，完全满足实用化的要求。另外，光源和光电检测的性能不断改善。 光纤和光电器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。1 9 7 6 年，第一 条速率为4 4 7 m b i t s 的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。该系统经 过现场实验和全面性能测试后，很快商用化。 8 0 年代是光纤通信大发展的年代。这个时期，光纤通信迅速由o 8 5 m a 波段转向 1 3 肛m 波段，由多模光纤转向单模光纤。通过理论分析和实践摸索，人们发现，在 较长波段光纤的传输损耗可以达到更小的值，很快便在1 3 # m 和1 5 5 x m 波段分别实 现了损耗为0 5 d b k m 和o 2 d b k m 的极低损耗的光纤传输，接近了石英光纤的理论损 耗极限。同时，石英光纤在1 3 m 波段时色散为零，这就促使1 3 t i m 波段单模光纤 通信系统的迅速发展。各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来， 显示出了光纤通信的优越性能和强大的竞争力，并很快代替电缆通信，成为电信网 中重要的传输手段。 在8 0 年代，波分复用系统、相干光通信系统、光纤放大器等技术已受到各国的 重视。8 0 年代末期，掺铒光纤放大器问世，它的优越性能为其它类型的放大器望尘 莫及，很快进入实用化阶段。由于掺铒光纤放大器是工作在1 5 5 # m 波段，而在这一 段光纤的损耗也最低，从而促使1 5 5 9 m 波段光纤通信在9 0 年代迅速发展起来。 可以这样说，在2 0 世纪末，光纤通信系统随着多模光纤发展到单模光纤，多模 激光器发展到单模激光器，从短波长系统发展到长波长系统，已经历了三代： 北京邮屯大学硕士论文 第一章序论 1 7 0 年代，第一代光纤通信系统是使用渐变多模光纤的短波长( 0 8 5 # m ) 系统，光 源采用发光二极管( l e d ) ，速率为3 4 m b s 或4 5 m b s ，无中距传输距离仅为1 0 一 2 0 k m 。 2 8 0 年代，第二代光纤通信系统使用单模光纤的】3 # m 系统，工作波长由短波长发 展到长波长( 1 3 z m 和1 5 5 # m ) ，光源使用多模激光器( l d ) ，传输速率已提高到 1 4 0 m b s 或5 6 5 m b s ，无中距传输距离已提高到i 0 0 1 5 0 k m 。 3 9 0 年代，第三代光纤通信系统使用单模光纤的1 1 5 5 山 n 系统，光源采用d f b 激光器 和外调制技术，单信道传输速率达到2 5 g b s 和l o o b s 以上，采用色散补偿技术 无中继传输距离已经达到几百千米。 上世纪9 0 年代末至本世纪初，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、 多媒体应用的增长，对大容量( 超高速率和超长距离) 光波传输系统和网络有了更为 迫切的需求。尽管经历了2 0 0 0 年左右的狂热和随之而来的萧条，光纤通信仍然不断 地向前发展，其标志是t b i t s 超大容量光纤通信系统的迅速发展和商用化。实现 t b i t s 超高速光纤传输，目前主要采用波分复用技术( w d m ) 【i 】、光时分复用技术 ( o t d m ) 【2 j 和w d m o t d m 混合方式。利用w d m 技术已超过了1 0t b i t s ，利用o t d m 已 实现了i 2 8 t b i t s 的单信道速率，利用w d m o t d m 混合方式实现了3 t b i t s 的传 输容量。 w d m 的工作原理是：在同一根光纤中传输多个不同的光载波，每个光载波携带 各自的信息。在发送端，合波器把不同波长的信号复合在一起送入同一根光纤中传 输，在接收端，再用分波器将这些不同波长的信号光分开，实现高速率、大容量的 有效传输。由于电子瓶颈的限制，单一信道的容量不可能有很大的增加，采用波分 复用技术，可以使通信容量数十倍的增加。1 i d m 技术已经非常成熟，密集波分复用 ( d w d m ) 系统和粗波分复用( c g o m ) 系统早已经商用。下图是一个传输速率为 1 0 9 2 t b i t s 的w d m 传输实验装置c a ： 图1 1 1 0 ，9 2 t b i u s ( 2 7 3 x 4 0 g h z ) w d m 传输实验装置 北京邮电大学硕士论文第一章序论 但是随着光纤通信系统复用的信道增加，例如密集波分复用( d w d m ) 系统，会使 信道间彼此间隔减小和光脉冲功率加大，从而使传输线路中的非线性效应变得突出 起来，导致f w m 分量和s r s 对w d m 系统产生的不利影响加剧，并有可能造成系统码间串 扰、性能恶化。严重时，甚至会破坏系统正常工作，因此复用的信道不可能增加的 太多。这对进一步提高传输速率形成了障碍，于是o t d m 技术成为弥* f w d m 系统不足的 另一热门技术。 o t d m 技术是仅利用一路光载波，将若干信号源发出的光脉冲在时间上进行等间 隔的交叉排列，从而在单根光纤线路上形成一个超高速的皮秒或飞秒综合光脉冲序 列。它作为点对点的高速通信技术，是发展高速广域网的有效途径，虽然它较w d m 而言起步较晚，但它可以克月1 w o m 的一些固有缺点，如放大器级联产生的增益特性的 不平坦，光纤非线性的限制等。下图为o t d m 传输实验装置图【4 】： 产生l 瑚撕信号的宴睦蛙置 h 轴 图1 2o t d m 传输实验图 采用o t d i 的好处是对系统的增益平坦度要求低，不存在象w d m 系统那样，由于各 路功率叠加而易产生四波混频( f _ i i m ) 串扰和受激喇曼散射( s r s ) 等问题，但是传输速 率一般在5 0 0 g b s 内，单信道通常采用l o g b s 。因此，w d m + o t d m 成为挖掘光纤通信 潜在容量的最佳选择。将两者结合使用，可以增大w d 言道间距，降低信道间的非线 北京邮电大学硕士论文 第一章序论 性串绕扰；同时由于采用了多信道，可以降低单信i 苴o t d m 的速率，从而减少超短脉 冲产生和传输的难度。这种系统可以实现极高速率的传输，可以超过这两者中任何 单一技术所能达到的极限。下图为一个典型的o t d m w d m 传输实验图： 图1 33 t b i t s ( 1 6 0 g b i t sx 1 9 ) 、传输距离为4 0 k m 的o t d m w d m 传输实验 由图可以看出，o t d m 干线通信系统主要由光源、传输、时钟恢复和解复用四个 关键部分组成，其中优质、高速率超短脉冲源的产生技术是最为核心的技术，因为 它是提高系统传输速率上限和传输距离远近以及保证系统良好运行的主要因素之 一。 在光纤通信系统中，系统的比特率b 满足以下关系： 召= 1 ( d x a a x 三)( 1 1 ) ( 1 1 ) 式中d 和l 分别为光纤色散系数和光纤长度，名为光源线宽，从上式可以看出 提高比特率于距离积( b l ) 的途径，即实现超高速大容量长距离通信，除了选用低色 散值的光纤，如色散位移光纤( d s f ) 来减小脉冲在光纤中传输时，因为群速度( g v d ) 效应而导致的脉冲展宽外更重要的是选用啁啾小、线宽窄、输出脉冲重复频率高的 激光器作为光源。 由于脉冲谱宽是由两部分组成，其一是由光脉冲脉宽本身导致的光谱宽度即变 换极限谱宽，另一部分是由于光脉冲啁瞅浙引起的谱宽展宽部分，根据频谱半宽度 表示式m 】： 国= l + f( 1 2 ) 上式表明当光源的初始啁啾c o 等于零时，谱宽减至傅立叶变换极限规定值，即 卯= 1 f ； c o o 时，在脉冲宽度f 相同的情况下，初始啁啾越大的光脉冲，谱宽 越宽，即啁啾的存在导致谱宽展宽。一般激光器所产生的光脉冲脉宽f 越窄，则其 谱宽越宽，当二者之积达到最小值时，即输出无初始啁啾脉冲时，则可产生傅 立时变换极限光脉冲( t l ) 这种脉冲在光纤中传输时受到的g v d 影响最小。所以作为 4 北京邮电大学硕士论文 第一章序论 超高速、大容量光纤通信系统信号源的质量好坏，直接影响着整个系统的工作状态 好坏。 目前0 t d m 系统所使用的超短光脉冲源应该满足以下特点： 1 输出脉冲宽度小于码源周期的t 3 ，对于1 6 0 g b i t s 传输，脉宽通常为2 5 p s 左右；对于6 4 0 g b i t s 甚至t b i t s 级传输，则应达3 0 0 6 0 0 f s 。 2 消光比优于3 0 d b 。 3 对重复频率良好的控制性，输出波长稳定可调。 产生高重复率超短脉冲的方法主要有增益开关技术( 包括外调制技术) 、调q 技 术、采用短腔激光器、锁模技术( 包括谐波锁模、有理数谐波锁模、利用调制器的非 线性产生的高阶锁模、再生锁模和主被动联合锁模) 、利用光纤环形激光器中的自相 位调制( s p m ) 效应和g v d 效应的相互作用，使激光器系统的稳态受到调制，从而使腔 内连续或准连续光的稳态被打破，经腔内光学滤波器滤出所需频率的光脉冲序列f 7 】。 目前，适合于1 5 5 0 n m 波段o t d m 系统的超短脉冲源主要有两大类：半导体激光器 和掺铒光纤激光器。前者主要有增益开关分布反馈半导体激光器( d f b ) 、电光调制半 导体激光器和锁模半导体激光器，后者则是在光纤放大器的基础上，用掺铒光纤作 为增益介质，由藕合器、偏振控制器、光隔离器、滤波器和无源光纤等装置构成。 增益开关技术除了不加开关元件以外，同调q 技术十分相似。它是依靠半导体本 身的动力学过程来产生超短脉冲，这种技术适合小型激光器如半导体激光器。调q 技术是在激光振荡尚未建立之前，人为降低谐振腔的品质因数q ，使腔的振荡闽值很 高，当激光器的增益达到很高的水平时突然降低腔的损耗，因q 值猛增，激光器振荡 迅速建立，在短时间内反转粒子数被大量消耗，转变为能量，产生极强的激光脉冲。 目前在半导体激光器上通过调q 技术已能产生重复频率为1 0 g h z 的超短光脉冲。由于 调0 技术所产生的脉宽与光子寿命成正比，因此对于一般的固体激光器利用调q 技术 产生的脉宽在n s 量级。锁模技术是当今产生超短光脉冲的最主要方法。它是利用调 制技术( 幅度调制或相位调制) 或者是借助于饱和吸收体的作用，使激光器腔内各振 荡纵模之间建立固定的频率间隔和位相关系，从而产生峰值功率极高( 固体锁模激光 器可以达n g w 量级) 、脉宽极窄( 可达n f s 量级) 的相干超短光脉冲。但是由于锁模激 光器大都具有复杂的腔结构，如饱和吸收体或调制器、滤波器等，使得腔内运行脉 冲的演化过程变得很复杂，尤其是对于光纤锁模激光器，这给准确分析这类激光器 的锁模机理带来一定的困难。 1 2 锁模激光器的发展 北京邮电大学硕士论文第一章序论 自1 9 6 5 年m o c k e r 和c o l l i n s 【8 j 首次通过巨脉冲红宝石激光器实现被动锁模， 以及随后在1 9 6 6 年由d e m a r i a 等人用钕玻璃激光器产生皮秒脉冲以来i ，二十世纪 六十年代以连续泵浦的n d ：y a g 主动锁模激光器和n d ：g l a s s 被动锁模激光器作为产 生皮秒脉冲的标准光源l i “1 “。七十年代初期人们发现利用锁模技术来产生更窄的光 脉冲是十分困难的，一是由于n d ：y a g 主动锁模激光器带宽不够宽，二是因为 n d ：g l a s s 被动锁模激光器中的饱和吸收体有限响应时间限制了激光器输出脉冲的 最小宽度。这时连续有机染料的出现导致了第二代锁模激光器的问世，与第一代固 态锁模激光器相比，第二代锁模激光器具有较大的增益带宽和较宽的发射截面以及 与腔周期相比，有着较短的增益驰豫时间，使得有机染料锁模激光器的锁模特性有 了很大的提高。由于在脉冲形成过程中受到增益饱和的作用，使得无论是在以主动 锁模方式进行的同步增益调制还是在被动锁模方式中以响应较馒的饱和吸收体进行 锁模，有机染料锁模激光器都具有较好的锁模特性。八十年代中期，锁模激光技术 和脉冲压缩技术得到迅速发展，人们已经可以利用同步泵浦染料激光器产生亚皮秒 量级的脉冲，并在碰撞锁模环形染料激光器中成功的获取脉宽仅为2 7 f s 的超短光脉 冲【i 2 j 。进入九十年代，由于光纤通信的迅猛发展，促使人们相继研发出主动和被动 锁模半导体激光器，并开始着手研究主动、被动锁模掺铒光纤激光器。研究人员主 要研究在各种腔结构下，在不同调制作用时腔内脉冲的演化过程和激光器稳定运行 条件，并摸索在不同情形下，合理的利用光纤所特有的诸如s p m 、x p m 、g v d 、n p r ( 非 线性偏振旋转) 等特性来产生高质量的锁模脉冲，如利用n p r 在被动锁模环形激光器 中产生孤子脉冲，在主动锁模掺铒光纤激光器中利用s p m 和o v d 对腔内脉冲的平衡 作用来产生高质量的光脉冲。 1 3 锁模掺铒光纤激光器概述 掺铒光纤激光器与半导体激光器相比具有以下优点： l 、工作阈值低，易于在铒光纤中形成粒子数反转，产生激光脉冲输出： 2 、铒离子的辐射谱在石英基质中被展宽，故可以实现带宽可调主动锁模掺铒光纤激 光器或直接从被动锁模掺铒光纤激光器中产生f s 脉冲： 3 、输出脉宽窄、峰值功率高、脉冲质量好，啁啾系数远低于d f b 激光器，可直接产 生近变换极限光脉冲： 4 、可与传输光纤实现高效耦合，有利于全光通信； 5 、腔结构灵活轻巧，腔内可调参数多，可以很方便的构成各种所需腔来实现锁模运 转【j ，并易于采用各种技术来稳定输出光脉冲。 北京邮电大学硕士论文第章序论 锁模掺铒光纤激光器分为主动锁模、被动锁模和主被动联合锁模三种方式。主 动锁模使用外加调制信号实现锁模，调制方式主要有两种：一种是振幅调制( 损耗调 制) ，另一种是相位调制。它要求激光器腔内光场的幅度或相位被等同于模式间隔v 或其整数倍的频率工，所调制。声一光和电一光调制器己用于这方面的研究。普通的 调制器因其较大的体积和耦合损耗而不太适用于光纤激光器的研究和开发。而 l i n b o ，调制器，因其紧凑的结构( 可被集成在光纤腔体中) 和较小的耦合损耗而常 被用于主动锁模掺铒光纤激光器。 被动锁模是一种在激光器腔内不需要任何有源器件( 如调制器) 而能够产生超 短光脉冲的全光的非线性技术。它所采用的非线性器件对输入光脉冲的响应与其光 强有关，因而输出脉冲比输入脉冲更窄，可以达到f s 量级。这一基本思路已经被用于 被动锁模掺铒光纤激光器产生超短光脉冲。 主被动锁模掺铒光纤激光器是一种复合腔结构，由主腔产生的光脉冲注入给具 有饱和吸收效应的附腔，通过附腔的压缩和整形便可获得脉宽窄、重复频率稳定的 超短脉冲。 光纤激光器的结构大致可分为直腔、环形腔和“8 ”字腔三种结构，直腔形e d f l 结构与一般固体锁模激光器结构类似，后两种不带反射镜，它们以环形腔或“8 ”字 形腔作为谐振腔从耦合器一端输出光脉冲，如下图所示： 图1 4 环形腔结构 擅擐控制器 图1 58 字腔结构 13 1 主动谐波锁横掺铒光纤环激光器( a i l - e d f l ) 典型的主动锁模掺铒光纤环激光器如图1 6 所示，由掺铒光纤放大器( e d f a ) 、 标准单模光纤( s m f ) 或色散位移光纤( d s f ) ，铌酸锂强度或相位调制器、偏振控制器 ( p c ) 和光隔离器( i c ) 构成环形腔的基本部分。各器件的功能具体在第二章介绍。目 前的主要问题是激光器的稳定性问题，这也是本论文的重点研究部分。 北京邮电大学硕士论文 第一章序论 图1 6 主动锁模掺铒光纤环激光器结构图 1 3 2 有理数谐波锁模激光器( 刚哪- ) 通常对主动谐波锁模激光器的调制是使其调制频率等于谐振腔基频的整数倍， 而有理数谐波锁模技术通过微失谐调制，即调制频率与谐振频率存在一个偏移，来 获得高重复率脉冲序列。在第二章作以具体介绍，这里不再作简单介绍。 1 33 再生锁模掺铒光纤激光器 a h m l e d f l 正常工作建立在调制频率与腔长严格匹配的基础上。然而其腔内 光纤较长，光纤对外界环境十分敏感，温度等条件改变都可以导致腔长的变化，使 得腔长与调制频率的精确匹配很难长时间保持。失谐不严重时，会给输出脉冲带来 相位噪声：当失谐严重时会引起锁模失效，所以必须采取措施来解决a h m l - e d f l 工作不稳定性问题。采用再生锁模技术实现腔长与调制频率的动态跟踪，来稳定输 出脉冲是较为成功的一种。再生锁模掺铒光纤激光器的实验装置如图1 7 所示【l “， 工作原理是根据在光纤环路中运行的脉冲包含有谐振腔纵模的各种谐波分量，从中 提取光信号经微波放大器放大后，作为电光调制器的调制电压加在调制器上，从而 保证调制频率与腔内纵模谐波分量相匹配。 北京邮电大学硕士论文 第一章序论 图1 7 利用拍频反饭控制调制频率实行再生锁模的光纤激光器 1 ，3 ，4 注入型主动锁模掺饵光纤激光器 目前主要有两种注入型主动锁模掺铒光纤激光器，一种是利用行波半导体激光 放大器( t w - s o a ) 的非线性增益调制特性实现主动锁模，其实验装置如图1 8 ( a ) 所示 【1 “。环形腔在注入光脉冲的作用下，t w - s o a 通过交叉增益饱和( x g s ) 效应或交叉 相位( x p m ) 调制，产生周期性的相位和幅度调制，实现激光器的主动锁模，并由 w d m ，输出低时间抖动的时钟恢复脉冲。另一种是利用光纤非线性相位调制效应， 主要是交叉相位调制效应( w p m ) 来实现主动锁模 1 7 l “。其实验装置如图1 s ( b ) 所示， 工作原理是利用环内的一段单模光纤作为一个相位调制器，当向环内注入波长为a 一 的光脉冲序列时，该波长的光脉冲与光纤环形腔中波长为丑的信号光相互作用，形 成交叉相位调制，由此在环形腔中对信号光允产生周期性的相位调制，从而实现激 光器的主动锁模。 涨鼢a p u k 嘶e c t 图1 8 ( a ) 利用半导体光放大器的非线性实现注入型主动锁模掺饵光纤激光器结构示意国 北京邮电大学硕士论文 第一章序论 图18 ( b ) 利用光纤交叉相位调制实现注入型主动锁模掺饵光纤激光器结构示意图 1 3 5 被动锁模掺铒光纤激光器 被动锁模掺铒光纤激光器时利用光纤中的非线性效应来实现被动锁模的，它无 需外加电调制信号或外界注入脉冲，结构简单，能充分利用掺铒光纤的增益带宽， 是真正的全光器件。根据激光原理，锁模脉冲宽度脚与激光器工作物质的带宽v 成 反比。掺铒光纤的增益带宽约为3 0 r i m ，利用掺铒光纤作为增益介质的被动锁模掺 铒激光器从理论上讲可直接产生f s 光脉冲，而主动锁模掺铒光纤激光器所利用的增 益带宽最大仅为l m n ，产生的光脉冲一般为p s 量级。为了重复利用掺铒光纤提供的 增益带宽来获得f s 光脉冲，采用被动锁模技术不失为一种行之有效的方法。它可以 为我们了解光纤激光器的非线性动力学提供有力的手段。 下图是利用非线性放大环形镜( n a l m ) 构成被动锁模掺铒光纤激光器的典型结 构，即所谓的倒“8 ”字型结构，它是由一个n a l m 和一个线性光纤环组成。n a l m 结构如图中的右环，在环中不对称的放置一段掺铒光纤，当从端口1 输入的光功率 很低时，光纤环中不产生非线性效应，所有从端口l 入射的光，经放大后又均由该 口1 反射回去，此时端口2 无光能输出，在这种情形下该环被称之为光学环形镜。 如果从端口1 入射光功率足够高，则光纤环将会呈现出非线性效应，这时在光纤环 中相向传输的两束光，因所获得的增益不同，导致非线性折射率系数i 1 对于沿环顺 时针方向传播的光与逆时针传播的光具有不同值，从而产生不同的非线性相移，形 成非线性相位差： 触一澎，= 厅n ：l ( g 1 ) xf 1 5 ) 式中6 啦和6 办分别为沿顺时针方向和逆时针方向传输的光波绕n a l m 运行一周所 获得的非线性相移，g 为放大器的增益，n ：是光纤非线性折射率，l 是环形镜长度， x 和i 。分别为由端口1 输入的光波波长和光强。此时端口2 处的出射光强i ：可表示 为： 北京邮电大学硕士论文第一章序论 ，2 = i i g s i n ( 刮, 一形，) 2( 1 6 ) 由式( 1 6 ) 可以看出i ，随i ，而变，当非线性相移为7 r 时，即当端口l 的输入光强为： ，j 。= 兄 他上( g 一1 ) 】( 1 7 ) 时，端口2 的输出光强达到最大值。非线性放大环形镜的这种与光强相关的非线性 透射特性可视为一种等效的快速饱和吸收体。下图所示的“8 ”字腔锁模激光器正是 利用这一特性来实现被动锁模。在线性光纤环中设置了一个光隔离器，用它来阻拦 从非线性放大环形镜端口2 反射回的低功率光，而使n a l m 端口2 射出的高功率光 脉冲在线性环形腔中单向传输，以保证激光器实现被动锁模，并由该环中的耦合分 束器输出光脉冲，由此可见“8 ”字结构锁模与加成脉冲锁模( a p m ) 类似。由于光纤 激光器中脉冲振荡模式与其偏振态有很大关系，所以在两个环中都安置了偏振控制 器来控制振荡模式，适当调节偏振控制器的相对位置便可以起到选模作用。“8 ”字 腔型被动锁模激光器特点是输出脉冲重复频率稳定度差，重复频率因受光纤长度的 限制不可能较高。 p c c o u p l e r 图1 98 字形锁模掺饵光纤激光器 1 。4 本论文的主要内容 w d m 和o t d m 相互结合是促使光纤通信容量大大提高的重要手段，而其中高 重复率的超短脉冲生成技术是其中的关键。在目前众多光源中，主动谐波锁模掺铒 光纤环激光器倍受重视。与半导体激光器相比，它具有输出脉宽窄、峰值功率高、 脉冲质量好和重复频率稳定并能方便的在g h z 范围内产生高质量的皮秒脉冲序列， 因而很适合作为线性高速光纤通信系统的光源。 全文安排如下： 北京邮电大学硕士论文第一章序论 第一章 第二章 第三章 第四章 对光纤通信系统中的超短脉冲光源作了较全面的介绍，分析了本文 的研究意义，给出了本文的主要研究内容。 对主动锁模掺铒光纤环激光器的工作原理和传输特性作了简要的 论述，着重分析了掺铒光纤的增益原理、典型结构以及锁模原理和 锁模脉冲的形成机制，并给出了激光器的理论模型。同时简要的介 绍了一下有理数锁模掺铒光纤环激光器的原理，论述了如何产生高 阶锁模脉冲。 对主动锁模掺铒光纤环激光器的输出特性作了深入研究，着重分析 了铌酸锂调制器的调制特性和调制深度对脉冲的影响，在实验上利 用了铌酸锂调制器的非线性特征产生了二阶锁模脉冲。同时还分析 了泵浦光功率、器件损耗和铒光纤长度对输出脉冲的影响。 在理论上研究了引起主动锁模掺铒光纤环激光器短期不稳定和长 期不稳定的原因。对于短期不稳定性，主要讨论了驰豫振荡、超模 竞争的各自特点以及它们对激光器输出脉冲的不利影响，并给出了 解决短期不稳定性的方案。对于长期不稳定性，主要讨论了腔长因 外界温度等条件变化而发生变化，从而造成的对输出脉冲的不利影 响，并提出了很多解决长期不稳定性的方案。 北京邮电大学硕士论文第二章主动谐波锁模掺铒光纤环激光器的理论和实验研究 第二章主动谐波锁模掺铒光纤环激光器的理论和实验研究 2 1 引言 主动锁模掺铒光纤环激光器( a k m l e d f l ) 因具有脉冲啁啾小、可调谐范围大、重 复频率高等优点，被认为是一种极其重要的超短脉冲光源。本章在理论上阐述了 a m i l e d f l 的工作原理，重点分析了掺铒光纤的增益原理，详细介绍了激光器的典 型结构，其中对实验中采用的泵浦源和泵浦方式作了迸一步说明。然后分析了锁模 原理和锁模脉冲的形成机制，并给出了主动锁模掺铒光纤环激光器的理论模型。有 理数谐波锁模掺铒光纤环激光器可以产生重复率为调制频率倍数的锁模脉冲，我们 也作了简要介绍。 2 2 掺铒光纤的增益原理 光纤激光器采用掺有稀土离子的光纤作为增益介质，通过光泵浦稀土离子形成 粒子数反转。许多不同的稀土离子，如铒、钬、钕、钐、铥和镱等，都可用于制造 光纤激光器，其中掺铒光纤格外引人注目，其工作波长在1 5 5 0 n m 附近，而这一波 长石英损耗最小，对现代通信系统来说非常理想。掺铒石英光纤对于波长 。为 1 5 5 0 n m 附近的信号光呈现为三能级系统，利用波长五为9 8 0 h m 的泵浦光作为泵浦 源。铒离子能级结构以及三能级之间的跃迁如图2 1 所示【1 9 】。 图2 1铒离子能级图和主要跃迁 l _ t 1 ” h 埘 4 3 2 1 甜 加 伯 他 b 4 0 一eq080艏jtom 北京邮电大学硕士论文第二章主动谐波锁模掺铒光纤环激光器的理论和实验研究 铒离子泵浦可以采用6 5 0 h m 、8 0 0 n m 、9 8 0 h m 和1 4 8 0 h m 波长的激光，但是由于 铒离子在6 5 0 n m 和8 0 0 h m 处存在强烈的受激吸收，即亚稳态上的铒离子在泵浦光作 用下被泵浦到更高的能级上，然后跃迁到基态，这样就减少了粒子数反转的数目， 使泵浦效率降低，所以实际上可以用做泵浦光的只有9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 两种波长的激 光。在五。= 9 8 0 n m 的泵浦光作用下，光将铒离子从4 i 。基态激发到4 i 。激发态，由 于激发态上载流子的寿命时间只有1 s ，电子迅速以非辐射方式由激发态豫驰到 4 i 。亚稳态。在4 i 。亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态 上的粒子数积累，很容易形成4 i 。亚稳态和4 i 。基态的粒子数反转。当有1 5 5 0 h m 的信号光通过已被激活的掺铒光纤时，在信号光的感应下，4 i 。亚稳态上的粒子以 受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个和感应光子完全一 样的光子，从而实现信号光增益。在实现光增益的同时，4 i 。亚稳态的粒子也会 以自发辐射( a s e ) 的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的 自发辐射会消耗泵浦功率并引入噪声。对于1 4 8 0 n m 泵浦光，从原理上讲，可近似用 二能级系统描述。1 4 8 0 h m 泵浦光将铒离子泵浦到能级较高的4 i 。亚稳态，并很快驰 豫到较低能态形成粒子数反转。由于s t a r k 效应，4 i 。亚稳态和4 i 。，基态分裂成更 细的谱线，谱线的个数和强度同发光中心所处的晶体密切相关。由于光纤纤芯面积 很小，即使在不太强的泵浦光作用下也可以使纤芯光功率密度相当高，故一般用半 导体激光二极管泵浦掺铒光纤就可以形成粒子数反转。普通多纵模激光器其纵模的 振幅和相位彼此无关，激光器输出的是它们无规则叠加的结果。若要激光器产生峰 值功率高、脉宽窄( p s 或f s 量级) 的高重复率脉冲序列，则只有采用锁模技术才可 以。 2 3a h m l - e d f l 典型结构 主动锁模掺铒光纤环激光器的典型结构如下图所示 北京邮电大学硕士论文第二章主动谐波锁模掺铒光纤环激光器的理论和实验研究 图2 2a h m l e d f l 典型结构图 实验中我们采用波长为9 8 0 n m 的半导体激光器作为泵浦源，其输出光功率与泵 浦偏置电流的响应关系如图2 3 所示，其输出光谱如图2 4 所示。 图2 3 偏置电流与输出光功率的关系 北京邮电大学硕士论文第二章主动谐波锁模掺铒光纤环激光器的理论和实验研究 囤2 4 泵浦源的输出光谱 w d m 耦合器把泵浦源耦合到环形腔中，光隔离器保证光的单向运转，由于铌酸锂调 制器对偏振非常敏感，因此需要在其前面接入偏振控制器。为实现波长动态可调， 还需要引入可调谐窄带滤波器，它不仅可以调节输出光的中心波长，而且还可以在 工作波长固定后限制其它纵模的振荡，起稳定波长的作用。耦合器一般采用9 ：1 的 分光比例，用于输出激光脉冲。主动锁模掺铒光纤环激光器产生的脉冲在传输过程， 会受到调制器、滤波器、光纤色散和非线性等因索的影响。 23 1 泵浦方式 泵浦光可以采用三种泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。 同向泵浦同向泵浦的泵浦光和信号光从同一端注入掺铒光纤，在掺铒光纤的 输入端泵浦光较强，故粒子反转激励也强，信号一进入光纤即得到较强的放大。但 由于吸收的因素，泵浦光将沿光纤长度而衰减，使得在一定的光纤长度上达到增益 饱和而使噪声增加。 反向泵浦 反向泵浦的泵浦光和信号光从不同的方向输入掺杂光纤，在光纤中 反向传输，当光信号放大到很强时，泵浦光也很强，不易达到饱和，故噪声性能较 好。 双向泵浦 两个泵浦源分别在前向和后向进行泵浦，使掺铒光纤中的杂质粒子 得到了充分的激励。这种泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在 光纤中均匀分布，从而使增益在光纤中也均匀分布。 2 3 锁模原理和锁模脉冲的形成机制 主动锁模掺铒光纤环激光器的基频( 纵模间隔) 为：a v = c a 。l ，其中c 为光速，l 为完全锁定时腔内光纤的总长度，1 - 1 0 为光纤折射率。基频一般不超过i o o m h z ，而掺 铒光纤的增益带宽一般大于3 0 n m ，远远大于纵模间隔，因此在激光器工作时同时会 北京邮电大学硕士论文第二章主动谐波镪模掺铒光纤环激光器的理论和实验研究 有大