（通信与信息系统专业论文）波分复用rof系统中光发射源的研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 为构建超高速、大容量灵活的微波光子系统，一种比较有前途的方法是切割超连续 光谱以得到数目很多的波分复用光源，它具有平坦和高度相干的宽连续谱范围，从中提 取的多纵模光波具有高相干性，且功率相当，作为不同信道的载波可以避免信道间干 扰，易于接收端获得高信噪比的解调信号，所以宽带、频率稳定度高的光源将会在未来 的r o f 系统中发挥重要作用。目前国内外已经有超连续谱方面的研究，但主要是产生 机理方面的研究工作，本文在参考国内外研究工作的基础上，对于超连续谱展宽的条 件、产生机理进行理论研究和仿真研究，并深入研究影响光源频率稳定度、谱宽和平坦 度的各种因素，为获得理想的高频率稳定度的多波长光源做出了努力。 论文对超连续谱的产生机制进行了理论分析，根据皮秒脉冲在光纤中传输的非线性 薛定谔方程，利用高非线性光纤建立超连续谱模型。然后研究了泵浦脉冲啁啾对光源频 率稳定度的影响，分析了正负啁瞅情况下生成s c 的非线性效应，得到啁啾为1 时最小 r i n 值是- 2 2 2 3 d b 。同时分析了不同脉宽的泵浦脉冲对s c 谱宽及平坦度的影响，得出 泵浦脉宽越窄( 2 p s ) 获得的s c 谱质量越高。接着分析了高非线性光纤的长度对相对强 度噪声的影响，说明存在对频率稳定度影响最小的光纤长度值。然后根据选取的典型峰 值功率，计算出2 0 d b 谱宽和频谱的不平坦度，分析了频谱随泵浦脉冲峰值功率增大逐 渐展宽及频谱渐平坦的原因，并得到存在一定值( p = 8 w ) ，使得谱宽并不是无限展 宽，性能并不是趋于更优。 综合考虑上述各种因素对生成s c 谱的作用，得到质量较优的s c 谱。当泵浦脉冲 满足c - - - 1 ，p = 8 w ，脉宽为2 p s ，h n l f 长度l = 4 0 0 m 时，经模拟计算产生的2 0 d b 谱宽 为6 2 8 r i m ，相对强度噪声为- 2 0 7 d b 。 然后利用色散位移光纤对s c 谱的产生进行模拟计算，并分析了泵浦脉冲中心波长 的变化对s c 谱的影响，最后与高非线性光纤中产生的s c 性能进行比较，说明h n l f 可以在较小泵浦功率情况下，产生更宽更平坦的频谱，是较为理想的频率稳定度高的多 波长光源。 关键词：微波光子，波分复用，超连续谱，频率稳定度 北京科技大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i z a t i o no ft h eo p f i c a ls o u r c ei nw d m r a d i o - o v e r - f i b e rs y s t e m i no r d e rt oc 0 咀s 嘲r a d i o - o v e r - f i b e ro l o f ) s m ；t c mw i t hg o o df l e x i b i l i t y , h i g hs p e e da n d h i g hc a p a c i t y , 0 1 1 0o ft h em o s tp r o m i s i n gm e t h o d si se x 协扯血喀o p t i c a lw a v e sf r o mf l a ta n d b r o a ds u p e l x x ) n t i n u u m t h o s el o n g i t u d em o d e sw i t h 删p o w e ra n dh i g hc o h e r e n c ea r cu s e d 嬲o a l r t i d sf o rd i f f e r e n tc h a n n e l s , a n dt h ea d v a n t a g ei st h a ti n t e r f e r e n c eb e t w e e nc h a n n e l sc a i lb e a v o i d e da n dd e m o d u l a t e ds i 粤l a lw i t hh i g hs i g n a l - t o - n o i s er a d i oc a nb er e c e i v e d t h u so p t i c a l 8 0 u r c ew i t hb r o a db a n da n dh i 曲f r e q u e n c ys t a b i l i l yw i l lp l a yg r e a lr o l ei nr o fs y s t e mi nt h e f | = 慨a tp r e s e n t , b a s i cr e s e a r c ho ns u p e l h a sd o n e 缸h 啦雒l da b r o nm o s to f w h i c hi sm a i n l ya b o u tt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m i nt h i sp a p e r , w er e v i e wt h ep r e v i o u $ w o r ko n s u p c x c o n t i n u u ma n dm a k e at h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i v es t u d yo nt h ed e s i g na n dg e n e r a t i o no f s c f a c t o r sl l l a ti r t f l u e n c et h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yo ft h eo 曲c ms o l 玳毪b a n d w i d t ha n dm 3 1 l l e s s w o u l db es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dg r e a te f f o r t sa r em a d et oo b t a i ni d e a lm u l t i - w a v eo p t i c a l s o u r c ew i t hh i g hf r e q u e n c ys t a b i l i t y f i r s t , at h e o r e t i c a la n a l y s i so f s u p e r c o n f i m n n ng e n e r t a i o ni ss t u d i e d o nt h eb a s i so f p u l s e - p r o p a g a t i o nn o n l i n e a re q u a t i o n , s u p e r c o n t i n u m nm o d e li sb u i l tu pw i t hh i g h - n o n l i n e a rf i b e r t h e nt h ep u m pp u l s ec h 岫a f f e c t i n gt h e 舶q u e n c ys t a b t u t yi ss t u d i e d , a n dw h e nt h ec h j 印i s p o s i t i v eo ri i 喇v e , n o n l i n e a re f f e c t si ns i l p e t v x 岫l l l mg t m e r a t i o np r o c e s s 躺a l l a l 衄t h e m i l l l l t l l i nv a l u eo fr e l a t i v ei n t e n s i t yn o i s e ( p i n ) - 2 2 2 3 d bi sg a i n e d t h ep u l s ew i d t ht h a t a 丘曲b l l l e b 缸l d 丽d m a n d n a m e 路o f t h e s cs p e c t n m a i sa l s os t u d i e d a n d s c w i t h h i g h q u a l i t y i s o b t a i n e dw h e nt h ep u l s ew i d t hb e c o m e sn 棚_ i i 册( 2 p s ) t h ei n f l u e n c eo f t h el e n g t ho f h n l fi s a n a l y z e da n dt h es u i t a b l el e n g t ht h a th a st h el e a s ta f f e c to nt h e 唧唧s t a b i l i t y i sp r e s e n t w e c h o o s es e v e r a l t y p i 跚p u m pp i n s 髓w i l h d i f f 删p e a k p o w c s s t os m d y t h e 托姗o f 印伐概 s p r e a d i n ga n dt h ef l a m 璐, c 岛t a i nv a l u ea 【i s 忸( f = - s w ) w h e nt h es p e c l r u mw i d t hi sb ol o n g e r s p 帐锄d i i l 昏 c o n s i d e rt h ef a c 妇sa b o v ea n dm a k ea n 哪啦m i z 越i o n s cs p e e m n no fg o o dq l i a l i 锣i s o b t a i n e dw h e nt h ed l i i po ft h ep u m pp l l l s 岛p u l s ew i d t h , p c a l ( p o w e ra n dl e n g t ho fh i g h - n o n l i n e a l f i b e rs a t i s f i e sc - - - 1 , p w = 2 p s , p = 8 w , l = 4 ( x ) m , 2 0 d bs cs p e c t r u mo f 6 2 8 r i ma n dr i n o f 2 0 7 d bi so b t a i n e d , a tl a s t , s cs i m u l a t i v em o d e lw i t hd i s p e r s i o n - s h i f tf i b e r s di sb u i l tu p , t h es c g e n e r a t i o np r o c e s si sa n a l y z e da n d t h ee f f e c to f t h ec e n t e rw a v e l e n g t ho f t h ep u m pp u s et ot h e 2 北京科技大学硕士学位论文 印e c ：嘶w i d t hi sa n a l y z e & c o m p a r i l l gw i t ht h es cd 擒均c c 口i z 撕g e n e r a t i n gi nd s f ，w i d e r a n dm o r cf i a ts p e c m n ng e n e r a 她i nh n l fi so b t a i n e dw i t hl o w e rp e a kp o w e ro ft h ep u m p p u l s e ，a n di ti sp r o v e nt ob ei d e a lm u l t i - w a v e l e n g t h 咧c a ls o u r c ew i t hh i g hf 嘲u e n c ys t a b i l i t y k e yw o r d s ：r a d i o - o v e r - f i b e r , w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u i t i p l e x i n g ，s u p e r c o n t i n u u m ， f r e q u e n c ys t a b i l i t y 3 北京科技大学硕士学位论文 插图或附表清单 图1 11 0 0 0 信道1 2 5 g h z 间隔的多波长c w 光源实验装置 图1 2s c 光谱( 1 0 0 r i m ) 及光谱调制深度( 2 0 d b ) 图1 3 直接调制d f b l d 电流产生光纤毫米波的系统装置 5 5 6 图1 4 利用s c 光源作为多波长光源的w d mr o f 系统7 图2 1 分步傅立叶方法程序设计流程图 2 0 图3 1 超连续谱产生装置及得到的多信道光源2 1 图3 2 标准高斯形脉冲 图3 6 利用微结构光纤产生超连续谱 表3 - 1 高非线性光纤的参数 图4 2 泵浦脉冲具有不同啁啾时的滤波器输出脉冲 图4 3r i n 随泵浦脉冲初始啁啾的变化曲线 图4 4 负啁啾时谱宽随光纤长度的变化曲线 图4 5 滤波器输出得到的光脉冲 图4 6 经过不同长度h n l f 光纤的滤出脉冲k i n 图4 7 高非线性光纤长度为2 0 0 m 时频谱的分立结构 图4 8 谱宽随光纤长度增大的交化曲线 图4 9 不同峰值的泵浦脉冲产生的s c 频谱及其分立结构 图4 1 0s c 谱宽随脉冲峰值功率的变化 图4 11p = 1 0 w 时经过h n f l 的输出光脉冲 图4 1 2 色散位移光纤d s f 的色散曲线 图4 1 3 d s f 光纤生成的s c 频谱 图4 1 4s c 谱宽随泵浦脉冲距离零色散波长值变化的曲线 图4 1 5 正常色散区和反常色散区得到的s c 频谱 图4 1 6 d s f 产生的s c 谱分立结构 4 7 4 8 4 9 4 9 控如孔孙孙卯粥剪剪仉铊躬 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：词i 北京科技大学硕士学位论文 引言 微波光予技术( r a d i o o v e r - f i b e r ) 是当代通信技术发展的最新成就，r o f 系统具有高容量、低色散、低损耗等特点，而且在增加信息传输的速率和距离，提高通 信系统的有效性、可靠性和经济性等方面具有明显的优势。r o f 系统需要频率高度稳定 的多波长光脉冲源作为系统基站的载波，超连续谱( s o ，s u p e r c o n a n u m n ) 光源能在很 大的谱宽范围内同时产生高重复频率的超短光脉冲，是波分复用r o f 系统中极具潜力 的光源。这种方法是将高重复频率的短脉冲注入到非线性光纤中，通过光纤内非线性作 用产生频谱很宽的超连续光谱，然后通过切割超连续光谱就能得到数目很多的波分复用 光源。目前国内外已经存在超连续谱方面的研究工作，但主要是产生机理方面的研究工 作，本文对于超连续谱展宽的条件、产生机理进行理论研究和仿真研究，并深入研究超 连续谱光源的性能，综合优化以得到频率稳定度高的较理想光源。 论文分为五章，第一章介绍了目前国内外研究现状，总结了针对不同系统要 求的光纤通信光源及其性能，进而提出了本课题的研究意义和重点。 第二章介绍了本文研究工作的理论基础。 第三章系统介绍了r o f 超连续谱光源的组成部分，利用光脉冲传输的非线性方 程，通过c 语言编程对超连续谱光源进行建模。 第四章对产生超连续谱的非线性因素进行仿真分析，研究了高非线性光纤 中，泵浦脉冲的初始啁啾、脉宽、功率和高非线性光线的长度对超连续谱产生的影响情 况，并对各因素综合优化。 第五章利用色散位移光纤仿真s c 谱模型，对s c 的产生过程进行分析，并总结了 泵浦脉冲中心波长的不同对s c 性能的影响，最后与高非线性光纤中产生的s c 性能进 行比较。 北京科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 波分复用r o f 系统概述 为了满足宽带无线接入的高容量要求，蜂窝小区数量的连续增长和高频波段的利用 成为了今后的发展趋势。小区数量的增长导致了基站数量的大量增加，出于减少系统成 本的考虑，人们提出了微波光子( r a d i o o v e r - f i b e r ) 技术。光纤技术的应用使调制解调 及控制电路移至中心站( c s ) ，中心控制站功能强大，与基站( b s ) 分离，基站功能 简单，这样可大幅度地缩小和简化基站的装置和体积【i 】。微波可以提供低成本、可移 动、无线连接方式，而光纤提供低损耗、宽带连接和抗电磁干扰特性。微波光子通信兼 具光纤通信和无线通信的优点，必将成为满足人们对宽带业务需求的极具竞争力的解决 方案。随着宽带和多业务信息需求的增加，基于6 0 g h z 频段的r o f 无线局域网是研究 的热点之一。 目前所用的无线频带带宽比较窄，还不能进行大容量传送。在城市中通信，微波以 f 的频段均被占用，为了提高通信容量，避免信道拥挤和相互干扰，就要求无线通信能 突破拥挤的低频波段，从微波向更高频率的毫米波段扩展，即从目前常用的9 0 0 m h z 频段提高到几到数十g i - i z 2 ，从而提供更为广阔的传输带宽。由于光纤传输比大气传 输在许多方面都很优越，如光纤可以很容易地实现空分、波分和时分，这是大气所无法 替代的。而且大气存在窗口频率( 1 0 g h z 以内) ，并且带宽有限。另外，距离也是大气 传输的一个约束条件。而光纤在一定程度上来讲却有着海量的带宽和相对长的传输距 离，这都将使得微波光子通信技术倍受青睐。毫米波很容易被氧和水分子吸收，衰减极 大。大气中的氧对6 0 g i - i z 的毫米波吸收峰为1 6 d b k m 。这么大的衰减可以有效限制毫 米波信号的传输距离，缩小小区范围，形成所谓微蜂窝( 直径小于几百米) 。这样不 相邻的小区可以重复使用同一频率，使频率的利用率大为提高。所有这些优点，使得基 站和中心站之问利用光纤连接成为移动通信发展的主流，而无线通信频率的提高，即从 微波扩展到毫米波段也成为发展的必然趋势。因此，将光电子技术应用于无线通信网络 而构成的微波光子通信系统，利用光纤通信技术的低损耗、不受电磁干扰和海量传输的 特点，将使目前的移动通信系统达到更高的传输容量。微波光子通信兼具光纤通信和无 线通信的优点，必将成为满足人们对宽带业务需求的极具竞争力的解决方案。 波分复用( w d m ) 技术是构建高速率大容量光纤通信系统和网络的重要技术途 径。波分复用系统需要高重复率、多波长的短光脉冲源作为系统基站的载波，因此需要 北京科技大学硕士学位论文 光源提供质量高的多波长的光脉冲。目前使用较成熟的光源有：( 1 ) 针对每个信道用 一个激光器，这样的系统原理简单，工作稳定。对于w d m 系统，可用多个激光器，也 可以使用集成器件。如d f b s o m e a m 集成器件是由四个d f b 激光器作为光源，经 s o a 放大再经e a m 产生高重复频率脉冲串，从而构成多波长高重复频率光源的。它的 缺点是当波长数较大时系统成本过高，与u - t 标准波长对准时不易调整，而且成本 上升，可靠性变差。( 2 ) 利用发光二极管、超级荧光二极管和掺铒光纤放大器的自发 辐射出射谱作为光源。这些光源的谱宽可以达到多信道复用的水平，缺点是噪声大，相 干性差，只可作为短距离传输，不能用作长途传输。 超连续谱【划( s c ，s u p 眦o n t i n u u m ) 光源能在很大的谱宽范围内同时产生高重复频率 的超短光脉冲，是w d m 系统中极具潜力的光源。所谓超连续谱是指一束高功率的超短 光脉冲经过高非线性光学介质后，由于非线性光学介质中的白相位调$ 1 ( s p m s e l f p h a s em o d u l a t i o n ) 、交叉相位调$ l j t x p m ：c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 、四波混频( f w m ： f o u rw a v em i x i n g ) 和受激拉曼散射( s r s ：s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ) 等非线性效应作 用嘲( 其中主要是s p m 效应) ，使透射脉冲的光谱中产生许多新的频率成分，光谱宽 度远远大于入射光脉冲的谱宽，频谱范围从可见光一直连续扩展到紫外和红外区域。它 提供了一种在很宽的光谱范围内产生超短脉冲的非常经济的方法，从而作为新一代多载 波光源受到业界广泛关注。s c 光脉冲源和用于光纤通信的其它超短脉冲光源相比，具 有很多优点： ( 1 ) 带宽大，利用光谱切片滤波技术可在百纳米级的连续光谱区内提取任意带宽 的多个中心波长组分，并且脉冲的带宽和形状由滤波器特性决定； ( 2 ) s c 的稳定性好，主要由泵浦光稳定性和光滤波器特性决定，典型值是 1 g h 7 j o c ，是激光二极管的1 1 0 ； ( 3 ) 重复频率由泵浦光源决定，可以产生高速率的载波信号。 据日经b p 社2 0 0 5 年3 月报道，n r r 未来网络研究所利用超连续谱光源，成功实 现了1 0 4 6 个信道的w d m 通信试验系统。在京都和大阪的1 2 6 k i nj g n 2 试验线路上实 现总速率达到2 7 t b i t s 的传输。因此，从未来的发展趋势看，研制高重复率的超连续谱 超短光脉冲源是十分必要的。 1 2 r o f 系统光源 1 2 1s c 谱的研究进展 光纤超连续谱技术能在广阔的光谱范围内同时产生高重复率的多波长短光脉冲，由 北京科技大学硕士学位论文 于它具有高的输出功率、平坦的宽带光谱、高度的空间相干性( 聚焦) 等特性，能大大提 高信噪比、减小测量时间以及加宽光谱测量范围。超连续谱光源的应用前景非常广阔， 可广泛应用在光纤衰减测量、干涉测量仪、光相干摄影术、光谱学分析等方面， 而且 在光纤通信方面还可用作未来高速波分复用( w a v e l e n g t h - d i v i s o nm d d p l e x n g ，w d m ) 时分复用( o p t i c a l - t i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o t d m ) 系统的发射光源，近年又开始研 究用作w d m 光源。另外，它己相继应用于波长转换、w d m 光网的全光再生、光纤的 色散测量、生物医学及光学采样等一系列实验，并取得了重要的成果。近年来，随着光 纤通信技术的迅猛发展，光纤中的光谱超连续展宽技术己经成为当前热门的研究课题。 为构建超高速、灵活的波分复用r o f 系统，对低时间抖动和频率高度稳定的多波 长光脉冲源的要求日益迫切【6 】。熟知的增益开关半导体激光器( g s d f b ) 和锁模光纤 激光器( m l f l ) 都只能产生单一波长的近交换极限超短光脉冲，依靠选取特定波长的 几个d f b 或m l f l 作为w d m 通信光源显然很难满足这种要求。其中一个很有前途的 方法是从单一宽带光源中采用光波切片滤波技术，滤出多波长成分，对超连续谱光源滤 波产生多波长脉冲是一种很有效且较简易的方法 7 - g 。因为它具有平坦和高度相干的宽 连续谱范围，从中提取的多纵模光波具有高相干性，且功率相当，作为不同信道的载波 可以避免信道间干扰，易于接收端获得高信噪比的解调信号，所以宽带、频率稳定度高 光源将会在未来的r o f 系统中发挥重要作用。在典型的微波光子通信系统中各个基站 与中心站用光纤连接，信号传输采用副载波复用方式( s c m ) 。在中心站，数个毫米波己 调制信号n 、位、矗l 经合路后，对光载波进行强度调制得到光信号，经光纤传送到小 区基站，由光电探测器对光信号进行解调，获得基站所需信号，放大后直接发射到小 区，由移动终端接收。在上行链路，基站接收到移动终端的信号，经过处理，对激光器 迸行强度调制。来自不同基站的上行光信号可汇合在一起，送到中心站，得到处理。 在1 9 9 4 年n r r 的t m 0 6 0 k a 首次提出了利用超连续谱来产生波分复用光源唧。这 种方法是将高重复频率的短脉冲注入到非线性光纤中，通过光纤内非线性作用产生频谱 很宽的超连续光谱，然后通过切割超连续光谱就能得到数目很多的波分复用光源。而且 多波长的间隔可以由脉冲的重复频率决定，目前已经产生几百甚至上千个信道的多波长 光源州2 j ，利用这些光源也早就实现了t b s 的通讯速度【切。相比于上面所讲的多个 m l f l ，这种超连续多波长光源更加具有吸引力：它的间隔能够严格的保持一样，而且 能够容易调整；该多波长光源是通过非线性光纤产生的，原理非常简单，不需要复杂的 加工工艺和温度、电流控制；该光源直接是光纤输出，光纤间的耦合技术成熟，可以有 北京科技大学硕士学位论文 更高的耦合效率和稳定性；超连续谱能在很宽的范围内产生，其频谱能覆盖整个 s + c i + i 波段。 2 0 0 0 年h t a k a r a 等通过超连续谱获得了1 0 0 0 信道1 2 5 g h z 间隔的多波长c w 光 源【姗，实验装置如图1 1 所示。其中1 5 3 8 r m a 锁模半导体激光器产生1 2 5 g h z 重复频率 的泵浦光脉冲，经过e d f a 放大后入射到色散平坦渐减光纤( d f d f ) 产生s c 光谱 如图1 2 所示，1 5 0 0 - 1 6 0 0 r a n 之间谱分量的光功率分布在- 1 5 d b m 到- 2 3 d b m ，可以得到 1 0 0 0 信道1 2 5 g h z 间隔的c w 光源。光谱的调制深度为2 0 d b 。在1 0 0 r i m 范围内所产 生的1 0 0 0 信道c w 光源的信噪比超过2 0 d b 仡5 g l - l zp 。m 讯- s c 由畏o 剧乏 图1 11 0 0 0 信道1 2 s g h z 间隔的多波长c w 光源实验装置 _ _ 黼黼黼 柏- m k _ l 瀚艄嘲渊黼 氧，_ 图1 2s c 光谱( 1 0 0 r i m ) 及光谱调制深度( 2 0 d b ) 在文献 1 4 1 d p ，a j u n gt o m , y o u n gh u n 和j o o y t m g s o ok m 采用2 5 g h z 中频信号直 接调制半导体激光器的注入电流产生2 s g h z 的光信号，在毫米波发生器中，使用 北京科技大学硕士学位论文 c = 5 7 2 g h z 的本振信号与中频信号进行混频，得到5 9 7 g h z 的光纤毫米波信号，见 图1 3 。 在文献【1 5 】中，n i r o y u k it o d a ，t e p p e in a k a s y o t a n i 使用超连续谱( s c ) 光源产生 w d m 光纤毫米波( r ( ) f ) 系统所需的毫米波段信号，用1 0 g h z 的中频信号调制一个 s c 模式，与其间隔5 0 g h z 的另一s c 模式进行差频得到了6 0 g h z 的光纤毫米波信号， 如图1 4 所示。该装置产生了6 0 g h z 间隔1 2 5 g h z 的2 信道的w d m 毫米波信号，产 生的相位噪声较小( 在波长1 5 5 2 m n 处频偏是1 0 k h z 时，相位噪声为- 9 6 1 d b c h z ) ， 并实现了在2 5 k m 标准单模光纤中的无误传输。其中超连续谱光源主要是重复频率是 2 5 g h z 的锁模激光器( 枷l i d ) ，产生了1 5 3 4 n m - 1 5 9 9 n m 的超连续谱，除了种子激光 波长1 5 6 5 n m 处，其频谱平坦度为5 d b 。 图1 3 直接调制d f b - l d 电流产生光纤毫米波的系统装置 北京科技大学硕士学位论文 5 7 g k 5 c ：s u p m c o n t m u u m , o b p f ：叩h l b a n d l 娜s f i t t d , a w g ：a r a y 咖t - w a v e g u i d e 乎砒i 雌( 2 5 g h z 叩a c i 哦 p c ：l ”i z a t i o ac o n t r o l l e r , l n m ：l i n b 0 3m o d u l a l o r , $ 1 v l f ：m 捌s i n g k - m o d e t i l d e , v o a ：w r i a b l co p i l 捌a n c o u m o lp d ：p h o 协0 0 z o 图1 4 利用s c 光源作为多波长光源的w d mr o f 系统 1 2 2 超短脉冲泵浦源 产生超连续谱需要大功率皮秒级的超短光脉冲作为泵浦源，同时需要超连续光纤作 为非线性介质，其中的非线性效应要足够强从而展宽泵浦脉冲光谱。锁模光纤激光器可 以产生高质量、高重复频率、波长可调谐的光脉冲，加之与传输光纤良好的兼容性，是 比较理想的超短脉冲源。根据锁模方式可分为主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光 器和主被动锁模光纤激光器。 ( 1 ) 主动锁模光纤激光器 主动锁模光纤激光器是在光纤激光器内插入主动式光调制器，当其调制频率恰好等 于( 或整数倍于) 激光器谐振腔频时，则激光器的该纵模有可能被锁定，从而激光器以短 脉冲形式输出。根据所调制的振幅还是频率，分别称之a m 或f m 锁模。一般的主动锁 模掺铒光纤激光器的输出脉宽都在p s 或亚p s 量级，例如，1 9 9 8 年s h e n p i n gl i 等人采 北京科技大学硕士学位论文 用n a l m 作等效可饱和吸收体，利用谐波锁模技术，获得了重复频率1 1 0 8 g h z ，脉宽 7 1 p s 的近变换限脉冲【阍。 ( 2 ) 被动锁模光纤激光器 被动锁模光纤激光器技术是一种典型的全光纤非线性技术，不用声光和电光调制器 之类的主动元件即可实现超短脉冲输出。其原理是利用光纤非线性对输入脉冲的强度依 赖性，得到窄化脉冲。实现锁模的方法主要包括腔内插入半导体可饱和吸收体、非线性 光纤环形镜以及非线性偏振旋转效应作等效可饱和吸收体加成脉冲锁模等 切。 上世纪7 0 年代，可饱和吸收效应就已用于被动锁模，它是加成锁模技术出现之前 实现被动锁模的唯一方法。其锁模的基本思想是：当光脉冲通过这种吸收体时，边缘部 分损耗大于中央部分，结果光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化。当偏置电流低于闺值 时，半导体激光放大器( s o a ) 可用作可饱和吸收体，通过简单的改变偏置电流，就 能实现在锁模和连续工作模式问切换的自启动被动锁模。 用非线性光纤环形镜作可饱和吸收体构成的全光纤被动锁模激光器，其形状类似与 “8 ”字形，e d f a 在环内不对称放置。其基本原理是：入射光波被3 d b 耦合器分成幅 值相等、传输方向相反的两个部分，并受到与强度相关的自相位调制( s p m ) 和交叉相 位调制( ，m ) 等非线性效应的作用而产生非线性相移，而e d f a 的不对称放置导致 两部分光所获得的非线性相移量不同，当它们再次在耦合器相遇进行相干叠加时，产生 了自幅度调制的脉冲窄化效应，这种效应在功能上类似于可饱和吸收体，称之为加成脉 冲锁模( a p m ) 效应。合成脉冲的宽度被压窄，如此周而复始，逐渐形成稳定的锁模运 转。 根据在光纤环形镜( f l m ) 中获得不等光强的方法不同，非线性光纤环形镜可以分成 非线性光学环形镜( n o l m ) 、非线性放大环形镜( n a i m ) 和色散非均衡环形镜 ( d i - n o l m ) 三种【1 8 - 2 0 。 非线性偏振旋转( n p r ) 的基本原理是在两个偏振控制器之间加入偏振隔离器，通 过偏振隔离器之后的线偏光经过偏振控制器后变成椭圆偏振光，这个椭圆偏振光的两个 幅值不同的正交分量经过掺铒光纤得到增益放大，并受到腔内光纤的s p m 和x p m 的 作用产生大小不同的非线性相移，从而使偏振态发生变化。调节另一偏振控制器使偏振 隔离器能透过脉冲中央的高强度部分而阻挡吸收低强度边翼，这就形成了等效的可饱和 吸收体。从概念的角度讲，n p r 与非线性光纤环形镜锁模原理基本相同( 加成锁模脉 冲) ，只不过是同一脉冲的两个相互垂直的分量代替了相向传输的两束光波。 ( 3 ) 主被动锁模光纤激光器 北京科技大学硕士学位论文 被动锁模光纤激光器脉冲重复率较低，但脉宽较窄；而主动锁模光纤激光器虽然频 率较高，但脉宽较宽。主被动锁模光纤激光器结合了二者的优点，可以产生窄脉宽，高 重复率且稳定的孤子序列。 1 2 3 超连续光纤 现在最流行的、报道最多的就是利用光纤的非线性产生超连续谱，由于光纤的纤芯 较细，一定强度的光脉冲入射到光纤后比较容易形成高的功率密度，产生光纤超连续 谱。由于光纤本身固有的优点，利用光纤产生宽超连续谱也较为经济实用。由于超连续 谱光源的一系列光模式源于同一个短脉冲源，因此具有相位噪声相关的特点，将混频产 生线宽较窄的高质量毫米波。而且模式之间的频率差稳定精确，完全取决于泵浦脉冲的 重复频率，因此所得到的毫米波信号的频率也具有较高的稳定性。产生高质量超连续谱 脉冲的关键是合适的泵浦光源和超连续光纤。产生s c 谱的主要光纤有： ( 1 ) 普通单模色散位移光纤( d s f ) ，泵浦光波长在光纤的零色散点附近时，可产生 超连续谱，但谱的平坦性相对较差。d s f 工艺相对较简单，价格便宜，应用最多。 ( 2 ) 色散渐减光纤( d d f ) ，d d f 有较小的群速度色散，从而可把谱展宽与脉冲压 缩和整形分开。d d f 的缺点是在风约为零时的微小色散容易诱发高阶孤子，从而使脉 冲发生畸变，导致s c 谱中有较大的波动，并且有较强的残余泵脯成分。 ( 3 ) 色散平坦光纤( d e e ) ，它采用特殊的双包层或多包层结构，形成狭而深的折射 率陷阱，加强波导色散，从而在1 3 0 0 h m 和1 5 5 0 n m 处获得零色散，使光纤在1 3 0 0 - 1 6 0 0 r i m 的波长范围内总色散近于平坦，使光纤的带宽得到扩展，有利于d w d m 及相 干光通信的发展。有研究表明，具有较小正常色散的d f f 对于产生平坦、宽带的超连 续谱极为有效。 ( 4 ) 色散平坦渐减光纤( d m d ，特点是其色散值从反常色散区到正常色散区逐渐 减少，有利于产生超宽s c 脉冲，与其他光纤相比，性能较优，产生的超连续谱宽且平 坦。这种光纤的色散平坦且较小，故在其小色散的宽度范围内都可以产生s c ，较有助 于s p m 效应。其缺点是制造工艺复杂，价格昂贵，且其谱有较强的残余泵浦成分。 ( 5 ) 光子晶体光纤( p c - v ) 作为新型光纤，正受到广泛的关注。它具有独特的波导特 性，允许所设计的光纤具有高的非线性系数和可控的色散零点。高的非线性系数和适当 的色散条件是产生超连续谱的介质要求，因此光子晶体光纤与传统光纤相比更容易产生 超连续谱，用这种光纤可以在整个可见光区甚至近红外区产生超连续谱。光子晶体光纤 的特性以及其超连续谱的展宽机理仍处于研究当中。可以预见，随着其制造技术的突破 及研究的深入，光子晶体光纤的发展前景异常广阔。 北京科技大学硕士学位论文 迄今，研究人员己尝试用各种不同的光纤来产生超连续谱。l o u t ：u 等提出利用色散 渐减光纤展宽频谱；o k u n o r 等提出利用色散从正值减d , n 负值的色散平坦光纤可以产 生更宽的频谱；t a k u s h i m a 和k i k u c h i 提出利用具有恒定正色散的色散平坦光纤可以产 生超连续谱1 2 3 剀，并进行了实验验证；m o i l 等提出利用具有凸色散曲线的色散渐减光纤 可以产生超连续谱闭，并进行了数值模拟；近年来，高非线性光纤和光子晶体光纤在超 连续谱产生的研究中引起了人们的广泛关注。高非线性光纤( 肌f ) 非线性系数一般 为8 - 2 5 w 1 i o n ，比普通光纤的2 - 3w 。1 腼要高好几倍，从而更容易产生各种非线性效 应。另外由于它的色散零点在1 5 5 0 n m 附近，用它产生光通信波段的超连续谱具有特别 的优势。2 0 0 3 年，j w n i c h o l s o n 等报道利用按色散逐渐减小的眠宁连接的四段高非线 性光纤( 3 8 。2 2 o ，- 2 p s m n k m ) 产生了超过1 1 0 0 n m 的超宽超连续谱闭。2 0 0 4 年， a k a b e e l u c k 等研究发现，高非线性光纤中靠近色散零点处的反常色散区发生的调制不 稳定( m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y ) 导致了光谱发生展宽，而随后产生受激拉曼散射( s r s ) 增强了这种展宽，最终超连续谱在这两种非线性效应的作用下产生 2 7 1 。2 0 0 5 年， 凡k h e e l e s h , k a , b e e l u e k 等比较了高非线性光纤的正常色散和反常色散区中超连续谱的 产生，结果表明，除了调制不稳定和受激拉曼散射，蓝移( b l u e s h i i t ) 和非孤子散射 ( n o n s o l i t o n i cr a d i a t i o n ) 也对超连续谱的产生有贡献，并且在正常色散区，很大频率范 围内的泵浦光都可以产生超连续谢碉。 1 3 本章小结 本章主要介绍了本课题的研究背景，波分复用微波光子通信兼具光纤通信和无线通 信的优点，必将成为满足人们对宽带业务需求的极具竞争力的解决方案。因而对为基站 提供载波的稳定的多波长光源有较高的要求，本章介绍了国内外在s c 谱方面的研究进 展，系统地介绍了泵浦脉冲源和超连续光纤的发展现状。 北京科技大学硕士学位论文 2 2 1 脉冲在光纤中传输的基本理论 其实任何介质对光电场的响应都是非线性的。在弱光电场的情况下，这种响应通常 近似为线性关系，自然界的光都可以看作弱的光电场。只有在高强度的电磁场中，这种 非线性响应才会表现出来。这种高强度的电场就是激光，特别是超短激光脉冲与物质的 相互作用。非线性与线性特性有很大的不同，利用物质的非线性性质，人们已经制造出 许多有用的光学器件。高非线性光纤作为无源器件，也必将受到非线性的影响。 超短脉冲在高非线性光纤中传播将会受到如自相位调制、交叉相位调制、自陡峭等 非线性效应和色散效应的共同作用，从而产生超连续谱。为了对光纤中的非线性和色散 有更好的理解，有必要考虑非线性色散介质中的电磁波传输理论。本章首先介绍了超短 光脉冲在高非线性光纤中的传输方程，包括非线性薛定谔方程及其修正方程。接着利用 分步傅里叶算法数值求解非线性方程。 2 1 1 麦克斯韦方程组 光纤中光脉冲的传输遵循麦克斯韦方程网，该方程组可以写为： v 云一o b 御 v 青：一丝 a v d = 0 v b = 0 ( 2 1 ) 介质中传输的电磁场强度豆和雷增大时，电位移矢量西和磁感应强度雪也随之增 大，它们的关系通过物质方程联系起来： d = 占o e + p b = t t o h + m 经推导得到麦克斯韦波动方程： v 2 云丢尝o t ；鳓窖o tc 2 ” 2 ( 2 3 ) 北京科技大学硕士学位论文 式中c 是自由空间的光速。对于方程( 2 1 ) ，脉冲电场云( 尹，f ) 为复数形式，其中实 瞬态场由下式表示： 豆舻，f ) = r e 雀伊，f ) ) = 量r e 口p ，* c o s ( f 一妒( f ) ) ( 2 4 ) 波动方程( 2 3 ) 对于求解电介质中的电场云 ，) 是不方便的。通常写成能够解释 吸收、色散和非线性的近似方程，即非线性薛定谔方程( n l s e ) 。 2 1 2 光纤中的非线性传输方程 假定极化效应是瞬时的，初始电场与极化强度声妒，) 在频域中的关系咖可写为： 卢咿，m ) = k 白皿】+ k ( 2 白) ：云雷+ z o 0 ) ；豆雪雪7 + 一 ：氏壹毫i 砖，髟i + 窆l z e j e 。+ 础髟毒露+ ，- 1 ljj i = 1l 且 埘 式中z 白) 是一个张量，：和；表示张量乘积，i , j ，后0 , 2 , 3 ) ，毫是单位矢量。在方 程( 2 4 ) 中极化强度被分为线性极化强度( 雹) 和非线性极化强度( 瑶) 。在麦克斯 韦波动方程中感应极化强度是产生新的云7 ( 尹，f ) 的有源项，它表示了输入豆7 ( i ，t ) 的强度 和相位的变化。 表达式( 2 5 ) 中的线性项和三阶非线性项对石英光纤是最重要的。线性极化是以 输入载波频率0 3 。振荡的偶极予产生的，非线性项归因于非谐振的偶极子振荡。三阶