（光学专业论文）基于soa的主动锁模环形光纤激光器的研究.pdf

中文摘要 基于s o a 的主动锬摸环形光纤激光器的研究 学科专业：光学 指导教繇：夏光琼教授 研究方向：激光与光纤通信 作者：扬文艳( 2 0 0 2 3 7 4 ) 中文摘要 稳定的高重复频率、波长可调谮的超短光脉冲源是高速率、全光通信系统的关 键部分。熬于掺铒光纤敞大器( e d f a ) 的主动锁模环形激光嚣由于能够产生高重复 频率豹近交换辍跟超短必熬诤，露受副入襄戆广泛关注。毽基予e d f a 豹主动镁模嚣 形光纤激光器的腔较长，环境的徽小变化就会导致腔长发生漂移，从而产生相位噪 声，相位噪声将引起输出的锁模脉冲幅度不稳定，严重时会使激光器失锁。尽管已 援到了一鍪髂决方案，瞧这些方案褥使整个激毙懿缝稳复杂，成本较高。 由予半导体光放大器( s o a ) 鼹有响应速度快，稳定性好，易于集成，对偏振 不敏感等优点，本文提出了一种基于s o a 的谐波锁模环形光纤激光器的横测。该模 墼毽舍嚣令半导终囊赦大器( s o a ) ，其孛一个s o a 律荧瓷麓爨( 楚豫淫铡s o a ) ， 另一个摄供增益( 简称增益s o a ) 。s o a 对光脉冲的影响可通过包含增益联缩及增 益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鄂方程描述，基于自 秀理瑾论，遴逑鼗藿求瓣哥褥爨稳定瓣瓣镆摸辣争波形，麸嚣掰黠其竣崮默净獒峰 值功率以及脉冲宽度等进行研究。 本文麓重研究了两个s o a 的偏鼹电流对锁模脉冲形状的影响，以及在该系统中 麴天滤波瓣落霹实瑰瓣波长饔谐范嚣。疆究绩暴衰弱：( 1 ) s o a 豹穰置毫濂援大蘧 影响了锁横脉冲的形状。在其它参数给定的前提下，通过改变调制s o a 和增益s o a 的偏置电流，可以得到高峰值功率、窄脉宽的锁模脉冲；( 2 ) 滥系统工作襁重复频 率尧2 0 g h z 对，逶逮会瑾建透择系绫参数，簸潦戆锬摸辣泞豹波长诿谐菠嚣这 4 0 r t m 。在此范围内，锁模脉冲的蜂德功率和脉冲宽度几乎保持不变。 该论文的研究结果对高重复频率、高峰值功率、波长调谐藏围大的超短脉冲的 获致其存一定静摇罢意义。 关键诃：半导体光放大器交叉增益调制锁模激光器偏置电流峰值功率 a b s l r a c t s t u d y o i lt h ea c t i v em o d e - l o c k e df i b e rr i n gl a s e rb a s e do i ls o a m a j o r ：o p t i c s d i r e c t i o n ：l a s e r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a d v i s o r ：p r o f g u a n g q i o n gx i a a u t h o r ：w e n y a ny a n g ( 2 0 0 2 3 7 4 ) a b s t r a c t o p t i c ms i g n a ls o u r c e s 、v i t ll l i g hr e p e t i t i o nr a t ea n d t 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 ni m p o r t a n tr o l ei nt h eh i 曲- b i t - r a t ea n da l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c t i v e l ym o d e l o c k e dr i n gl a s e r st a k i n ge r b i u m d o p e df i b e ra st h eg a i nm e d i u mh a v e a 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 gu 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 l p u l s e s h o w e v e r , t h eo u t p u tp u l s ei si n h e r e n t l yu n s t a b l ee v e nu n l o c k i n gb e c a u s eo f t h ef l u c t u a t i o n so fp o l a r i z a t i o ns t a t ea n dc a v i t y l e n g t hd r i f tc a u s e db ym e c h a n i c a l v i b r a t i o na n dt h e r m a lf l u c t u a t i o n s t os o l v et h ep r o b l e m ，m a n ym e t h o d sh a v eb e e n p r o p o s e d b u t ，i tw i l lr e s u l ti nt h em o r ec o m p l e xa n de x p e n s i v es y s t e m b a s e do nt h es 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 ( s o a s ) w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e s o f t h ef a s tr e s p o n s es p e e d ，g o o ds t a b i l i t y , e a s yt oi n t e g r a t ea n di n s e n s i t i v ep o l a r i z a t i o n ， an o v e lh 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 ns o ah a sb e e np r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h i ss c h e m ei n c l u d e st w os o a s ，o n ei sn a m e dm o d u l a t i o ns o a ，t h eo t h e r i sn a m e dg a i ns o a t h ei n f l u e n c eo fs o a so no p t i c a lp u l s ec a nb ed e s c r i b e db yt h e r a t ee q u a t i o n si n c l u d i n gg a i nc o m p r e s s i o na n da s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o n ，a n dt h ep u l s e a m p l i t u d ee v o l u t i o ni nt h ef i b e rc a nb ed e s c r i b e db yt h es c h r 6 d i n g e re q u a t i o n c o m b i n e dt h es e l f - r e p r o d u c t i o nt h e o r y , t h es t a b l em o d e l o c k e dp u l s e sc a nb eo b t a i n e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h u st h ep e a kp o w e ra n dt h ep u l s ew i d t ho fm o d e - l o c k e d p u l s e sc a nb ei n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo ft h eb i a sc u r r e n t so nt h es h a p eo fm o d e l o c k e dp u l s e s a n dt h ew a v e l e n g t ht u n a b l er a n g et h r o u g hi n s e r t i n gaf i l t e ra r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，f i r s t l y , t h eb i a sc u r r e n t so ft w os o a sa f f e c to b v i o u s l yt h es h a p e so f a b s t r a c t m o d e - l o c k e dp u l s e s a n dt h em o d e - l o c k e dp u l s ew i t hh i g hp e a kp o w e ra n dn a r r o w w i d t hc a l lb eo b t a i n e dt h r o u g ha d j u s t i n gr e a s o n a b l yt h eb i a sc u r r e n t so f t h et w os o a s s e c o n d l y a tr e p e t i t i o nr a t eo f2 0 a al a r g et u n i n gr a n g eu pt o4 0 n mo a nb e o b t m n e dt h r o u g ha d j u s t i n gr e a s o n a b l yt h ep a r a m e t e r so fs y s t e m ，i nw h i c ht h ep e a k p o w e ra n dp u l s ew i d t ho f t h eo u t p t i tm o d e - l o c k e dp u l s ea l m o s tr e m a i nu n c h a n g e d t h ea b o v er e s u l t sc a np r o v i d ea l li n s t r u c t i v ei n s 追h tt oo b t a i nu l t r a - s h o r to p d c a t p u l s ew 融瓤蠹r e p e t i t i o nr a t e s ，h i g hp e a kp o w e ra n dl a r g ew a v e l e n g t ht u n a b l er a n g e ， 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 ) ，c r o s s g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) ， m o d e - l o c k e dl a s e r , b i a sc u r r e n t , p e 呔p o w e r 西南师范大学研究生学位论文原创性声鳃 秉承我校勤奋、严谨学风，本人申明所呈交的论文是在导师指导下进 _ 亍研究工作辨取彳导的戏果，除了文中特别加以标注和致谢妁地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含在我校或其他教 育机构获得学位论文上的材料，与我共同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了翡确的谎跨并表示了谢意。 该申请学位论文与资料如有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：撼囊趋藩豢：2 燮：圭罗 西南师范大学研究生学位论文版权协议书 本人完全了解委露痔范大学有关保护知识产权之规定，擎：研究垒在 攻读学位期间所完成的论文的知识产权人单位为西南师范大学。本人保证 毕韭离按后，发表攻凌学位期阅掰完残的论文或使用这热论文中的原刨性 技术成果时，署名单位为西南师范大学，或在明显位置标明，该成果是作 者在西南师范大学攻谈学位期间完成的。学校有权保留并向国家有关部门 或辊耪送交论文的囊擎伴和磁盘，允许论文被查阗和倍阕。学校可以公布 学位论文的全部或部分内容( 保密内容除外) ，可以采用影印、缩印或其 麓手莰保存论文。 论文作者签名：楚查趋 指导教辫签名：耍。拉堕 日 期：纽至。置 第一章绪论 1 1 光纤通信技术的进展 第一章绪论 所谓光通信是指利用光波载送信息，从而实现通信的方式。光纤通信是指利 用光导纤维做媒体，用光波来载送信息的通信方式。 自2 0 世纪g o 年代初以来，人类社会进入信息急剧增长的时代。计算机、互 联网等技术的兴起，给人类的物质和精神生活带来了翻天覆地的变化，通信成为 人们生活的重要内容。近几年来，随着技术的进步，特别是i p 的爆炸式发展所 带来的对带宽的巨大需求，极大地拓展了电信网对光纤通信技术的需求空间，并 刺激了光纤通信自身技术的急速发展。光纤通信技术凭借其巨大的带宽资源和无 与伦比的传输性能的特点，成为支撑通信业务增长的重要通信业务之一，特别是 在长距离大容量通信系统中占据着不可取代的位置。目前，光纤传送网已成为世 界各国的主导传送网络，光纤通信的技术也从单纯的光传输技术发展到包含光交 换技术的全光网络技术。光传送网包含了三大类技术：即光电子器件技术【1 1 、光 纤光缆技术 2 1 和系统设备技术 3 1 ，我们将简单的介绍一下这三类技术的发展情况。 1 1 1 光电子器件技术 高速大容量波分复用( w d m ) 系统的实用化得益于光电子器件技术的突破， 如实用化的掺铒光纤放大器【4 。5 】、d f b 激光器及其与调制器集成的器件【6 】、光波分 复用解复用器【7 删等等。光纤通信新技术层出不穷，这些新技术的实现还依赖于 相应的光电子技术的进步。一系列的光电子器件将在未来的通信网络中起着重要 的作用，因而开发各种高性能、低成本、高可靠的光电器件已成为所有光电器件 制造商的奋斗目标。高速光系统所需求的主要器件一般包括：能实现高速调制的 光源；用于高速传输的外调制器；分立或集成的接收器；光纤放大器；全光网络 系统中所需要的光开关、0 a d b t 等器件。 能实现高速调制的光源有集成e a 调制器的d f b 激光器和多波长光源一j 。目 前2 5 g b sd f b 激光器e 删集成器件已成为干线光纤通信系统的主要光源，l o g b s 、2 0 g b s 和4 0 g b s 集成器件也正大量用于干线传输或传输实验。 第一章绪论 光接收器件是高速大容量传输系统中必不可少的器件。2 5 g b s 、1 0 g b s 的 接收器件已实用化，最高实验室速率为1 0 0 g b s 。低成本、塑料光纤局域网用和 光接入系统用的2 5 g b s 的收、发模块等也已研制成功，可以满足高速大容量干 线系统、中短距离等传输系统的需求。 光放大器是新一代光通信系统必不可少的关键器件。光放大器主要分为光纤 放大器、半导体光放大器1 1 0 】和光纤拉曼放大器【1 三种。光纤放大器主要集中于 掺铒类型，掺铒光纤放大器极大地扩大了放大器的传输带宽，它将使超高速、超 大容量、超长距离的w d m 、d w d m 、全光传输、光孤子传输等成为现实。 波分复用器解复用器是超高速、超大容量d w d m 网络中的关键器件。 光开关是各种光通信系统实现高功能、高可靠性、提高维护及使用效率必不 可少的光器件。光开关大致可分为采用l i n b 0 3 聚合物、半导体材料的光开关和 具有可移动机理的机械光开关。 1 1 2 光纤技术 光纤是传输光信息的载体，它的发展对波分复用系统的影响是不容忽视的。 朗讯在过去的标准单模光纤( g 6 5 2 ) 、色散位移光纤( g 6 5 3 ) 及非零色散位移光纤 ( g 6 5 5 ) 的基础上，推出了新型的全波光纤。它消除了常规光纤在1 3 8 5 n m 附近 由o h 根离子造成的损耗峰，将损耗从原来的2 d b k m 降到o 3 d b k m ，这使光纤 的损耗在1 3 1 0 1 6 0 0 n m 的范围内都趋于平坦。其主要方法是改进光纤的制造工 艺，基本消除了光纤制造过程中引入的水份。据估计，这项技术可以使光纤可利 用的波长增加l o o n m 左右，相当于1 2 5 个波长通道( 1 0 0 g h z 通道间隔) 。 康宁和朗讯还分别推出了l e a f 和r s t r u ew a v e 光纤。它们都是第二代的非 零色散位移光纤 1 2 0 1 4 】。l e a f 光纤可以承载更大功率的光信号，可以实现更多的 波长通道数目、更低的误码率、更长的放大间距和更少的放大器。所有这一切都 意味着拥有更大的容量和更低的成本。但是，l e a f 光纤在色散方面的表现却不 尽如人意。它的色散斜率为o 1 p s ( n m 2 k m ) ，当波分复用系统的工作波长从常规 波长c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) 扩展到长波波段l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 5 n m ) 时，可能给 处于l 波段的波长通道带来较大的色散，从而必须采用较为复杂的色散补偿技 术。r s t r u ew a v e 的最大优点是色散斜率小，仅为0 0 4 5 p s ( n m 2 k m ) 。小的色散 第一章绪论 崧率秘惫敷系数意棘着大静滚长遴道数基、薅静零逶遂弱率，霹对它还霹辍容悉 更高的非线性效应，这也意味着黑大的容量和熙低的成本。 隧饕光纤通信系统的迅速发媵，又出现了d f f ( 色散乎坦光纤) ，玄采用特 臻数双毽层或多霞瓣缝梅，影成狻嚣深耱据麓率貉鬓，魏鞭波导色教，获瑟在 1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 h m 处获得零色散，使光纤在1 3 0 0 1 6 0 0 h 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。 1 1 3 高速犬容量技术的发展 i 波分复用( w d m ) 技术 采掰电的时分复掰来提高传输容量的作法已经逐渐接避梭限，然两光纤的 2 0 0 m m 可用带宽资源仅仅利用了不到1 ，还有9 9 的资源尚待发掘。在这种情 况下，轷d m 技术应运滔生，并褥到了迅速豹发髅和普遍的应耀。弹嬲的基本思路 是：丽檄电缆中同时传输具有不弱波长的几个光载波，每个载波又载存不简的 信息业务，而每一信邋可以以不同形式进行调制的通信方式陋r 丌。图1 1 给出波 分复鼹遴售懿原理鄹，其有不同波疑、各壹载窍不嗣信息豹藩于个载波经搬通道 c h 。、c h e h o 等进入念波器( 孵x ) ，又被藕合掰阎一根竞释中，再经过戴条光纤 长距离传输，到终端进入分波器( d e m u x ) ，按波长将各载波分离，分别进入各自 通道c 辩，、e 趣e 魄，劳分别鼹调，从嚣使务鑫载赫豹信怠鲞埂。在傣输过程 中，为了聿 偿各静损糍对信号造成的衰减，每隔一定距离要加入一个掺铒光纤放 大器( d e f a ) 对信号进行放大。 图1 1w 脚原理圈 蠹予鬻潍技拳爵戳大灌度提褰系统簧簸容爨，并带来一系瓣箕宅菇处：霹疆 充分利用光纤的巨大帮宽资源使容量可以迅速扩大几倍至上酉倍；在大容激长 途传输时可以节约大爨光纤和再生器，从而大大鼹低了传输成本；与信号速率及 第一章绪论 电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段：利用w d m 实现网络交换和恢复 可望实现未来透明的、高度生存性的光传送互联网。 鉴于上述应用上的巨大好处以及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动， w d m 已成为当前研究的热点之一。目前c o r v i s 公司在芝加哥到西雅图的3 2 0 0 k m 的路由上成功地实现了1 6 0 x 2 5 g b s 信号的传输，创造了波长数最多，传输距离 最长的现场传输世界记录。波分复用系统的容量已向t b s 的水平迈进，西门子 实验室完成了3 2 t b s ( 8 0 x 4 0 g b s ) 传输4 0 k m 的试验，创造了传输总容量最高 的新世界记录：北电公司的1 6 t b s ( 1 6 0 x 1 0 g b s ) w 0 l , t 系统也已经实验成功；阿 尔卡特公司在实验室成功地创造了光网络的一个世界记录：在1 5 0 0 公里的距离 上使用t e r a l i g n t 光纤，以每信道4 0 g b s 的高速度传输1 2 5 信道的d w d m 信号， 相当于1 0 1 w s 。这些都揭示了w d m 技术的巨大发展潜力。特别是近两年，大容量 光纤传输系统使用的数字速率，很多是1 1 吲s 2 功s ，也有3 n ) s 4 n s ，最高 是6 3 t b s 、6 4 t b s ，超大容量密集波分用( d w d m ) 系统的发展不仅彻底发掘了 无穷无尽的光传输链路的容量，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。 波分复用系统的今后的发展方向是：总体容量持续扩大，从1 9 9 6 年的1 t b s 到1 9 9 9 年的6 4 t b s ；传输距离越来越长，1 9 9 8 年已达到1 2 0 0 0 公里；复用波 长数越来越多；单信道速率越来越高；信道间隔越来越小：传输系统从干线网向 城域网：和i p 技术的结合越来越密切；典型的点对点拓扑结构向环型结构为代 表的光网络过渡。 2 光时分复用( o t d m ) 技术 光时分复用( 0 r r d m ) 的原理和电时分复用( e t d m ) 相同，电时分复用由于受 到电子速率极限的限制，速率不可能很高，于是人们自然想到了直接在光域上进 行时分复用的方法。光时分复用是一种利用时隙传送信息的技术，其传输原理如 图1 2 所示。在发送端，超短光脉冲源发送一个脉冲就对应一个时隙，每个时隙 经过n 个不同的路径，即经过距离不同的光纤时延线后依次输出，精确控制光纤 时延线的长度就可以得到n 个相等的时隙组成的一个帧，如此循环，就使得许多 相同的帧传输下去，这一过程被称为复用，实际就是一个并行换成串行的过程。 在传输过程中由于有损耗要加光放大器以补充损失的功率。帧信息流到达接受端， 4 第一章绪论 再经过与复用过程相反的解复用过程，从而将不同的时隙分配给指定的用户，这 又是一个将串行换成并行的过程。整个传输过程需要保持时钟同步，使得接受端 和发送端的时隙一一对应。0 t d m 的复用和解复用都是在光域中完成的，从而克 服了e t d m 中存在的“电子瓶颈”的问题。与w d m 系统不同的是，在o t d m 中，采 用单一光波长传输，它的关键技术包括：高重复频率的超短脉冲光源；超短光脉 冲传输技术；光时分解复用技术；时钟提取技术；全光中继再生技术等。 图1 2o t d m 原理图 o t d m 技术并不是仅仅用来提高光纤的传输量，它的更广泛的应用前景是作 为网络技术用来组建“全光网”。所谓“全光网”是数据从源节点到目的结点的 传输过程以及信号在网络中的处理始终在光域内进行，这样就避免了光电和电 光转换时的“电子瓶颈”的限制，极大的提高了网络的容量和吞吐量。同时由于 信息在传送过程中始终保持光信号形式，因此全光网具有极强的抗电磁干扰性 能，在强电磁环境中的生存性得到极大的提高，这是全光网的另一个技术优势。 o t d m 全光网可提供比传统高得多的速率，一般可支持单信道大于1 0 0 g b s 的网络传输速率，为带宽容量的进一步升级提供了技术选择，并可望在网络多媒 体、虚拟现实技术及超级计算机互联等领域获得广泛应用， 它具有广泛的应用 前景。 目前，o t d m 存在三个研究发展方向：第一个发展方向研究更高速率的系统， n t t 一直在做这方面的工作，其o t d m 实验系统的高速率已达到6 4 0 g b s f l 蚴l ；第 二个方向是0 t d m 实用化技术和比特问插的o t d m 网络技术，欧洲一直从事4 0 g b s 第一章绪论 豹o t d m 系统秘瓣终方瑟静骚究工谬，其中一黧关键器俘已犊逅实用，麴谈摸半 导体激光器、光电型和全光型分插复用器等，而且在4 0 g b l s 的o t d m 信号传输方 面取得了很大进展；第三个方向魁o t d m 全光分组网络，同电的分组交换网络将 戟替电瓣瞧路交换列络一襻，毙瓣分缀交换网络将是全毙网络静一个发袋方彝， 美国在这方面做了大蟹研究，英国电信目前也张进行这方面的研究。 w d m 技术与o t d m 技术各有优势，但w d m 技术更为成熟，实现起来比较方便， 霹激迅遮在魏毒逶蕊系统豹基础上实理扩褰。o t d m 鼓术滏鲶予搽素玲段，尽管 国内外融进行了很多宓验，但它还属于未来的技术。目前，备国均以发展w d m 为主，阏时发展0 t d m ，将二者结合用于光通信系统中，将会更充分发挥光纤通 售系绞熬最大潜力霹凝貔塞靛瞧携，扶恧实现越大吝量、越妖矩离熬蕊琴键辕。 1 2 锁模光纤激光器在光通信系统中的应用 嚣蕊被普遍采爝弱渡分复趸( w d m ) 技术有效豹琴l 用了光纾豹荣宽，毽熬羲售 道数目的增加光纤内传输光波的功率会越来越强，由此引发的四波混频( f w m ) 效应会严重劣化系统的性能。而光时分复用( o t d m ) 技术与w d m 相结合可以大大提 蹇毙逶馈系统擎莹迳酌速率，减少波长蒗道数瓣，医毙毂认为是实理未来t b s 光通信的优选方案。商重复率的越缒光脉冲的产生是高速o t d m 系统中的关键技 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 或受疫移筮缀。壶予圭淤锬蒺必经激笼器霹以塞按产生衰重复频率且骧宽至少在 皮秒量级的光脉冲，因此一直被认为是o t d m 系统的理想光源。日本n t t 公司的 6 4 0 g b t s 1 0 0 k m 的o t d m 传输实验中采用的就是锁模环形光纤激光器。同时主动 镄摸竞纾激毙器毽爵凝蘑予贸戮系缓馋辩镑提取与鳃复矮。必终，主动镇模毙 纤激光器输出的脉冲经放大后泵浦趟连续光纤，可以产生宽带、强度平坦的超连 续( s c ) 光谱，再通过光学带通滤波器( o b f ) 就可以取出一系列脉宽可调( 皮秒量 级裂飞移豢缀) 熬运交挨辍袋辣冲。瓣兹这静怒逡续光源薮谈为蹩骞应爱慕荣豹 较为理想的o t d m w d m 混合系统的趣大容量光源。 全光玛分多址( o c d m a ) 技术是一种全新的寻址技术，可在光领域实现选择地 缝帮路蠢黪动能，这梵实现离速转辕提供了袭露黪瓣解决方寨。o c d m a 技零黉要 利用光学光源器件将信息数据以超斑脉冲的特定序列来发送，不同的序列代表着 不同的接收用户。在接收端，利用光学无源器件将脉冲序列进行楣关处理来将信 6 第一章绪论 息数据再现。因此，高重复速率的超短脉冲源是o c d m a 首选光源之一。 锁模光纤激光器在光孤子通信系统中也有着重要的应用。光孤子通信系统要 求一个能够产生高重复频率、无线性啁啾且尽可能接近双曲正割形脉冲的光孤子 源。最初的光孤子源为色心孤子激光器和增益开关d f b 激光器。前者虽然能产生 高功率的双曲正割形脉冲，但其结构复杂、体积庞大且脉冲重复速率低，所以不 能满足高速通信系统的需要。而后者则带有严重的初始啁啾，这会使脉冲在传输 过程中不断被展宽，从而限制了整个系统的容量和性能。由于锁模光纤激光器可 以直接产生高重复频率的近变换极限脉冲，而且结构灵活，所以逐渐地被认为是 光孤子通信系统的理想孤子源。美国b e l l 实验室和日本的n t t 公司采用锁模光 纤环形激光器己成功地进行了一系列的传输实验。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l 1 0 6 公里的孤子传输实验。 总之，随着通信容量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用。 1 3 锁模光纤激光器的类型 激光模式分为纵模和横模，所以锁模技术也分为纵模锁定和横模锁定。我们 通常所说的锁模技术一般都是指纵模锁定。 锁模光纤激光器按锁模方式大体可以分为主动锁模光纤激光器1 3 “、被动锁 模光纤激光器【3 3 1 、主被动联合锁模光纤激光器三种。 1 3 1 主动锁模光纤激光器 主动锁模光纤激光器主要是指在激光腔内插入主动调制器件( 如l i n b 0 3 调 制器) 或外界有相关脉冲注入，利用这些主动因素对激光腔内光波进行调制来实 现主动锁模，现在普遍使用的是m z 型l i n b 0 。波导光电调制器。近几年，人们 又研制出不需要光电调制器的主动锁模激光器，主要有：基于半导体激光器的主 动锁模光纤激光器和注入型主动锁模光纤激光器。 1 利用调制器的主动锁模光纤激光器 图1 3 是一个典型的主动锁模环形光纤激光器结构图。掺铒光纤( e d f ) 提 第一章绪论 供腔内的增益，腔内主动锁模器件是l i n b o ，调制器( m o d u l a t o r ) ，它对光波的 调制方式有两种：一是振幅调制( 损耗调制) ：另一种是相位调制。调制器在射 频信号( r fd r i v e t ) 驱动下产生周期性的损耗或是周期性的相位变化，这种周 期性的变化与腔内循环的脉冲相互作用导致了锁模脉冲序列的产生。偏振控制器 ( p c ) 用来控制光场的偏振态，滤波器( t u n a b l ef i l t e r ) 的作用是调节激光的 中心波长，光隔离器( i s o ) 用来确保主动锁模光纤激光器处于单向运转，它也可消 除某些光学元件上产生的反射波带给调制器的不利影响。延迟线( d e l a yl i n e ) 可精确调节腔长，使其与调制频率相匹配，并可有效的抑制超模噪声。腔内运行 的锁模脉冲经光纤耦合器( c ) 输出。 p t 州口i & ，抖 r fd r i v e r 图1 3 主动锁模环形光纤激光器结构图 2 用半导体激光器作调制器的主动锁模光纤激光器 d c b i a s 图1 4 用半导体激光器作调制器的主动锁模光纤激光器的结构图 基于半导体激光器的主动锁模光纤激光器是用工作在阂值以下的半导体激 光器取代调制器，如图l _ 4 所示。半导体激光器通过环行器插入环形腔，在r f 信号驱动下，激光器的载流子密度发生周期性变化，从而折射率被调制，对环形 第一章缝论 腔内的振荡光场超到强度调制器的作用，使各个纵模被锁定。1 9 9 9 年，香港中 文大学k 。t c h a n 研究小组瘸2 5 g h z 的骥动频率， ! 孽剐了2 0 g h z 蛇8 阶有理 数谮波锁模脉冲【矧。2 0 0 0 年，匏们的工绍又取得了薪的避展，获褥了i 0 g h z 豹 谐波锁模脉冲，脉冲的超模噪声低，而且功率很稳定【3 6 1 。 3 注入型主动锁模光纤激光器 注入型主动镄模先纤激光器 3 7 - 3 8 1 在全光通信系统中珂被用来提取时钟脉冲， 主要有两种类型。种是利用行波半导体光放大器( s o a ) 作为环形腔的增益介质， 由腔辨增益开关半导体激光器勰腔内注入锁模脉冲，使半嚣体光放大嚣的增盏被 调翩，产生增益饱和，锁定腔内各个级模，从而产生锁筷脉冲，实骏装置如图 1 5 ( a ) 所示。这个结构中的s o a 既起到增益介质的作用，又起到调制器的作用。 1 9 9 9 年，h a v r a m o p o u l o s 豹研究小组搬逆了鼹1 0 g h z 注入躲挣产生了2 0 g i l z 锬 模脉冲，激光波长在1 6 r i m 范溺内可调f 弼。2 0 0 0 年，他们报道了能同时输出l o 个波长锁模脉冲的注入型主动锁模光纤激光器，脉冲黛复频率为3 0 g h z ，脉 宽为7 p s 。在当年瓣o f c 会议上，健镌磅制豹镁模光绎激光器静性能挺凑裂重复 频率4 0 g h z ，调谐范围2 0 勰f 4 ”。 笫二种注入型主动锁模是利用光纤的交叉相位调制( x p m ) 效应进行主动锁 模，突验装置如黧l 。5 ( b ) 蜃承，工终原理怒藤菇建的一段单模毙纾作为一个提 位调制器，当向胶内注入波长为丑。的光脉冲序列时，该波长的光与光纤环形腔 中波长为五。的信号光相互作用，形成交叉相位调制，由此对信号光五，产生周期 往的鞠位调铆，献褥实现激光器豹主动锁模。目蓠，剥璃这耱结聿奄已成功穗跌 4 0 g b s 的信号脉冲中提取光时钟f 4 2 】。 e d f a e d f a 制h 搿芦卜口# 号 p cg | l 叵卜好拦一 鹪 9 第一章绪论 ( b ) 图1 5 注入型主动锁模光纤激光器结构图 1 3 2 被动锁模光纤激光器 被动锁模光纤激光器是利用插入腔中的非线性元件( 饱和吸收体或非线性光 纤放大环境) 产生锁模脉冲的。光纤的非线性偏振旋转在环形光纤锁模激光器中 可以起到饱和吸收体的作用，其工作原理如图1 6 所示，可以用x p m 效应来解释。 工s o i t o r 图1 6 被动锁模光纤激光器 当两束或更多束光波同时在光纤中传输时，它们将通过光纤中的非线性发生 相互作用。x p m 效应的产生是因为一光波的有效折射率不仅与此光波的强度有 关，而且与另外一些同时传播的光波的强度有关。图1 6 中，从隔离器出来的光 被p c i 变为椭圆偏振光，它在x 方向和y 方向有不同的光强，这束椭圆偏振光经 过光纤，由于光纤的x p m 效应，沿x 方向的偏振分量和沿y 方向的偏振分量经过 相同长度的光纤产生的相移却不同，这就使椭圆偏振光的偏振态发生旋转。另外， 光纤本身的双折射也使在光纤中传播的光的偏振态发生旋转。适当选择p c 2 的位 置，使某个偏振态的光的损耗最小，能再次通过隔离器，继续振荡，这样就可以 利用偏振选择来实现被动锁模。 第一章绪论 另外，利用非线性光纤放大环境，也可以产生被动锁模脉冲，此结构的光纤 激光器形状类似8 字而被称为“8 ”字腔锁模激光器。 由于被动锁模光纤激光器是利用光纤的非线性效应来实现被动锁模的，所以 它无须外加电调制信号或外界注入脉冲。被动锁模激光器结构简单，是真正的全 光器件。它可以充分利用掺铒光纤的增益带宽，理论上讲可直接产生b 光脉冲。 但它的不足之处是输出脉冲重复频率的稳定度差，不能外界调控。 1 3 3 主被动联合锁模光纤激光器 由于主动锁模光纤激光器的弛豫振荡和超模噪声劣化了输出脉冲的质量，特 别是当采取有理数谐波锁模技术时，在阶数大于2 的情况下，输出锁模脉冲将出 现较大的幅度波动，这种幅度噪声是光纤通信系统所不允许的。为了改善主动锁 模光纤激光器的输出脉冲质量，人们多采用主被动联合锁模的方法，其中“8 ” 字型激光器就是一种典型的主被动联合锁模激光器结构，如图1 7 所示。 o u t p u t 图1 7 主被动联合锁模光纤激光器结构图 主动锁模掺铒光纤环形激光器加上一个由非线性光学环行镜( n o l m ) 构成的 附腔。n o l m 中的x p m 效应使其具有饱和吸收体的性质，所以可以被作为被动锁 模器件【4 3 】。通常，环中加入一段色散位移光纤( d s f ) ，增大光纤的非线性效应。 从主动锁模环中输出的脉冲注入到n o l m 附腔，利用n o l m 的非线性效应来消除弛 豫振荡、超模噪声和幅度波动造成的不利影响，从而获得高质量的锁模脉冲。 1 4 主动锁模光纤激光器的研究进展 高速光纤通信系统对超短光脉冲源的要求主要有以下两点：1 能够产生重复 频率在1 0 g h z 到1 0 0 g h z 、脉宽为皮秒( p s ) 量缴的稳定的光脉冲。2 激光器的波 长可调谐，以便于整个系统的色散管理与解复用。为了满足以上两点要求，人们 第一章绪论 将主动锁模光纤激光器的研究重点放在了以下几个方面：1 倍重复速率谐波锁模 技术。2 波长可调谐锁模光纤激光器和多波长锁模光纤激光器。3 锁模光纤激光 器的稳定技术。4 输出脉冲的窄化。5 超连续谱光纤激光器。 1 9 9 2 年，h a r v e y 等人用掺铒光纤作为增益介质，实现了主动锁模光纤激光 器的运转。1 9 9 5 年日本n t t 采用全保偏环形腔主动锁模光纤激光器，获得了重 复频率为6 3 g h z 的稳定锁模脉冲。利用有理数谐波锁模技术，主动锁模光纤激 光器输出脉冲的重复频率可以达到2 0 0 g h z 2 4 l 。而采取色散渐减掺铒光纤放大器 进行绝热孤子压缩可以使输出脉冲的脉宽小于2 0 0 f s i ”】。 主动锁模光纤激光器要想走向实用化，稳定性问题是必须要解决的。目前看 来，主动锁模光纤激光器的不稳定因素主要来源于以下三个方面：1 外界环境扰 动引起的腔长变化。2 激光在谐振腔内偏振态的起伏。3 与谐波锁模技术相伴的 超模噪声的影响。 腔长与调制频率的同步是保证主动锁模光纤激光器长时间稳定工作的前提。 由于光纤对外界环境的变化比较敏感，光纤激光器长时间工作时，腔长漂移而产 生的相位噪声引起输出的激光脉冲幅度不稳定，严重时会造成激光器的失锁。目 前，解决这一问题晟常用的方法是采取再生锁模技术【2 叫。然而再生锁模光纤激 光器的一个重要缺点是在激光器自由运转条件下，输出脉冲的重复频率会自动跟 随腔长变化而难以稳定在一个固定的重复频率上，因此，人们又在此基础上发展 出了利用压电陶瓷( p z t ) 来改变光纤腔长的相锁环( p l l ) 技术。它利用压电陶瓷 的伸缩带动腔长变化来补偿外界因素引起的腔长变化，这样就可以使激光器输出 光脉冲的重复频率始终保持不变，这一技术目前看来最有望实现商用化【2 7 1 。 消除偏振态起伏最有效的方法是采用全保偏的光纤谐振腔，即：使用保偏掺 铒光纤和保偏单模光纤，偏振有关光隔离器，保偏耦合器和偏振控制器，这些器 件的使用可以有效地提高输出锁模脉冲的稳定性【2 。 超模噪声也是影响主动锁模光纤激光器稳定输出的一个重要因素，它是一种 相位噪声，是谐波锁模技术所固有的。谐波锁模的级次越高，腔内可能存在的超 模数就会越多。超模彼此竞争，使得输出锁模光脉冲的振幅随时问波动。1 9 9 3 年，s h a h 等人提出用p z t 技术来消除超模噪声，其原理是将光纤绕在p z t 上，然 后给p z t 施加一个低频驱动信号，这样p z t 产生的声场破坏了掺铒光纤的空间 第一章鳍论 烧孔效应，从而使一组超模能够抑制掉其它的超模1 2 9 1 。n o n o d e r a 提出了一种用 复合腔捧翎超摸啜声翦理论删，霹以有效舞魏减少了谐波谈模光纾激澎器孛斡超 模数。针对复含腔静蒂i 超模噪声豹理论，o p o t t i e z 等人在最近的实验研究申发 现这种复合腔结构对超模噪声的抑制并没脊以前报道中的那么有效1 。 蕊之，镬模必绥激光器戆发展菲常迅速，耨懿技术不断涌现，莠鼹这些薪技 术极大地推动了锁模光纤激光器的实用纯谶程。 1 5 本论文的工作及意义 二十一世纪鼹一个高度信，鼠化的社会，光纾通信技术农现代通信领域中扮演 着堂要角色。考虑别当前光通信系统的发展方向及研究热点，本论文结合国内外 敬必避辩研成栗，罄眼予超缝必辣i 孛源盼发鼹翦景，从主溯锁模环型毙纾激光器 入手，主要研究了以下凡方面内容： 深入分析了主动锁模环形光纤激光器的工作原理。 凌予般熬主动镂模巧形巍终激光嚣黢内豹光纤较长，对努爨环境变化较力 敏感，从而导致输出脉冲稳定饿差，因此必须采取措施以保证激光器稳定工作， 这就造成激光器的结构复杂，鼠成本较高。我们考虑到半母体光放大器( s o a ) 蛉蛹液速度快，稳定性好，易予集成，对臻掇不敏感等俊患，将s o a 应矮子镁模 光纤激光器中。馨于此，我们提出了一种基予两个s o a 的谐波锁模光纾激光器的 理论模型，此激光器可以输出稳定的高重复频率超短光脉冲。 遴过理论分掇秘数篷模掇，澎惠了受激疆瓣漠耗鼗滚予霉| 起兹拳警髂必敷大 器增菔饱和、带内裁流子加热和光谱烧孔引超的增益压缩，增益非对称和漂移， 随位鼹和时间变化的载流子寿命等物理机制，潜重研究了该激光器输出脉冲的演 变赞臻，蒡分辑了淀入两个s o a 豹编置龟浚瓣辕密镂模赫堙熬形状、蜂德磅辜、 脉冲宽度的影响，鼠理论模拟与宓验结果相l l 匆台。 参考文献 1 】采丰华，现代光电子器件控术及应用，搿励i 澎鹫磁徽，2 0 0 4 f 2 】迈恩贝费( m y n b a e v d k ) ，光纤通信技术，群学留衔狂，2 0 0 2 瑟】隗振宁，吴德鞠，渡壬 复建技术的演进趋势，趱君型雾甄2 0 0 3 【4 】c r g i l e s ，e d e r s u r v i r e ，“m o d i n ge r b i u mf i b e ra m p l i f i e r s ，j o u r n a lo f 1 3 兰二兰璧鎏 l i g h t w a v e 乃跣，1 9 9 1 ，9 ( 2 ) ：2 7 1 2 8 3 f 5 】rc 。b e c k e t , “e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ：f u n d a m e n t a l sa n dt e c h n o l o g y ” p u b l i s h e db yl u c e n tt e c h n o l o g i e s , 1 9 9 9 ，6 ( 3 ) ：3 8 7 3 8 9 f 6 】g ”m e r t h i e r , k d a v i d