（物理电子学专业论文）光通信波段超短光脉冲产生技术的理论及实验研究.pdf

摘要 摘要 开发光纤传输信息容量的潜力，提高光纤的利用率，一直是光通信技术研究 的主题。4 0 g b s 系统的实验成功，使提高单信道速率成为目前研究的热点之一， 加以p z 码传输技术的潜在优势和实用化趋势，对系统发送与接收模块提出了新 的挑战。本文主要围绕光纤通信系统中的光源技术，对主被动锁模光纤激光器、 电吸收调制技术、光脉冲压缩、超连续光谱产生技术进行了理论及实验研究，具 体的研究工作成果如下： 一、主被动锁模光纤激光器 1 分析了色散非平衡光纤环形镜( d i - n o l m ) 的非线性开关特性及入射脉冲功 率、脉宽对透射率和透射脉冲形状的影响； 2 对d i n o l m 用于光纤锁模激光器的工作状态进行了分析，首次对采用 d i n o l m 的锁模光纤激光器进行了实验，实现了主被动锁模运转。发现，当 d i - n o l m 偏置在加成脉冲锁模( a p m ) 状态时，主被动锁模输出脉冲明显 窄化，得到了1 0 g h z 、5 4 5 p s 的脉冲序列，但不易稳定：而当d i - n o l m 偏 置在加成脉冲限制锁模( a p l ) 状态时，d i - n o l m 的非线性损耗特性能够有 效的降低锁模脉冲的幅值起伏。 二、皮秒脉冲电吸收调制激光器( e m l ) 1 从电吸收调制器的数学模型出发，分析了反向偏置电压和调制指数对于脉冲 的脉宽和消光比的影响，分析了e m l 产生啁啾的原因及驱动条件影响，综合 脉冲时域及频域两个方面因素，对驱动参数进行了优化。 2 对电吸收调制激光器产生光脉冲进行了实验研究及分析，得到了2 1 4 p s 的光 脉冲；并与铌酸锂调制器产生的光脉冲进行了比较。 3 研制了一台电吸收调制激光器驱动电源，工作安全、稳定，温控精度达到了 0 0 3 。 三、光脉冲压缩 1 通过数值计算非线性薛定谔方程，模拟了光脉冲在d s f + s m f 全光纤啁啾一 色教脉冲压缩器中的演变过程，分析了光纤长度、输入脉冲功率、损耗及三 阶色散等因素对压缩质量的影响，为优化设计d s f + s m f 啁啾一色散脉冲压 缩器提供了理论指导。 2 根据优化设计的结果，分别对主动锁模光纤激光器和电吸收调制激光器输出 脉冲进行了啁啾一色散压缩的实验研究，压缩后分别得到了4 ，6 9 p s 和6 7 8 p s 天津大学博士学位论文 的近变换限s e t h 脉冲，压缩因子分别为2 7 2 和3 1 6 ，实验结果与数值计算 结果一致。 3 对色散渐减光纤( d d f ) 中的绝热脉冲压缩及高阶孤子( 1 n 2 1 ) 压缩 进行理论分析，并通过数值计算非线性薛定谔方程模拟了光脉冲在d d f 中的 演变过程，着重分析了d d f 参数( 如色散渐减形状、光纤长度、有效放大因 子、三阶色散和损耗) 及输入脉冲参数等因素对压缩因子和压缩质量的 影响，为d d f 脉冲压缩器的优化设计提供了指导。 4 用天大天财光纤公司初试制作的d d f 对主动锁模光纤激光器输出脉冲进行 了压缩实验，得到了1 9 2 p s 的变换限s e c h 脉冲，同时观察到了d d f 中商阶 孤子的演变行为，得到了约6 0 0 f s 的高阶孤子脉冲。 四、超连续( s c ) 光脉冲源 1 通过数值计算，对正常色散区和反常色散区s c 谱产生的过程、谱特性进行 了分析，分析了光纤参数( 光纤长度、三阶色散、损耗等) 、泵浦脉冲参数 ( 功率、脉宽、波形、啁啾等) 对s c 谱及其形成的影响，为实验研究提出 了优化设计的指导原则。 2 分别以电吸收调制激光器和主动锁模光纤激光器为泵浦光脉冲源，进行了s c 谱产生的实验研究，得到了谱宽为8 7 4 r i m 的s c 光脉冲；并进行了初步的谱 切片实验，得到的各波长脉冲脉宽都介于1 4 6 p s - 1 9 0 p s 之间，时间带宽积也 都在o 3 4 左右，具有较好的一致性、相干性和稳定性。 关键词：主被动锁模光纤激光器，色散非平衡光纤环形镜，电吸收调制激光器， 啁啾色散光脉冲压缩，色散渐减光纤，绝热脉冲压缩，超连续光谱， 光谱切片 a b s t r a c t a b s t r a c t i t h i s d i s s e r t a t i o n , a c t i v e l y & p a s s i v e l y m o d e - l o c k e df i b e rl a s e rw i t ha d i s p e r s i o n - i m b a l a n c e dn o n l i n e a r f i b e rl o o pm i r r o r ( d i - n o l m ) ，u l t r a - s h o r to p t i c a l p u l s eg e n e r a t i o nb a s e do ne l e c t r o - a b s o r p t i o nm o d u l a t e dl a s e r ( e m l ) ，o p t i c a lp u l s e c o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s a s w e l l a s s u p e r c o n t i n u u r ng e n e r a t i o n a r e s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y ，w h i c hi n c l u d e ： 1 a c t i v e l y & p a s s i v e l y m o d e l o c k e df i b e rl a s e rw i t had i n o l m 1 ) o p e r a t i o np r i n c i p l e a n d s w i t c h i n g c h a r a c t e f s f i c so fad i - n o l ma r e i n t r o d u c e d i n f l u e n c eo fs t r u c t u r e p a r a m e t e r s a n do fi n p u t p u l s e o nt h e s w i t c h i n g o fad i - n o l mi si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n d n u m e r i c a l l y 2 ) t h es i m u l t a n e o u s l ya c t i v ea n dp a s s i v eo p e r a t i o no fh a r m o n i c a l l ym o d e - l o c k e d f i b e rl a s e rw i t had i n o l mi sd e m o n s t r a t e df o rt h ef u s tt i m e e x p e r i m e n t r e s l l l t ss h o w t h a t , w h e n t h el a s e rb i a s e sa ta d d i r i v ep u l s em o d e - l o c k i n g ( a p m ) m o d e ，t h eo u t p u tm o d e - l o c k e dp u l s eh a sn a r r o w e rw i d t ha n de x h i b i t sl a r g e r a m p l i t u d ef l u c t u a t i o n ；a n dw h e n t h el a s e rb i a s e sa ta d d i t i v ep u l s el i m i t i n g ( a p l ) ，t h eo u t p u tp u l s e i sm o r es t a b l eb u tw i t hl a r g e rp u l s ew i d t h 2 u l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s eg e n e r a t i o nb a s e do ne m l l 、b a s e do nt h en u m e r i c a lm o d e lo fm u l t i q u a n t u mw e l l ( m q w ) e a m , t h e r e l a t i o nb e t w e e nd r i v i n gc o n d i t i o n ( r e v e r s eo f f s e ta n dm o d u l a t i o ni n d e x ) a n d o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c ss u c h 船p u l s ew i d t h , e x t i n c t i o nr a t i oa n dc h i r p i s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dn u m e r i c a l l y o p t i m i z a t i o no fd r i v i n gc o n d i t i o ni s i n a d e 2 1as t a b l ea n dr e l i a b l ee m l d r i v e ri sd e v e l o p e d u n d e rt h eo p t i m a ld r i v i n g c o n d i t i o n ，o u t p u tp u l s e s f r o me m lw i t hw i d t ho f2 1 4 p s 砒1 0 g h za r e o b t a i n e d c o m p a r i s o nb e t w e e n t h ep u l s e sg e n e r a t e db ya ne m la n db yc w + m z im o dm e t h o ds h o w st h a t e m li sm o r es u i t a b l ef o rs h o r t p u l s e g e n e r a t i o n 3 o p t i c 时p u l s ec o m p r e s s i o n 1 ) t h ed y n a m i c so fc h i r p e dp u l s ec o m p r e s s i o nv i ad i s p e r s i v em e d i a ( c - dp c ) i s s t u d i e d t h e o r e t i c a l l y a n dt h ec - dp cc o m p r e s s o rb a s e do nd s f + s m f c o m p o s i t i o n i s p r o p o s e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n so fd s f + s m fc - dp c c o m p r e s s o re x p l a i n t h ei n f l u e n c eo fg v d ，f i b e rl e n g t h ，f i b e rl o s s ，i n p u tp u l s e p a r a m e t e r s o nt h ec o m p r e s s i o nf a c t o r ( f c ) a n d q u a l i t y 天津大学博士学位论文 2 、o u t p u tp u l s e s f r o me m la n dh m f la r e c o m p r e s s e db y t h ed s f + s m f c o m p r e s s o r t o6 7 8 p sa n d 4 6 8 8 p s ，w h i c hc o r r e s p o n d s t oaf co f 3 1 6a n d 2 7 2 ， r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e e w e l lw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 1a d i a b a t i cs o l i t o n c o m p r e s s i o n ( a s c ) a n dh i g h e r - o r d e r s o l i t o n p u l s e c o m p r e s s i o n ( 1 3 0 0 k m ) 光纤传输，因此在使用光线路放大器的w d m 系统中被广泛采用。常用的外调制器一般是基于电光、声光效应和半导体 材料电致吸收效应而制成的，目前应用最为广泛的是铌酸锂电光调制器 ( l n m o d ) 和电吸收调制器( e a m ) ，尤其是基于半导体多量子阱( m q w ) 材料的e a m ，具有调制速率高、啁啾小、驱动电压低及易于与d f b 半导 天津大学博士学位论文 体激光器集成等特性，发展迅速、应用广泛。目前商用产品的调制速率一 般为i o g h z ，4 0 g h z 的e a m 和集成单片d f bl d 的e a m 光源( e m l ) 也已经有商品，调制带宽高达5 0 g h z 。此外，基于p o l y m e r 材料的调制器 在成本、高速率调制、集成性能、功耗等方面显示出了良好的市场潜力， 随着材料、损耗特性、稳定性的不断完善，可能会发展为有价值的新器件 1 - 2 9 。 纵观光纤通信系统光源技术多年的发展，其变化呈现以下几个特点： 1 、集成化和多功能化：随着半导体材料及生长技术的发展，在同一基 底上同时集成d f bl d 和e a m 、d f bl d 和s o a 、或同时集成三者 1 - 3 0 1 的半导体光源已成为可能，扩展了光源的功能，简化了系统设计。此外， 随着在高速i c 制造中引入c m o s 工艺，使得体积、功耗和成本等问题得 到改善和解决，从而促成集成发射模块( 码型变换电路+ 光源驱动电路+ 光源) 和接受模块( 前置放大器+ 阻抗匹配电路+ 检测告警电路) 功能的 收发一体模块t r a n s c e i v e r 的问世，t r a n s c e i v e r 具有体积小、功能完善、可 靠性和标准化程度高等优点。近年来，在t r a n s c e i v e r 的基础上增加了电复 用解复用功能的t r a n s p o n d e r ( 异频转发器) 为提供较低速率的数据接1 2 1 ， 降低了系统开发商设计高速率电传输线的难度，从而可提高系统设备开发 速度，缩短开发周期。还有的厂商针对w d m 系统而设计生产了内景波分 复用器的光模块。 2 、可调谐：可调谐激光器作为一个新兴技术可使运营商降低光网络成 本：减少备用设备，系统器件的标准化，节约运营成本。例如，可调谐 t r a n s p o n d e r 可使城域网的建设成本降低3 5 ，运营费用节省6 0 i 卜3 1 】。 除了能够节约成本，可调谐激光器还可以使运营商增加网络的灵活性和可 扩展性，并且支持动态带宽分配。例如，如果用户需要更多带宽。由于使 用了可调谐激光器，运营商可以很容易的打开额外的信道：如果使用动态 o a d m 或光交叉连接设备，可调谐激光器可以根据波长重新为光信号选 路，从而可以实时重新配置d w d m 网络，a l c a t e l 和m a r c o n i 公司均己推 出结合o x c ( 或o a d m ) 和可调激光器的光网络方案。 表l 为当前可调谐半导体激光器的进展状况，部分可调谐半导体激光 器已实现商品化，较窄调谐范围的可调谐半导体激光器也在很小一部分商 业网络中得到应用，而拥有更宽调谐范围的可调谐半导体激光器因成本 高、批量生产难度大、稳定性和封装等问题有待进一步改进，从而短期内 8 第一章绪论 难以实用。 表1可调谐半导体激光器的迸展 类型调谐原理调谐范围输出功率调谐速度厂商文献序号 加热、电注入改 3 2 n m 3 d b m 6 d b m) i o u s卜3 5 ( m e m s ) 技术1 0 l o n 外腔镜面或体光 j d s u e c l 栅机械调谐 $ 0 n m) 1 0 d b m l i n ss a n t e c1 3 2 3 6 n e t t e s t 表2 为可调谐光纤激光器的实验室进展状况，由于具有光纤激光器的 优点，调谐实现方式多样，输出功率大，波长调节准确，目前仅在各种光 纤通信仪表中得到应用，a g i l e n t 是此应用开发厂商的代表，e x f o 和 p r i m a w a v ep h o t o n i c s 都有相应产品。 表2可调谐光纤激光器的进展 调谐原理调谐方法 谓谐范围文献序号 光纤b r a g g 光据( f b o ) 4 0 n m1 3 7 f p 选波器 1 0 0 n mi 3 8 采用宽带增益介质 声光可调谐激光署( a o t f ) 1 3 9 阵列波导光栅( a w o ) 2 5 n m1 4 0 受澈r a m a n 散射( s r s ) 6 5 n m1 4 1 非线性效应 光学参量振荡( o p o ) 9 0 n mi 4 2 3 、多波长： 迄今为止，d w d m 使用最成熟的光源仍是多个分立的d f b 激光器， 例如目前商用的1 6 t b s ( 1 6 0 c h 1 0 g b s ) d w d m 系统需要3 2 0 个d f b 激光器，这么多激光器的波长间隔控制难度较大，功耗、成本上升，可靠 性不能长期保证，管理起来也非常困难。而一体化多波长光源则能有效解 决这些问题，成为当前光纤通信领域的研究热点之一。多波长光源可以用 滤波器件对宽带光谱( 如f pl d 、超辐射半导体激光器、掺杂光纤的自发 辐射谱、光纤超连续光谱等) 进行谱切片得到，也可以采用各种机制实现 激光器的多波长运转得到，前者在结构难易程度、波长稳定性和准确度方 面具有优势，后者则有波长的单色性好、边模抑制比高等优点，目前研究 9 天津大学博士学位论文 也较多。 从所用增益介质材料的角度来说，多波长光源包括多波长半导体激光 器和多模长光纤激光器。多波长半导体光源在体积、集成度、价格等方面 更易于商品化，其实现方法主要有两种：一是将多个d f b 或d b rl d 集 成在个基底上，构成多波长l d 阵列，在这一方面v c s e l 具有较大优 势，已有实现1 4 0 个波长( 波长间隔0 3 n m ) 运转的v c s e l 阵列【卜4 3 l ：二 是用半导体增益介质和滤波器件构成多波长运转的激光器，o f c 2 0 0 3 报 道了用体光栅、标准具和s o a 构成的、能够输出1 6 8 个波长、7 5 0 m h z 锁模脉冲的m l l d 卜4 4 】。 多波长光纤激光器主要分为两类：利用光纤光栅等反射镜来提供光反 馈并选择激射波长；利用滤波机理来实现多波长运转。例如：j h u b n e r 等用分布反馈光纤光栅 1 - 4 5 】、j c h o w 等用光纤取样b r a g g 光栅【1 - 4 6 、h t a k a h a s h i 用阵列式波导耦合器f 卜47 1 、t k o m u k a i 用光纤f p 标准具 1 - 4 8 1 、 h t a k a r a 利用双折射光纤f 1 - 4 9 | 、h o k h a m u r a 和k 1 w a t s u k i 用复合腔结构 e l - s 0 1 分别制成了多波长光纤激光器。 1 2 2r z 码光通信系统中的光脉冲产生技术 尽管现在的光通信系统大都采用n r z 码进行传输，但r z 码信号更适 于高速率、长距离的d w d m 传输系统 t - s t , 5 2 l ，尤其在4 0 g b s 甚至更高速 率的传输系统中，在克服光纤非线性效应 1 - 5 3 和p m d 方面显示出显著的 优越性 i - 5 4 】，。其核心技术就是高质最短光脉冲产生技术，目前常用的短脉 冲光源主要有增益开关分布反馈半导体激光器( g s - d f bl d ) 、锁模半导 体激光器( m l l d ) 、连续光+ 调制+ 脉冲压缩整形技术( c w + m o d + p c ) 、 谐波锁模光纤激光器( h m f l ) 和超连续光脉冲源( s c ) 。 1 0 8 一d f bl d 【1 。5 5 增益开关分布反馈半导体激光器( g s - d f bl d ) ，是用高功率正弦信 号驱动直流电流偏置点低于阈值的半导体激光器，使之在增益开关状态工 作，输出脉宽较窄的脉冲。g s d f b 激光器具有动态“单频”的特性，在 1 0 g h z 重复频率下其输出脉宽经简单的啁啾补偿( 正常色散光纤或啁啾光 纤光栅) 和滤波可压缩到5 p s 。其优点为电光转换效率高、响应速度快和 简单、廉价、稳定性好，是产生超短光脉冲的一种重要手段：但输出的光 脉冲的质量不尽人意，脉冲啁啾、抖动较大、脉宽较宽，须采取上述必要 的措施进行补偿。 2 m l l d 1 0 第一章绪论 锁模半导体激光器m l l d 2 】能够产生高重复频率、低噪声、高质量的 超短脉冲，非常具有吸引力，越来越多的高速传输实验系统采用m l l d 作 为光源。目前，采用光纤布拉格光栅的外腔m l l d 能够产生9 9 5 3 g h z ( s t m 6 4 ) 、3 8 p s 、时间抖动 1 6 0 f s 的脉冲【“5 6 】，是o t d m 系统的理想光 源：o f c 2 0 0 3 也报道了输出脉冲重复频率为4 0 g h z 、脉宽为2 4 p s 、时间 抖动小于2 4 0 f s 的m l l d t - s t ，和能够输出1 6 8 个波长、重复频率为7 5 0 m h z 脉冲的m l l d t l 4 q ，能用于o t d m d w d m 混合传输系统；只是目前m l l d 的制造和封装工艺很难适应通信光源在波长和重复频率方面的苛刻要求， 难于批量生产。 3 c w + m o d + p c 将半导体激光器或光纤激光器输出的连续光通过m a c h z e h n d e r 调制 器 1 - 5 8 , 5 9 , 6 0 1 或电吸收调制器( e a m ) ，也可产生短脉冲。1 9 9 5 年，e a s w a n s o n 等人将m a e h z e h n d e r 调制器偏置在透射谷底，用2 0 g h z 的正弦小信号驱 动，产生了4 0 g h z 的r z 码脉冲，然后用梳状色散光纤压缩，得到了2 9 1 p s 的近变换限s e t h 脉冲【1 - 5 8 ；而2 0 0 0 年，d u c h e yl e e 等人用相位调制器对 c w 光进行调制，用色散渐减光纤进行两级压缩，用非线性放大环形镜进 行脉冲整形，得到了2 0 7 f s 的超短脉冲【l 。5 。采用m a c h z e h n d e r 调制器的 方案尽管结构简单、易于实现，但输出脉冲必须进行复杂的压缩和整形技 术才能满足要求。与之相比，e a m 具有速率高、啁啾小、驱动电压低、 偏振不敏感、体积小、易于与半导体激光器或其他波导器件集成等优点， 利用e a m 产生高质量的r z 码超短脉冲备受重视。1 9 9 8 年，日本的s a e k o o s h i b a 等人用正弦信号驱动m q we a m 直接产生了短至3 6 p s 的光脉冲 i - 6 1 】；1 9 9 5 年，英国的t a y l o r 等人用啁啾光纤光栅和色散渐减光纤将 1 0 g h z 、5 2 p s 的c wd f b + e a m 输出光脉冲压缩到了1 9 0 f s 【l 6 2 ，6 j j ；1 9 9 9 年，m d p e l u s i 等人用色散渐减光纤中的高阶孤子压缩技术将c w d f b + e a m 输出的1 2 5 g h z 、1 3 3 p s 光脉冲压缩到了1 3 0 f s 【卜6 4 l 。目前，e a m 集成单片d f b 激光器发展非常迅速，a g e r e 、n e l 、m u l t i p l e x 等公司已有 1 0 g b s 速率的产品，4 0 g b s 的产品正在研发中。 4 h m f l 谐波锁模光纤激光器主要可以分为三类：即主动锁模掺铒光纤激光器、 被动锁模掺铒光纤激光器和主被动联合锁模掺铒光纤激光器，目前主动谐 波锁模铒光纤激光器研究活动开展最多，取得了许多卓有成效的研究成 果，在多个实验系统中都采用了h m f l 作为光源。h m f l 可输出重复频率 2 4 0 g h z 、1 0 2 p s 的变换限脉冲，功率高，输出波长也较灵活，是各种超 天津大学博士学位论文 短光脉冲产生技术中输出脉冲质量最好的一种方案。 目前，h m f l 的研究内容主要集中在：1 ) 、输出脉冲的窄化：2 ) 、主 动锁模光纤激光器的稳定技术，不稳定因素主要来源于环境扰动引起的腔 长变化、偏振起伏以及与谐波锁模技术相伴的超模噪声。因此，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，解决方法包括：使 腔内循环的脉冲孤子化；利用伺服控制系统补偿腔长的温漂；采用全保偏 光纤及器件以克服偏振起伏。 5 s c 超连续谱( s c ) 光源是将峰值功率很高的超短光脉冲注入一段光纤( 高 非线性) ，在自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、受激r a m a n 散 射( s r s ) 及四波混频( f w m ) 等效应的共同作用下，出射脉冲的光谱被 极大地展宽，称为超连续光谱，然后用阵列波导光栅( a w g ) 等滤波器件 进行光谱切片，可获得具有大致相同脉宽、高重复频率的多波长光脉冲。 光纤s c 光源与其他超短光脉冲产生技术相比，具有带宽宽、波长稳定性 好、光脉冲质量好、廉价等优点。因此，关于光纤s c 光脉冲产生和应用 方面的研究引起国内外同行的广泛重视。国际上，利用各种非线性光纤介 质产生s c 谱光脉冲及用于o t d m w d m 传输系统的报道非常多：1 9 9 8 年， h s o t o b a y a s h i 等人利用色散平坦非色散渐减正常色散光纤获得了1 0 g h z 、 谱宽3 2 5 n m 的s c 谱光脉冲h - 6 5 ，在5 0 r i m 的范围内切片后得到的光脉冲 都接近于变换限高斯脉冲；2 0 0 0 年，n t t 的e y m a d a 等用间隔为2 5 g h z 的a w g 对1 0 g h zs c 谱进行切片，提取出15 0 多个i t u - t 标准信道波长， 用铌酸锂调制器( l n m o d ) 进行1 0 0 b i t s ( 2 3 1 1p r b s ) 编码，测得所有信 道的信噪比均超过2 8 2 d b ，q 因子优于2 0 8 d b 【1 4 6 j ；而n t t 在1 9 9 7 年和 1 9 9 9 年采用s c 谱光源分别进行了1 4 t b i t s ( 2 0 0 0 b i f f so t d m x 7 e h w d m ) 5 0 k i n t 。”j 和3 0 4 t b i t s ( 1 6 0 g b i t so t d m 1 9 0 h w d m ) 4 0 k m o t d m w d m 系统传输实验【1 - 6 8 1 。国内的清华大学、北京邮电大学和天津 大学从1 9 9 7 年才开始s c 光源的研究，取得了一定的成果【l 6 9 ，7 0 ，7 1 t 7 2 ，7 3 1 。 1 3 本论文研究的主要内容和工作 本论文工作主要是结合国家自然科学基金项目“全光纤超连续脉冲光 子源”，天津市光电子联合中心项目“1 6 0 g b i t s 全光纤w d m o t d m 通信 关键技术与实验系统研制”，围绕w d m o t d m 通信系统中的超短光脉冲 产生、脉冲压缩及整形等技术，结合实验室的现有条件做了如下工作： 第一章绪论 1 采用色散非平衡光纤环形镜的主被动锁模光纤激光器 1 ) 分析了色散非平衡光纤环形镜( d i n o l m ) 的非线性开关特性及 入射脉冲功率、脉宽对透射率和透射脉冲形状的影响； 2 ) 对d i - n o l m 用于光纤激光器实现主被动锁模运转的工作状态进行 了分析，首次对采用d i n o l m 的锁模光纤激光器进行了实验，并 实现了主被动锁模运转。我们发现，当d i n o l m 偏置在加成脉冲 锁模( a p m ) 状态时，主被动锁模输出脉冲明显窄化，得到了1 0 0 h z 、 5 4 5 p s 的脉冲序列，但不易稳定；而当d i n o l m 偏置在加成脉冲 限制锁模( a p l ) 状态时，d i n o l m 的非线性损耗特性能够有效 的降低锁模脉冲的幅度起伏。 2 皮秒脉冲电吸收调制激光器( e m l ) 的理论分析和实验研究 1 ) 对电吸收调制器( e a m ) 的原理、结构进行了简要介绍。 2 ) 从电吸收调制器的数学模型出发，对e m l 产生光脉冲的时域及频 域特性进行计算分析，讨论了反向偏置电压和调制指数对于脉冲的 脉宽和消光比的影响，分析了e m l 产生啁啾的原因及测量方法， 对驱动参数进行了优化。 3 ) 研制了一台性能稳定的e m l 驱动电源，主要介绍了电流驱动源、 保护电路及温控电路，对电源的性能进行了实验测试，电流稳定性 很好，温控精度达到了0 0 3 。 4 ) 对e m l 产生光脉冲进行了实验研究及分析，得到了2 1 4 p s 的光脉 冲；并与利用l n 调制器得到的光脉冲进行了比较。 3 啁啾一色散脉冲压缩技术、色散渐减光纤脉冲压缩技术的理论分析和实 验研究 1 ) 通过数值计算非线性薛定鄂方程，模拟了光脉冲在d s f + s m f 碉 啾一色散脉冲压缩光纤中的演变过程，分析了d s f 光纤长度、输入 脉冲功率、损耗及三阶色散等因素对压缩因子和基座能量的影响， 为优化设计d s f + s m f 啁啾一色散脉冲压缩器提供了理论指导。 2 ) 根据前面优化设计的结果，分别对主动锁模光纤激光器输出脉冲和 电吸收调制激光器输出脉冲进行了啁啾一色散压缩的实验研究，压 缩后分别得到了4 6 8 8 p s 和6 7 8 p s 的近变换限s e t h 脉冲，压缩因 子分别为2 7 2 和3 1 6 ，实验结果与数值计算结果一致。 3 ) 在前人的工作基础上，对用色散渐减光纤( d d f ) 进行绝热脉冲压 天津大学博士学位论文 缩及高阶孤子( 1 n s 2 1 ) 压缩进行理论分析，并通过数值计算 非线性薛定鄂方程模拟了光脉冲在d d f 中的演变过程，着熏分析 了d d f 参数( 如色散渐减形状、光纤长度、有效放大因子形，、三 阶色散和损耗) 及输入脉冲参数( 如功率、脉宽、脉冲形状) 等因 素对压缩因子和压缩质量的影响，为色散渐减光纤脉冲压缩器提供 了优化设计指导。 4 ) 用天大天财光纤公司初试制作的色散渐减光纤对主动锁模光纤激 光器输出脉冲进行了压缩实验，得到了1 9 2 p s 的交换限s e c h 脉冲， 同时观察到了色散渐减光纤中高阶孤子的演变行为，得到了约 6 0 0 f s 的高阶孤子脉冲 4 光纤超连续( s c ) 光子源的理论及实验研究 1 ) 简述了s c 谱光源应用于d w d m 、w d m o t d m 混合传输系统的优 越性、可行性。 2 ) 介绍了光纤s c 谱的产生机理、数学模型及基本结构。 3 ) 在数值计算的基础上，对正常色散区和反常色散区s c 谱产生的过 程、频谱特性进行了分析，讨论分析了光纤参数( 光纤长度、三阶 色散、损耗等) 、泵浦脉冲参数( 功率、脉宽、波形、啁啾等) 对 s c 谱及其形成的影响，为实验研究提出了优化设计的指导原则。 4 ) 分别以电吸收调制激光器和主动锁模光纤激光器为泵浦光脉冲源， 进行了s c 谱产生的实验研究，得到了谱宽为8 7 4 m n 的s c 光脉冲； 并进行了初步的切片实验测量，切片得到的各波长脉宽都介于 1 4 6 p s 1 9 0 p s 之间，时间带宽积也都在o 3 4 左右，具有很好的一 致性、相干性和稳定性。 5 ) 将实验结果和前面的分析所得的结论进行比较，理论与实验能够较 好的吻合。 1 4 第二章主被动掺铒光纤锁模激光器的研究 第二章主被动掺铒光纤锁模激光器的研究 2 1 引言 目前被普遍采用的波分复用( w d m ) 技术有效的利用了光纤的带宽， 但随着信道数目的增加，由此引发的四波混频( f w m ) 效应会严重劣化系 统的性能。而结合了电时分复用( e t d m ) 和光时分复用( o t d m ) 技术 的r z 码w d m 传输系统可以大大提高光通信系统单信道的速率，减少波 长信遒数目，因此被认为是实现未来t b i t s 光通信的可选方案。目前，商 用光纤通信系统的单信道速率已经达到1 0 g b i t s ，4 0 g b i t s 甚至1 6 0 g b i t s 传输系统的研究开发也在紧锣密鼓地进行。在这样的系统中，高质量、高 重复频率、波长可调谐的窄光脉冲源是系统光源、全光信号处理、全光网 络技术的重要组成部分。与其他光脉冲产生技术相比，主动锁模掺铒光纤 激光器可以直接产生高重复频率、高功率窄脉宽的高质量光脉冲，加之与 传输光纤良好的相容性，是非常理悲的选择。 然而，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。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 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。 腔长与调制频率的严格匹配是保证主动锁横光纤激光器长时间稳定 工作的前提。解决这一问题最常用的方法是采取再生锁模技术1 2 - lj 。即从 输出脉冲中提取光信号并经过光电转换将其变为电信号，再由高频电子滤 波罂提取所需的谐波分量，经过微波放大器放大后，作为调制器的驱动信 号，这样就保证了调制频率与谐振纵模间隔的控制与相互匹配。但这种锁 模光纤激光器的输出脉冲的重复频率会自动跟踪腔长变化而难以稳定在 一个固定的重复频率上，这是光纤通信系统所不允许的，因此，人们又提 出了通过把光纤缠绕在压电陶瓷( p z t ) 上借以微调纤长来稳定腔长的相 锬环( p l l ) 技术【2 2 】。在这一技术中，从输出光脉冲中提取误差信号，经 处理后，作为压电陶瓷的驱动电压，使紧绕在p z t 管上的光纤随其管径的 微量伸缩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 冲的重复频率锁定在固定的重复频率上。这一技术目前看来最有望实现商 用化。 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 天津大学博士学位论文 偏掺铒光纤和保偏单模光纤，包括偏振相关光隔离器，保偏耦合器和偏振 控制器，这样可以有效地提高输出锁模脉冲的稳定性 2 - 3 j 。l y c h a n 等报 道了用t e 模发射的f p l d 与锁模光纤激光器结合的互注入锁定结构来消 除偏振起伏，也取得了很好的效果【2 4 l 。 超模噪声是谐波锁模技术所固有的，它属于一种相位噪声，是影响主 动锁模光纤激光器短期稳定性的一个重要因素。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，导致输出锁模光脉冲的相 位和振幅随时间波动。减小超模噪声的方法主要有以下几种：1 、在谐振 腔内插入高精细度f p 附腔滤波的方法，使f p 滤波器的自由光谱区恰好 等于调制频率，而f p 的短腔长是易于温控的，这样，只有频率与滤波器 相匹配的超模才能振荡 2 - 5 。2 、n o n o d e r a 提出了一种用复合腔抑制超模 噪声的理论【2 巧】，复合腔结构能够使锁模激光器具有一个较大的虚拟腔长， 降低锁模的谐波次数，减少谐波锁模光纤激光器中的超模数。但最近的实 验研究发现这种复合腔结构对超模噪声的抑制并没有以前报道中的那么 有效1 2 7 , 8 。3 、1 9 9 3 年，s h a h 等人采用p z t 鼓技术，以k h z 的低频信号 驱动p z t ，这样p z t 鼓产生的声场就破坏了掺铒光纤的空间烧孔效应，从 而使一组超模能抑制掉其它的超模1 2 - 9 】。4 、c h i m i n gw u 等利用s o a 的快 速增益饱和来降低超模噪声，得到了稳定的锁模脉冲【2 d o i 。5 、利用增益 限制或损耗随光脉冲强度加强的原理来减小主动锁模光纤激光器的超模 噪声也是一种有效的方法。m n a k a z a w a 等报道利用自相位调制( s p m ) 与窄带滤波器相结合产生的增益( 强度) 限制来抑制超模噪声对于具有大 腔长的主动锁模光纤激光器是很有效的【2 - t 2 ：2 0 0 0 年，e r t h o e n 等人则 采用半导体反射镜的双光子吸收效应引入的非线性脉冲强度限制作用实 现了超模嗓声的抑制【2 - 1 3 1 ；麻省理工学院的c r d o e r r 等【2 d 4 】和清华大学 的l iy u h u a 等【2 1 5 , 1 6 1 均利用非线性偏振旋转效应( n p r ) 结合线性偏振元 件带来的脉冲强度限制，有效的压缩脉冲和抑制超模噪声。实现了稳定的 锁模运转。 上述第五种消除超模噪声的方案尽管采用的结构和元件大不相同，但 实质上多是在主动锁模光纤激光器中引入各种非线性元件，利用其可饱和 吸收特性，实现主、被动混合锁横，消除脉冲振幅起伏和超模噪声。基于 此思想，我们提出了具有色散非平衡光纤环形镜( d i n o l m ) 附胶的主被 动锁模方案。本章第二节我们讨论了d i = n o l m 的非线性开关特性，分析 了入射脉冲功率、脉宽对透射率和透射脉冲形状的影响：第三节对 d i - n o l m 用于光纤激光器实现主被动锁模运转的运作状态进行了分析， t 6 第二章主被动掺铒光纤锁模激光器的研究 并对采用d i n o l m 的锁模光纤激光器进行了实验，实现了主被动锁模运 转。我们发现，当d i n o l m 偏置在加成脉冲锁模( a p m ) 状态时，主被 动锁模输出脉冲明显窄化，得到了i o g h z 、5 4 5 p s 的脉冲序列，但此时锁 模脉冲的时间抖动和幅度起伏较大；而当d i n o l m 偏置在加成脉冲限制 锁模( a p l ) 状态时，d i n o l m 的非线性损耗特性能够有效的降低锁模 脉冲的幅值扰动、抑制超模噪声。 2 2 色散非平衡光纤环形镜的非线性传输特性 根据打破光纤环形镜平衡状态的方式，非线性光纤环形镜分为非线性 光学环形镜( n o l m ) 、非线性放大环形镜( n a l m ) 和色散非平衡光纤环 形镜( d i n o l m ) 。1 9 8 8 年d o r a n 和w o o d 发明了非线性光学环形镜 n o l m c 2 - 1 7 ，它是一个由非对称耦合器构成的光纤环，当一束光进入n o l m 时，被非对称耦合器分为强度不等的两路，当它们在环中传输时，会获得 不同的非线性相移，当这两束光在耦合器处干涉时，非互易的相位差就改 变了n o l m 的透射率，使之输出不同强度的光。1 9 9 0 年，f e r m a n n 等人 将一个光放大器放置在环中的不对称位置打破了光纤环的平衡，称为非线 性放大环形镜( n a l m ) 2 - 1 5 】。之后，r i c h a r d s o n 【2 。1 9 1 和d u l i n g 2 。2 0 1 将n a l m 作为可饱和吸收体用于“8 ”字腔光纤激光器，实现被动锁模运转；1 9 9 6 年，k y o n g h o nk i m 等人利用n a l m 实现了光纤激光器的主被动锁模运转 2 - 2 1 。1 9 9 3 年，a l s t e e l e 提出了用两段具有不同色散的光纤构成光纤环 2 - 2 2 ，称为色散非平衡非线性光纤环形镜( d i - n o l m ) ，d i n o l m 由于其 非线性开关特性已被广泛用于光时分复用的解复用1 2 2 “、光脉冲整形和压 缩 2 - 2 4 】，d i n o l m 用于被动锁模光纤激光器的运转 2 - 2 5 1 也已被多个实验所 证实，本文将介绍d i n o l m 用于谐波锁模光纤激光器并实现主被动锁模 运转的情况。 d i n o l