（物理电子学专业论文）基于锁模光纤激光器的超连续谱光源研究.pdf

中文摘要 随着4 0 g b s 通信系统的兴起，使归零( r z ) 码传输技术的优势突出起来。 再生锁模光纤激光器( r m l f l ) 克服了常规锁模光纤激光器受温度环境等影响 的缺点，可以长期稳定地输出波长、脉宽可调的高重复率变换限脉冲，是r z 光 源的理想方案之一。 基于r m l f l 技术产生的超连续( s c ) 谱和频谱滤波方法，可以直接得到一 个宽带、多波长的窄脉冲光源，它可应用于w d m 孤子传输，和实验室工具性光 孤子源等许多领域。 本论文开展的具体工作如下： 一、e d f a 泵浦半导体激光器驱动源的制作 为了达到输出波长稳定且温度稳定的目的，半导体激光驱动器通常要求恒流 源驱动。在分析电路要求以及三极管特性的基础上，通过比较和借鉴，实验完成 了基于模拟电路的e d f a 泵浦电源。 二、再生锁模光纤激光器的研究和实验 l 、从再生锁模工作原理出发，以1 0 g h zr m l f l 为对象，对再生回路的各 基本射频组件进行了分析；讨论了色散位移光纤+ 滤波器抑制超模噪声的效应， 并分析了这种激光器所表现的孤子效应原理。 2 、考察了r m l f l 的启动和稳定工作条件，利用腔内缠绕光纤法替代保偏 光纤( p m f ) 以获取偏振稳定机制，提高系统稳定性：获得了c 带范围内连续 可调谐孤子脉冲输出。 三、光纤超连续谱( f s c ) 产生的研究 1 、分析了超连续谱产生的机理以及光纤中各种非线性效应对超连续( s c ) 产生的影响。 2 、用再生锁模光纤激光器作为泵浦源，完成s c 产生的实验，得到2 0 d b 带 宽超过5 8 n m 的超连续谱，能覆盖c 带和部分l 带区域，并分析了不同波长和不 同泵涌功率对超连续谱产生的影响。 3 、利用阵列波导光栅a w g 对s c 谱进行了谱切片实验，得到3 0 个信道、 稳定的多波长1 0 g h z 短脉冲输出，信道间隔1 0 0g 1 4 z ，而且这些信道都表现出长 期的稳定性。给出了任意切出信道的经过p r b s ( 伪随机码序列) 发生器调制的 r z ( 归零码) 眼图。 关键词：l d 驱动源、再生锁模光纤激光器、光孤子、r z ( 归零码) 、超连续 a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c eo f4 0 g b i t sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h es u p e r i o r i t yo f t e c h n o l e g i e s r e l a t e dt o r e t u m - t o z e r o ( r z ) i sm o r ep r o m i n e n t s u p e r i o rt o a c o n v e n t i o n a lf i b e rl a s e qar e g e n e r a t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r ( r m l f l ) o p e r a t e s s t e a d i l ya g a i n s te n v i r o n m e n t a lc h a n g e sa n dc o u l do u t p u th i g hr e p e t i t i o np u l s e s e q u e n c ew i t ht u n a b i l i t yb o t hi nw a v e l e n g t ha n dd u r a t i o n ，w h i c hm a k e s i tc o m p e t i t i v e w i t h i nt h ef i e l do f r zl i g h ts o u r c e s w h e nc o m b i n e dw i t hs u p e r e o n t i n u u m ( s c ) g e n e r a t i o na n ds p e c t r af i l t e r i n g t e c h n o l o g i e s ，s u c har m l f l i sf u r t h e ri m p r o v e dt ob ea l li d e a lb r o a d b a n dl i g h ts o u r c e t h a tc o u l dg e n e r a t em u l t i - w a v e l e n g t ho u t p u t i tc a nb eu s e da sa l la d v a n t a g e o u st o o li n e x p e r i m e n t a le x p l o r a t i o na n do t h e ra p p l i e df i e l d ，i n c l u d i n gw a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) o p t i c a ls o l i t o n t r a n s m i s s i o nd o m a i na n ds oo n t h ec o n t e n t so f m yp a p e rf i r ep r e s e n t e da sf o l l o w i n g 1 r & do f l dp o w e r f o rs t a b l ew a v e l e n g t ha n dt e m p e r a t u r e ，s e m i c o n d u c t o rl a s e rn e e d st ob ed r i v e d b yc o n s t a n te l e c t r i c a lc u r r e n t ，a c c o r d i n gt oc o m p a r ea n da n a l y s i s ，w em a k eal d p o w e r f o re d f ab a s e do na n a l o gc i r c u i t s 2 r e s e a r c ha n de x p e r i m e n to f r e g e n r e a t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r ( 1 ) b e g i n n i n gw i t ht h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i v e l ym o d e l o c k i n g ，w e d i s c u s st h eb a s i cr fc o m p o n e n t sf o ra10 g h zr m l f li nd e t a i l s u p e r - m o d e d e p r e s s i o ni sr e a l i z e db yi n t r o d u c i n ga d d i t i v ep u l s el i m i t i n ge f f e c tu s i n gs e l fp h a s e m o d u l a t i o ni n d u c e ds p e c t r a ls p r e a d i n gi nd i s p e r s i o ns h i f t e df i b e ra n ds p e c t r a lb a n d p a s sf i l t e r i n gs i m u l t a n e o u s l y p r i n c i p l eo fs o l i t o ne f f e c ti naf i b e rl a s e ra n d t h er e l a t e d p u l s ec o m p r e s s i o ne f f e c ta r ed i s c u s s e d ( 2 ) s t u d y i n go ft h es t a r tp r o c e s sa n ds t a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fr m l f l a r e a c c o m p l i s h e d w ep r e s e n ta n dt e s tt h em e t h o do fi n t r o d u c i n gp o l a r i z a t i o ns t a b l e m e c h a n i s mt oi m p r o v es y s t e ms t a b i l i t yo t h e rt h a nu s i n gp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n g f i b e r s ，w h i c hi sa c h i e v e db yc o i l i n gt h ef i b e rr o u n das m a l lr a d i u sp l a t e w a v e l e n g t h a n dd u r a t i o nt u n a b l es o l i t o no u t p u tc o v e r i n gcb a n di sa c h i e v e di no u rr m l f l 3 f i b e rs u p e r c o n t i n u u mf f s c ) p u l s es o u r c e ( 1 ) t h eg e n e r a t i o no fs ca n dt h ei n f l u e n c e so fn o n l i n e a re f f e c t so ff i b e ro ns c s p e c t r u ma r ea n a l y s e d f 2 ) s c i s g e n e r a t e dw i t h d i f f e r e n tp u m pp o w e ra n dw a v e l e n g t hb a s e do n r e g e n e r a t i v e l ym o d e l o c k e df i b e ri a s e lm o r et h a n5 8 n mb a n d w i d t hs ci r ld i s p e r s i o n s h i f t e df i b e r ( d s f ) i so b t a i n e dp u m p e db yar e g e n e r a t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r , c o v e r i n gt h ew h o l ec b a n da n dp a r to flb a n d ( 3 ) m a k i n gu s eo fa r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g ) ，t h es ci ss l i c e d s t a b l e 1o g h z ，o v e r3 0c h a n n e l sm u l t i w a v e l e n g t hp u l s es o u r c ea r es l i c e db ya 1 1a w gw i t h 10 0 g h zc h a n n e ls p a c i n g t h e s ec h a n n e l se x h i b i t e dl o n gt e r ms t a b i l i t y r ze y e d i a g r a mo fa l la r b i t r a r ys l i c e dc h a n n e lm o d u l a t e db yp r b s ( p s e u d or a n d o mb i t s e q u e n c e ) g e n e r a t o ri sm e a s u r e d k e yw o r d s ：l dp o w e r r e g e n r e a t i v em o d e - l o c k e df i b e rl a s e ro p t i c a l s o l i t o n sr e a l mt oz e r of o r m a ts u p e r e o n t i n u u m 独创性声明 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和取得的 研赞成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或拶与过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘茎或其他教育机构的学位或证 二眵币；矬用过的材料。与我一同工竹的同，刈本韧f 究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的晚明茹表示了谢意。 学位论文作者签名：多乒履竿签字f | 期：2 卯缉，月芗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗蠢鲎有关保留、使用学位论文的舰定。 。 i ，议墨盗盘堂可以将学位论文l 勺仝部或部分内容编入有关数掘库进行检 名；，j 汞川影印、缩印或扫描等复制f 段仪柞、汇编以似查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用木授权说明) 学伯沦文作描签名 否茛殴华 l 导师签名 ji b 诒、 j i 厶“ 签导f ij l i j ：2 g 年，j 罗f i签字同期：a 问6 年1 月f 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 通信光源的发展简述 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代初由于低损耗的熔石英光纤和长寿命的半导体激光器的研制 成功，使光通信成为可能。现代光通信发展对带宽和传输距离要求的不断提升， 使得光源的研究围绕着前者提出的问题而展开。现代光通信的技术进步与光源的 演进密切相关。作为光通信系统中的关键器件，光纤通信系统对光源主要有以下 要求： 1 、光源的发光波长应该与光纤的工作窗口一致，而且为保证系统长期稳定 工作，光源的波长稳定性相当重要。另外人们希望光源的光谱宽度尽量窄，光源 的光谱宽度直接影响到系统的传输带宽，它与光纤的色散效应相结合，导致噪声 的产生，影响系统的传输容量和中继距离。 2 、光源的输出功率必须足够大，光源输出功率的大小直接影响光通信系统 的中继距离。光源的输出功率越大，系统的中继距离就越长，但是如果光源的输 出功率太大，使光纤工作于非线性状态，则是光纤通信系统不允许的。 3 、高可靠性、寿命长。光源的工作寿命长，通信才可靠。目前通信工程要 求光源平均工作寿命为1 0 6 小时( 约1 0 0 年) ，一般不允许中断通信。 4 、输出效率尽量高，即耗电量尽量低，而且要在低电压下工作。这样，对 于无人中继站的供电就比较方便。目前输出效率的标准是大于1 0 ，将来希望 达到5 0 。 5 、如何高效地用电信号束调制光波是决定系统成败的关键，因此希望光源 便于调制。 6 、光源应该价格低廉，能批量生产，同时体积小、重量轻、便于在各种场 合应用。 一、半导体激光器“1 1 9 7 8 年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，由于它的波长范围宽， 制作简单、成本低、易于大量生产，并且体积小、重量轻、寿命长。半导体激光 器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中 发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光 纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体 大律大学硕十学何论文第一章绪论 激光器的出现，就没有当今的光通信。 世界上的第一台半导体激光器是同质结的，即和普通的p - n 结极管一样。 1 9 6 7 年出现的单异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层所组成， 利用高带隙势垒的阻挡作用，使阈值电流密度降低了一个数量级，并实现了在室 温下脉冲工作，但不久便被1 9 7 0 年出现的双异质结激光器所取代。双异质结激 光器是将窄带隙并具有高折射率的半导体材料夹在两个宽带隙并具有低折射率 的半导体材料之间，因而可以利用带隙势垒和光波导将载流子和光子有效地限制 在有源区内。从而使阈值电流密度又降低了一个数量级，并实现了室温下连续工 作。1 9 7 8 年出现的量子阱激光器是把窄带隙超薄层夹在两个宽带隙势垒薄层之 间，由于有源层的厚度被减少到同电子德布罗意波长( 约为1 0n m ) 差不多，即量 子化尺寸。所以量子阱只在平行于阱壁的平面内有两个自由电子气，提高了注人 有源层内载流子的利用率，降低了阈值电流密度( 5 0 a c d ) 。普通结构的f - p 腔半导体激光器，虽然在直流状态下能实现单纵模工作，但在高速调制状态下也 就会发生光谱展宽。难以获得单纵模激光振荡。1 9 7 5 年的分布反馈( d f b ) 激光器 是一种具有引人光栅技术的平面结构谐振腔的半导体激光器，它是由内含布拉格 光栅来实现光的反馈的，光栅分布在整个谐振腔中。与f p 腔半导体激光器相比， d f b 激光器的谐振腔损耗有明显的波长依存性，因而在单色性和稳定性方面优于 一般的f - p 腔半导体激光器。虽然，用衬底晶体的解理面作f - p 谐振腔的边发射 激光二极管在结构优化、制造技术、工作特性、应用领域等方面都取得了巨大进 展，但仍然存在一些不足。如在芯片解理前，不可能进行单个器件的基本性能测 试；光束发散角过大且呈椭圆状；不易形成二维光束列阵等。7 0 年代末期日本 的l g a 等人研究的v c s e l ( 垂直腔面发射激光器) 及其列阵是一种新型的半导体激 光器。所谓垂直腔是指激光腔的方向( 光子振荡方向) 垂直于半导体芯片的衬底， 有源层的厚度即为谐振腔长度。它是在由高与低折射率介质材料交替生长成的分 却靠拉格反射器( d b r ) 之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成，光束垂直 于衬底输出。这种激光器在1 9 7 9 年实现了7 7 k 温度下工作，先后又于1 9 8 4 年和 1 9 8 8 年实现了在室温卜脉冲和连续工作。它与侧面发光的端面发射激光器在结 构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面。而v c s e l 激光器的发光束垂直于晶片表面。v c s e l 激光器的这些优良的特性使得它在被提 出后的2 0 多年里在许多方面都得到了广泛重要的科学意义，而且有广泛的应用 前景。 由此可见，半导体激光器从最初的低温( 7 7 k ) 下运转发展到室温下连续工作； 从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱( 单、多量子阱) 等多种形式；阈值 电流密度从1 0a t i l l 2 下降到l o a c m 2 ；制作方法从扩散法发展到液相外延( l p e ) 、 大滓大学硕士学位论文 第一章绪论 气相外延( v p e ) 、分子束外延( m b e ) 、会属有机化合物气相淀积( m o c v d ) 、化学束 外延( c b e ) 以及他们的各种结合型等工艺，都取得了极大的进展。 二、光纤激光器” 2 0 世纪9 0 年代后期，随着半导体激光器及掺杂光纤制作技术的日益成熟， 光纤激光器的研究取得了重大进展。输出功率和调谐范围等性能得到了显著提 高，使远距离大容量光通信传输成为可能，非常适合密集波分复用( d w d m ) 系统。 与半导体激光器相比，光纤激光器主要有以下几个方面的优越性： 1 ) 可以将掺稀土离子吸收光谱对应的高功率、低亮度、廉价的多模l d 光通 过泵浦双包层光纤结构实现高亮度、衍射受限的单模激光器输出； 2 ) 光纤作为圆柱形波导介质，纤芯直径小，光纤内易形成高功率密度，光纤 激光器具有激光阈值低、转换效率高、光束质量好等特点； 3 ) 光纤结构具有大的表面积与体积比，因而散热效果好，无需庞大的水冷系 统，只需简单的风冷即可； 4 ) 光纤具有很好的柔韧性，激光器可设计得小巧灵活，易于系统集成，同时 可在恶劣环境下工作，适合于野外施工； 5 ) 光纤激光器的激射波长取决于掺稀土离子，不受泵浦波长的限制，所以可 以通过掺杂不同稀土离子在0 3 8 u m 一4 u m 范围内实现激光输出，波长选择容易且 可调谐，这对d w d m 系统具有非常重要的意义； 6 ) 光纤输出与现有通信光纤匹配，易于耦合且效率高，可形成传输光纤与有 源光纤一体化，是实现全光通信的基础。 光纤激光器主要有两大类：一类是以掺稀土元素( 如n 、e ，、y b ”、t m + 3 等) 的光纤作为增益介质的光纤激光器；另一类是利用光纤的非线性效应( 受激喇 曼散射s r s 、受激布里渊散射s b s 等) 所获得的光纤激光器。 目前，光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展，主要发展方 向是能输出高功率的掺镱双包层光纤光栅激光器、能根据客户需要波长而输出特 定波长的喇曼光纤激光器、针对w d m 系统开发的基于超连续谱的多波长光纤激光 器及能改变波长间隔的多波长光纤激光器等。 1 2 光通信中的光纤效应 我们知道，光纤传输过程中存在着损耗、色散和非线性效应，从而对传输质 量产生很大影响。 首先是损耗，损耗使光信号在传输时能量不断减弱。在通信传输过程中，线 路的损耗是影响通信的一个主要因素。它包括光纤衰减和光纡线路连接损耗，以 天津大学硕士学仿论文 第一章绪论 及器件的插入损耗。为了尽量减小损耗，干线采用的波长目前基本确定在1 5 5 0 n m 附近，即光纤的最低损耗波长附近。损耗管理问题直到九十年代e d f a 技术的引 入才得以很好地解决。 其次是色散1 。图卜l 表示了色散对信号远距离传输带来的影响，由于光脉 冲不同频谱成分的传播速度不同，脉冲会随传输距离而逐渐展宽，并导致相邻脉 冲的互相重叠。 c 图卜1 ：色散对信号传输的影响 色散主要是指群速度色散( g v d ) 、三阶色散( t o d ) 和偏振模色散( p m d ) “”。 g v d 作用与谱宽正相关，随着单信道码率的提高，脉冲时域脉宽不断变窄，频谱 相应变宽，受g v d 和t o d 影响而导致的脉冲展宽效应也更加明显。实际在g v d 影 响下受限传输距离与码率的平方成反比，而在t o o 影响下受限传输距离与码率三 次方成正比。克服g v d 效应可以直接通过色散补偿技术来完成，这是伴随着码率 从2 5 g b s 升级到l o g b s 所引入的技术，目前主要采用的方案就是串接色散符 号与传输光纤相反的色散补偿光纤( d c f ) 。t o d 效应对于目前的单信道速率来说 影响较小。对带宽的追求和e d f a 的引入，促成了上个世纪9 0 年代w 叫技术的 广泛应用，t o d 表现为色散斜率，此时导致各个信道波长对应的g v d 差异明显， 因此一根普通的d c f 无法实现各路信道的同时补偿，这就提出了色散斜率补偿的 问题。采用小色散斜率的新型g 6 5 5 光纤可以在一定距离内避免色散斜率补偿， 但在长途传输中斜率补偿仍然是必要的，采用色散和色散斜率都与传输光纤符号 相反的反色散光纤( r d f ) 是更好的选择。 随机双折射引起两个正交偏振态的传播速度有差别，从而导致了p m d ，p m d 影响下受限传输距离与码率的平方成反比。为了克服p m d 效应，可以采用现在生 产的小p m d 值光纤，也可以采取合适的p m d 补偿技术。事实上，对于l o g b it s 以下码率的系统一般是不需要p m d 补偿，但对于4 0 g b i t s ，需要考虑p m d 补偿。 第三，非线性效应“”。光纤中的非线性效应包括自相位调制( s p m ) ，交叉相 位调制( x p m ) ，四波混频效应( f w m ) ，受激布里渊散射( s b s ) ，受激喇曼散射( s r s ) 等。在光纤通信中，s p m 效应源于信号自身强度对折射率的调制作用，它引起非 线性相移，导致啁啾和频谱展宽，在g v d 效应的联合作用下，最终引起脉冲展宽 天津大学硕十学位论文第一章绪论 和调制不稳定。x p m 效应源于w d m 系统中相邻信道信号强度对折射率的调制作用， 在g v d 参与下，引起信号脉冲的展宽和功率的起伏。s p m 和x p m 效应都随距离的 增加而增强，因此限制了最终传输距离。此外，它们也对最大信号功率提出了限 制，在其它条件一定的情况下，为了满足接收端的s n r ，势必限制了放大器间距。 对于常用的非归零码( n r z ) 通信来说，需要严格控制信号光入纤功率，或者采 用分布喇曼放大技术来降低所需的入纤信号功率，使传输系统处于线性或弱非线 性区。f w m 属于参量过程，会产生新的频率分量，这些新的频率分量如果落在w d m 系统中的某个信道内，则将导致相邻信道之间的串扰问题，落在信道外则带来系 统噪声。但f w m 需要相位匹配条件，所以只在g v d 很小时，比如零色散点附近才 比较严重，通过采用g 6 5 2 或者g 6 5 5 光纤即可有效地避免。 为了适应现代通信的发展和需求，损耗补偿和各种色散补偿技术得到很大发 展并成为光纤通信中的主流技术。但随着w d m 所用带宽的不断增加、放大器增益 平坦能力的限制、d c f 或r d f 色散斜率的误差等因素会使色散补偿变得更加困难。 同时码率的提高又使非线性效应不断增强，这对色散补偿影响很大，会导致严重 的色散容限窗口窄化效应，从而对色散补偿提出更加苛刻的要求。 1 34 0 g bi t s 传输系统相关介绍“1 盯 国际电信联合会】t u 在2 0 0 3 年1 1 月通过了4 0 g b s 传输标准g 9 5 9 1 ，这 表明了业界对4 0 g b s 方案的肯定，而且势在必行。“风物长宜放眼量”，随着宽 带业务，数据业务的拓展，增加网络传输容量，更高速，反应更快的网络变的越来 越迫切。那么，接下来就是尽量确定最佳方案来完善这种技术，以便最终从性能 和成本上取得超过l o g b s 系统的优势。结合当前通信发展的形势，下面就4 0 g h z 的发展和相关技术问题做一下介绍。 1 、4 0 g 网络传输的优势 光通信的发展趋势也是其最大优势在于容量。容量演迸的发展方向一是时分 复用方式，另一个是波分复用方式。时分复用方式即将达4 0 g b s ，再发展不是不 可能，但从经济技术综合的意义来讲是不值得的。这样只有往波分复用方向发展。 1 0 g b s 从1 9 9 6 年第一次问世以来到今天为止已经进行了大规模的铺设，在中国 铺设的量也相当大，中国电信三个大环网已经开通，随后联通、铁通的大环也都 开通。下一步符合逻辑的想法是发展4 0 g b s ，其优势在于： 第一，可以比较有效地使用传输频带，频谱效率比较高。 第二，减少了设备的成本。 第三，减少了运行管理和维护o a m ( o p e r a t i o n a d m i n i s t r a t i o na n dm a m t e n a n c e 简称： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 运营维护) 的成本、复杂性以及备件的数量。很明显，它只用一个网元代替了四 个网元，自然简单了很多。 第四，每比特的成本比其他的城域网的方案更加经济。 第五，通常单波长可以处理多个数据连接，核心网的功能将会大大地增强。 因此，随着路由器有了l o g b s 的端口，核心传送网理应转向4 0 g b s 。也就是说， 传送网应该比路由器接口速率高四倍，这样组网效率较高。目前中国电信已经开 始在路由器上装备l o g b s 接口，在上海到杭州的c i s c o 路由器上已经采用了 l o g b s 接口。不久，别的地方也会慢慢跟上来。可能用不了几年，大多数骨干 路由器的端口都是l o g b s 了，在这样的前提下就会迫使传输设备走向4 0 g b s 。 2 、4 0 g b s 传输的关键技术 4 0 g b s 传输作为一个系统问题，涉及到通信的各个技术层面，从光学角度 来看，要求更高的光s n r ，还要要正视色散、色散斜率、非线性效应和偏振模色 散( p m d ) 效应等问题。 第一，色度色散补偿和偏振模p m d 补偿技术。从理论上看，色度色散代价和 偏振模色散代价都随比特率的平方关系增长，因此4 0 g b s 的色散和p m d 容限比 l o g b s 降低了1 6 倍，做起来很困难。对于4 0 g b s 系统( 尤其是采用w d m 方案 的长途、超长途系统) 来说，其色散容限很小，因此色散的精确补偿至为关键， 由于上面提到的种种客观原因，使得这种补偿变得既困难又不经济。此时，p m d 也是要考虑的重要问题，目前商用产品的设计思路是对各个信道分别进行补偿， 也就是经过一定距离对w d m 信号解复用之后紧接着就每个信道的p m d 进行补偿。 由于补偿器件会带来至少3 d b 的插入损耗，所以又会引入功率代价。可想而知， 宽带多信道传输情况下，其成本将是很高的。 第二，光信噪比的要求较难满足。整体上说，它比l o g b s 要求提高了6 d b ， 大约要求3 2 d b 的光信噪比。 第三，调制格式的选择。4 0 g b s 调制是一个很大的难题。目前看来，短距 离传输采用的是传统的n r z ，而且n r z 码一直是主流，n r z ( 非归零码) 调制和 解调设备都比较简单，是成熟的技术，它只需要一个调制器即可实现。但是n r z 也存在很多缺点： l 、对长连零没有处理。 2 、提高了对传输系统带宽的要求。 3 、n r z 码由于其脉形特点的缘故，适合在线性、弱非线性区工作，不利于 克服自相位调制( s p m ) 等非线性效应的影响，而且易引起码形效应。 4 、在长途传输过程中n r z 码要采取复杂而又不够成熟的色散动态补偿技术 和p m d 补偿技术。 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 在4 0 g b s 传输情况下，r z 相对于n r z 来说具有一定的优势，它表现在： l 、r z 峰值功率较n r z 码高，所以信噪比比n r z 好。 2 、r z 码如果采用啁啾归零( c r z ) 、载波抑制归零( c s - r z ) 和归零一残余边 带( r z v s b ) 调制技术或者利用孤子传输的话对于色散、非线性和p m d 的容限可 以大大增加。另外结合差分相移键控( d p s k ) 技术的r z d p s k 和平衡接收技术还 可以使s n r 提高3 d b 。 3 、在d w d m 系统中r z 码的信道问互作用，如交叉相位调制( x p m ) 的影响要 比n r z 小。 4 、r z 码包含丰富的时钟信息，有利于全光3 r 中继。 5 、r z 码与n r z 码相比，由于其脉形特点，无需信号电平陡峭的上升沿，所 以对数据驱动器带宽要求更低，并且受光滤波器带宽影响也更小。 r z 码的缺点是一般需要两个调制器，一个用来产生脉冲序列，一个用来编 码调制，增加了成本和复杂性，而且r z 码信号占用带宽较大，这些是r z 码不利 的一面。但总的看来，可以认为r z 码在技术上是4 0 g b i t s 长途骨干网传输中的 一种比较理想的方式，辅以喇曼放大技术，可以胜任现有网络配置的升级。 朗讯科技采用了一种称为载波抑制的归零码调制技术( c s r z ) ，该技术可以 最大程度地减小调制造成的频谱展宽，同时保留了归零码所拥有的一切优点。图 1 2 为采用了c s r z 后，4 0 g 信号传输了8 0 0 k m 后的眼图。 图卜2 传输了8 0 0 公里后的4 0 g b s 信号 同时也有专家认为，对于长距离传输来说，d p s k 最有希望。这种调制方式 利用前后脉冲的相位差别来区分1 或者0 ，而不像传统的o o k ( 开关键控) ，以脉 冲能量的有无来进行区别。它的频谱宽度介于n r z 和r z 之间，比普通r z 码的频 谱效率高，可以改迸色散容限、非线性容限和p m d 容限，传输距离比普通r z 码 长。这种调制方式的光信噪比可以比n r z 改进约3 d b ，有些情况下可能高达6 d b ， 是一种能有效扩展传输距离和适合4 0 g b s 速率的调制新技术。通过采用该特殊 编码技术，l a m b d a x t r e m et r a n s p o r t ( 朗讯超长距离传输系统) 可以将6 4 个 4 0 g b s 高速通道同时传输2 0 0 0 公里以上，而无需昂贵的电中继设备。 第四，超级前向纠错f e c 。这种技术的发展很有意思，在二十年前，电信采 天津大学硕士学忙论文第一章绪论 蓁孽一i iill嚣霹一l i 天津大学硕十学倚论文第章绪论 ；b o 蓄嚣 差霪 o 长建收发飘 。i 皇蕾戡喇- 社u 雌蝴 图1 - 42 5 g b s 。l o g b s 和4 0 g b s 长途收发机的销售量 单位为2 0 0 3 年的百分比，其中4 0 g b s 的数值包括短距离收发机。 1 a 谐波锁模光纤激光器 随着光通信技术的进一步发展，以及前面提到的r z 自身的优势，对高质量 的r z 码光源的需求越来越强烈，它在光通信中最重要的有两个应用是光时分复 用( o t d m ) 和长途传输( l h ： o n gh a u l ) 。两者对r z 的要求的侧重不同：o t d m 对脉冲关心的主要是尽量小的占空比和尽量小的定时抖动以便多路复用；而超长 途相比而言则更关心脉冲的波形、啁瞅以及频谱特性对光纤中各种效应的抵抗能 力。这种差异就决定了r z 码光源，即光发射机技术的两者不同发展方向。 r z 码是被随机码调制了的序列脉冲光信号，其光源技术首当其冲要解决的 问题就是高重复速率脉冲光源。目前常用的技术包括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+ 调制器( c w + m o d ) 的 外腔调制技术、谐波锁模光纤激光器( h m l f l ) 及其s c 谱产生技术等。 下面就这几种光源做一下简要的分析： g s d f bl d 和c w + m o d 产生的脉冲脉宽都较宽。g s d f bl d 得到的脉冲啁啾和 抖动较大。c w + m o d 是高速通信中的主流方式，通常用d f b l d 加电吸收调制器 ( e a m ) 或者铌酸锂调制器( l n m ) 外腔调制实现，目前两种调制器件产品都可以 应用于4 0 g b i t s 传输，其中e a 调制器的占空比较小。但为了获得窄脉冲和小占 空比，调制器偏置电压必须设置在接近谷底，损耗大，限制了输出功率，降低了 消光比，并且不能获得变换限脉冲。 m l l d 和h m l f l 都可以产生适合o t d m 和长途传输的高速率超短脉冲。m l l d 脉 冲质量好，能长期稳定工作，但是其制造工艺难度大。因此目前在制造、封装工 艺方面难以适应通信光源在波长和重复率方面的苛刻要求，成品率低，难于批量 生产，其实用化则还有待工艺突破，而且一般输出功率也有限。 天津大学硕十学仿论文第一章绪论 h m l f l 的优势在于：，它产生的超短脉冲质量好，输出功率较高；二，掺 铒光纤( e d f ) 增益谱宽很宽。所以输出波长的选择范围很宽，利用腔内可调谐 滤波器即可以实现波长宽可调谐输出，这一点是别的方案所不能达到的。三，利 用谐波锁模的h m l f l 由于腔基频可以很小，所以重复频率更易控制；四，其已被 耦合的光纤尾纤结构使其与其它光纤系统可以高效方便地接合。解决其工艺稳定 性问题之后，h m l f l 就将成为一种较为理想的高速率脉冲光源。 谐波锁模光纤激光器h m l f l 最大的缺点是其不稳定性，不稳定性来源主要 是：其一，谐波锁模固有的超模噪声引起短期不稳定性；其二，温度的变化引起 环长变化，使得调制频率和腔本征谐波频率( 腔基频的整数倍频率) 之间失配， 难以稳定工作。其三，环境变化和光纤p m d 等引起的偏振效应。事实上，这三者 相互影响，温度引起腔长漂移，也引起偏振扰动。腔长漂移引起本征谐波频率的 相应漂移，加剧了各组超模之间的竞争。偏振态的随机变化在腔内偏振相关器件 的作用下则会转化为强度和相位的扰动，因此实际的h m l f l 的不稳定性不一定由 某一种因素引起的。 下面介绍几种与本论文相关的嘲l f l 稳定性措施： 1 s p m + 频谱滤波抑制超模噪声 谐波锁模情况下，一个腔模与其相邻n 个腔模间隔的模锁定在一起，每组相 互锁定的模式成为一个超模，超模噪声的直接后果是容易引起功率起伏，由此可 以考虑引入一种功率相关损耗机制，类似于加成脉冲限制( a p l ) 原理，来克服 超模噪声。如果放大器的响应速度足够快，那么它就可以提供这样一种机制，即 对于功率高的脉冲来说因饱和而减小增益，对功率低的脉冲则相反。为了实现这 个目标，我们可以采用腔内利用色散位移光纤( d s f ) 的s p m 谱展宽效应和频率 滤波技术。功率较高的脉冲在d s f 中s p m 效应大，频谱展宽较大，在通过一定带 宽的滤波器时损耗就大，相反，功率较低的脉冲则因s p m 致谱展宽较弱所以通过 滤波器受到的损耗就小，而e d f 响应速度慢，提供的增益不因脉冲功率的瞬时变 化而变化，于是总的腔增益表现为：高功率脉冲净损耗而低功率脉冲净增益，从 而获得了一种稳幅机制。实验证明，在长腔锁模光纤激光器中，这种方法是有效 的。这种方法还带来了另一个好处，这就是由d s f 引入了孤子效应，脉冲可以得 到有效窄化作用，原因在于，由于d s f 色散小，脉幅得到稳定的脉冲很容易满足 阶孤子条件，此时脉宽与功率成反比，只要提高泵浦功率就可以不断压缩脉冲， 因此，减小腔损耗亦有利于获得窄脉宽。 2 再生锁模( r e g e n e r a t i v em o d e 一1 0 c k i r i g ) 技术 再生锁模技术，是一种通过驱动频率随腔长协变的方案，整个系统工作无需 外加时钟信号驱动，完全依靠提取激光器内本征谐波频率成分作为调制信号。这 天津大学硕士学位论文第一章绪论 种激光器内锁模的建立是一种正反馈过程，施加在调制器上的驱动频率始终与腔 内谐波频率一致，锁相回路能够跟踪腔长变化引起的谐波频率漂移，因此可以确 保激光器长期不失锁，而且原则上具备自启动的能力。从实际效果和目前的发展 趋势来看，再生锁模技术是现有的最好的稳定技术，具有真正实用价值。 3 保偏系统克服偏振效应 偏振效应是困扰h m l f l 的一个重大问题。除了温度变化因素外，普通光纤都 具有p m d ，腔内器件则同时具有p m d 和p d l ，这会引起偏振态的随机改变和功率 的随机起伏。最直接的解决方法是采用全保偏系统。这种方法虽然取得了很好的 效果，但是保偏器件比较昂贵，相互之间对准比较困难。 事实上，在实际锁模激光器中，往往综合采用各种控制措旌来提高稳定性， 例如还有：腔内滤波法抑止超模噪声，利用基于非线性环形镜( n l o m ) 或非线性 偏振旋转( n p r ) 的a p l 效应抑止超模噪声，利用复合腔抑止超模噪声，利用伺 服机构控制腔长，构建1 7 腔来消除随机偏振效应等。根据近年来关于各种h m l f l 的研究报道以及它们的表现，可以认为a p l 机制和再生锁模机制的引入是最有效 的控制措施，而保偏方案也是最终提高激光器稳定性的重要手段。 1 5 本论文的主要内容 本论文的内容是对再生锁模光纤激光器( r m l f l ) 在通信和非线性光纤光学 方面的初步应用的小结。实验开展了基于r m l f l 的相关实验研究。论文内容大致 分为三个部分。第一部分是对基础电路实验中恒流源的小结；第二部分是r m l f l 的介绍和相关测试，亦即孤子源的获取；第三部分是对r m l f l 的应用，即超连续 谱的产生和谱滤波，从光源这个相对广义的角度来看，这些也可以看作是对光孤 子源的性能考核与能力提升。就这些方面，开展的具体工作主要有： 1 恒流源的介绍和实验 为了达到输出波长稳定且温度稳定的目的，半导体激光驱动器通常要求恒流 源驱动。在分析电路要求以及三极管特性的基础上，通过比较和借鉴，实验完成 了基于模拟电路的e d f a 驱动电源。 2 r m l f l 基本原理分析与组件测试，以及基于r m l f l 的光孤子产生 】) 首先对r m l f l 基本原理进行了介绍，并对各组件进行了相关介绍，包括： 光电锁相技术原理的介绍；光电锁相再生回路的方案介绍；射频器件的选择以及 测试；d s f + 滤波器抑制超模噪声的分析以及它们对脉冲参数的影响；功率放大 器对增益以及输出要求的介绍。 2 ) 考察了r m l f l 的工作过程，利用缠绕光纤法产生等效于保偏光纤( p m f ) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的偏振稳定机制提高系统稳定性；得到波长在c 带范围内连续可调谐的孤子脉冲 输出，且调谐过程不失锁。 3 r m l f l 产生超连续谱的研究及应用 1 ) 分析了超连续谱产生的机理以及光纤中各种非线性效应对超连续( s c ) 产生的影响。 2 ) 基于d s f 光纤，以再生锁模光纤激光器泵浦源，完成s c 产生的实验，得 到2 0 d b 带宽超过5 8 n m 的超连续谱，并分析了不同波长和不同泵浦功率对产生超 连续谱的影响。 3 ) 用a w g 进行谱切片，得到3 0 个信道、稳定的多波长i o g h z 短脉冲输出， 信道间隔1 0 06 h z ，而且这些信道都表现出长期的稳定性。给出了任意切出的经 过p r b s ( 伪随机码序列) 发生器调制的r z ( 归零码) 眼图。 用再生锁模光纤激光器作为产生超连续谱的泵浦源，有效的改善了系统的稳 定性