（光学专业论文）锁模光纤激光器的理论与实验研究.pdf

摘要 高重复频率的超短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。在未来的全光通信网所可能采用的光源中，主动锁模光纤激光器 是极具开发潜力的超短光脉冲源。本论文从理沦和实验两方面对主动锁模光纤 激光器及其它相关技术进行了较为深入细致的研究。主要内容包括： 1 在实验中用q l i l p 坼为锁模激光器的丛频，q 和p 为互质整数且g 印) 的频 率失谐方法获得了最高达2 5 阶的有理数谐波锁模脉冲序列，同时对高阶有 理数谐波锁摸脉冲序列的性质进行了研究。 2 提出了并联光栅和串接光栅两种结构的主动锁模环形腔光纤激光器，可在一 个环形腔内同时获得双波长不同重复频率的锁模脉冲序列。 3 用时域分析方法对有理数谐波锁模光纤激光器产生的脉冲序列的性质进行 了研究，在此基础上提出种在环形腔内用调制器同时作锁模器件和脉冲幅 度均衡器件的方法，可以在调制器工作在特性曲线的线性区时实现5 阶以下 的有矬数谐波锁模脉冲的幅度均衡。 4 在j f p 半导体激光器作调制器的锁模光纤激光器中，利用高双折射光纤环 镜的梳状滤波特性，用两种电的方法对输出激光进行波长调谐，可以实现在 9 8 8 n m 范围内对输出激光的1 2 个模式进行快速选择。 5 用时域复用的方法减小锁模光纤激光器中波长间隔较小的两波长激光之间 的模式竞争。在j 月f p 半导体激光器做调制器的主动锁模环形腔光纤激光器 中获得了室湓卜波k 间隔为0 9 2 n m 的稳定的双波长激光锁模脉冲序列，并 且每个波长的激光可在约3 n m 范围内凋谐。 6 提出一种并列光栅结构的坝波长自注入式f p 半导体激光器，在等腔长和不 等腔氏两种情况下研究了输出激光的特性，在不等腔长的情况下还可以通过 调雅驱动信号的频率剥j e 巾一个波k 进行选择。 7 提f j j 川二：次泵 | i j 的方法降低l 波段光纤激光器的闷值和提高其斜率效率， 并在卅：彤腔和线形腔两利，结构下进行了实验研究。和传统的泵浦方法相比， 该方法可以将激光器的斜率效率提高将近一倍。 关键词：光 r 激光器、主动锁模、有理数嘶波锁模、自注入半导体激光器、二次 采浦 a b s t r a c t as t a b l eo p t i c a lu l t r as h o r tp u l s es o u r c ew i t hah i g hr e p e t i t i o nr a t ei sv e r yi m p o r t a n t f o r r e a l i z i n g f u t u r e u l t r a - h i g hs p e e do p t i c a l c o m m u n i c a t i o n t h e a c t i v e l y m o d e l o c k e df i b e rl a s e ri sv e r ya t t r a c t i v ea m o n g m a n yp o t e n t i a lo p t i c a ls o u r c e si nf u t u r ea l l o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，w et h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l ys t u d yi nt h ef i e l do fa c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e ra n di ni t sr e l a t i v e f i e l d s n em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l 】o w s ： 1 i nt h ee x p e r i m e n t ，b yd e t u n i n gt h em o d u l a t i o nf r e q u e n c yaf r a c t i o no ft h ec a v i t y f u n d a m e n t a lf r e q u e n c yq 面 pf r o mt h eh a r m o n i cf r e q u e n c y , w h e r eqa n d p a r e r e l a t i v ep r i m ei n t e g e r sa n d qi sl e s st h a np ，w ed e m o n s t r a t e d ah i g ho r d e rr a t i o n a l h a r m o n i cm o d el o c k e df i b e r r i n g l a s e r t h e h i g h e s t o r d e ro b t a i n e di nt h e e x p e r i m e n ti su p t o2 5 t h e p r o p e r t i e so f t h er a t i o n a lh a r m o n i c m o d el o c k e dp u l s e t r a i na r ea l s od i s c u s s e d 2 w ep r o p o s et w ot y p e so fd u a l - w a v e l e n g t hm o d el o c k e df i b e rr i n gl a s e r s ，w h i c h a r e u s i n gp a r a l l e l o rs e r i e sc o n n e c t i o n so ff i b e r b r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) a s w a v e l e n g t h s e l e c t o r s t h el a s e r sc a ng e n e r a t ed u a l w a v e l e n g t h sm o d el o c k e d p u l s e sw i t h d i f f e r e n tr e p e t i t i o nr a t e si no n l yo n er i n gc a v i t y 3 w et h e o r e t i c a l l ya n a l y z et h ep u l s et r a i ng e n e r a t e db yar a t i o n a 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 yu s i n gt h et i m ed o m a i na n a l y s i sm e t h o d b a s e do nt h e a n a l y s i s ，w ep r o p o s e a s i m p l em e t h o d t oe q u a l i z et h ep u l s ea m p l i t u d ei nar a t i o n a l h a r m o n i cm o d el o c k e df i b e rr i n gl a s e rw h e nt h er a t i o n a lh a r m o n i co r d e ri sl e s s t h a n5 b yu s i n gt h em o d u l a t o ra s b o t ham o d el o c k e ra n dap u l s ea m p l i t u d e e q u a l i z e r i nt h er i n gc a v i t y 4 i na na c t i v e l ym o d el o c k e df i b e rr i n gl a s e rw h i c hu s ea nf pl a s e rd i o d e ( f pl d ) a st h em o d u l a t o r , w eu s eah i g hb i r e f r i n g e n e ef i b e rl o o pm i r r o ra sap e r i o d i c m u l t i c h a n n e lw a v e l e n g t hf i l t e rt os e l e c tal a s e rm o d ee m i t t e db yt h ef - pl d w i t h t h i sm e t h o d ，t h eo u t p u tl a s e rc a nb es e l e c t e dr a p i d l yi n12c o n t i n u o u sm o d e si na r a n g e o f9 8 8 n m 5 w i t ht h em e t h o do fu t i l i z i n gt e m p o r a ls p e c t r a lm u l t i p l e x i n go fp u l s e si nt h eg a i n n l e d i u mt or e d u c eg a i nc r o s ss a t u r a t i o ne f f e c t s ，an o v e ld u a l w a v e l e n g t ha c t i v e l y m o d el o c k e df i b e rr i n gl a s e rw i t ha nf - pl da st h em o d u l a t o ri sp r o p o s e d t h e l a s e rc a ng e n e r a t es t a b l ed u a l - w a v e l e n g t hl a s e r sw i t haw a v e l e n g t hs p a c i n go f o 9 2 r i mi nt h er o o mt e m p e r a t u r ea n de a c hw a v e l e n g t hc a nb et u n e di nar a n g eo f a b o u t3 n m 6 ad u a l w a v e l e n g t hs e l f - s e e d e dg a i ns w i t c h e df - pl a s e rd i o d ew i t ht w op a r a l l e l f b g sa se x t e r n a lc a v i t i e si sp r o p o s e d t h ep r o p e r t i e so fo u t p u tl a s e r sa r es t u d i e d i nb o t ht h ec a s e so ft w oe q u a lc a v i t i e sa n dt w ou n e q u a lc a v i t i e s i nt h i st y p eo f l d ，t h eo u t p u tl a s e r sc a nb es w i t c h e db yt u n i n gt h em o d u l a t i o nf r e q u e n c y 7 t or e d u c et h et h r e s h o l da n di n c r e a s et h es l o p ee f f i c i e n c yo falb a n df i b e rl a s e r , a m e t h o d b yu s i n ga m p l i f i c a t i o ns p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) p o w e r a sas e c o n d a r y p u m ps o u r c e i s p r o p o s e d w ee x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t s o ft h i s p u m p m e t h o di nt h er i n gc a v i t ya n dl i n e a rc a v i t yf i b e rl a s e r s t h es l o p ee t t i c i e n c y o ft h elb a n dl a s e rp u m p e dw i t ht h i sm e t h o di sa b o u tt w ot i m e so ft h a tw i t ha t r a d i t i o n a lp u m p i n gs c h e m e k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r , a c t i v e l y m o d el o c k e d ，r a t i o n a lh a r m o n i cm o d el o c k e d ， s e l f - s e e d e dg a i ns w i t c h e dl a s e rd i o d e ，s e c o n d a r yp u m p i n gm e t h o d v 攻读博士期间参加的科研项目 1 天津市光电予叶心项目“1 6 0 g b i t s ( 1 6 x 1 0 g b i t s ) w d m o t d m 光纤通信传 输系统”。 2 天津前科委基金项目“d w d m 通信系统用多波长全光纤激光器” ( 0 1 3 6 0 1 8 1 1 ) 。 3 国家自然科学重点基金项目“双包层光纤光子器件及其应用研究” ( 6 0 i3 7 0 l o ) 。 第一章前言 自2 0 世纪9 0 年代初以来，人类社会进入了一个前所未有的信息量急剧增 长的时代。计算机、互联网技术迅速兴起，给人类的物质和精神生活带来了翻 天覆地的变化。通信成为人们生活中的重要内容。由于个人计算机的普及而导 致图际互联网( i n t e r n e t ) 的飞速发展，山数字移动通信业务导向个人通信而引 发的通信技术的革命。以及多媒体通信技术的出现，所有这些导致所谓的“信 息爆炸”。“信息爆炸”刺激了全球通信业务的疯狂增长，同时对通信网传递信 息的能力提出了更高的要求。光纤通信技术以其巨大的宽带潜力和无与伦比的 传输性能在通信领域，特别是在长距离大容量通信中占据着不可替代的位置。 1 1 高速大容量光纤通信系统的发展概况 1 1 1 波分复用( w d m ) 技术 光纤具有巨大的带宽。在1 5 5 0 n m 波长附近2 0 0 n m 范围内，对应带宽约为 2 5 t h z 。在1 3 1 0 n m 波长附近，也有约2 5 t h z 可利用的带宽。这样，一根光纤可 提供的理论传输带宽约为5 0 t h z 。波分复用( w d m ) 作为一种非常有效的扩容 手段可以充分利用光纤的带宽，随着技术的成熟已越来越显示出强大的生命 力； 图1 - 1w d m 原理图 波分复用是指一条光纤中同时传输具有不同波长( 国际电信联盟 i t u t 建议w d m 的信道在氪灯谱线【波长为l5 5 2 5 2 n m 】附近处频率自j 隔为 1 0 0 g h z 整数倍，即在此处波长间隔为0 8 n m 的整数倍，最近i t u t 等机构 正在考虑将信道唰隔减小到5 0 g h z ) 的几个光载波，每个光载波又各自载 荷不同的信息业务，而每一信道可以以不同的形式进行调制的通信方式 0 - 3 l 。图1 1 给出波分复用通信的原理图。其有不同波长、各自载有信息信 南翌大学煎士生堂焦论文 号的若干个载波经由通道c h l 、c h 2 c h 。等进入合波器( m u x ) ，被耦 合到同一根光纤中，再经过此条光纤长距离传输，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 h , 、c h 2 、 c h 。、，并分别解调，从而使各自载荷的信息重现。在传输过程中，为了 补偿各种损耗对信号造成的衰减，每隔一定距离要加入一个掺铒光纤放 火器( e d f a ) 对信号进行放大。 从这两年的o f c 世界光纤通信大会的报道中，传输速率在1 t b i t s 以上的 w d m 系统屡见不鲜。为了进一步提高通信容量，可以从以下三个方面考虑； ( 1 ) 采用电时分复用技术，提高每个通信信道的数据传输速率。在光纤通 信发展的2 0 多年以来，采用电时分复用技术的光纤通信系统的传输速率几乎以 每1 0 年l o o 倍的速度稳定增长。1 9 9 5 年i n t e r n e t 骨干网的带宽为1 5 5 m b i t s ，1 9 9 7 年为6 2 2 m b i t s ，而到1 9 9 8 年达到2 5 g b i t s ，到1 9 9 9 年则突破1 0 g b i t s 。目前 单信道的最高速率为4 0 g b i t s ，几乎达到电子器件速率的极限。 ( 2 ) 减小信道间隔在有限的带宽范围内增加信道数日。光源稳频、阵列 波导光栅滤波、波长交错器( i n t e r l e a v e r ) 等技术使得系统中的信道间隔从i t u t 规定的1 0 0 g h z 变得更低。两年i j i ，在c 波段( 1 5 3 0 n m 1 5 6 0 n m ) 通常只有1 6 路复用，信道间隔2 0 0 g h z 。2 0 0 0 年，商用系统c 波段复用信道数己达4 0 ，信 道间隔5 0 g h z ，频带利用率大大提高。然而。信道间隔的减小将会伴随非线性 效应的增强，信道间隔小于5 0 g h z ，四波混频( f w m ) 效应的影响将会引起信 号在信道问的串扰，必须采取相应的抑制措施；另外，小的信道间隔还要求系 统元件具有严格的波长稳定性导致系统成本的上升。 ( 3 ) 增加传输带宽。通过开发新型超宽带器件，拓宽利用光纤丰富的通信 带宽资源，将是提高光通信容量最有效的方法。近年来，l - 波段( 1 5 7 0 - 1 6 2 0 n m ) 和s 波段( 1 4 8 0 - - 1 5 3 0 n m ) 光通信系统的研发引起了广泛的关注并已经取得了 很大的进展。2 0 0 0 年日本的f u j i s u 公司报道了一种w d m 系统，系统单路传输 速率为1 0 g b i t s ，共有6 4 个波长，全部位于1 5 7 0 n m - 1 6 0 5 n m 的l 波段1 4 j 。系统 所用放大器为9 8 0 n m 1 4 8 0 n m 混合泵浦长波段掺铒光纤放大器( l b a n de d f a ) 。 系统进行1 0 1 2 7 k m 的长距离传输后，仍保持了1 0 4 的误码率。1 9 9 8 年日本n t t 的报道比特速率达到1 t b i t s ( 5 0 x 2 0 g b i t s ) 的c 斗l - 波段w d m 系统，其中3 0 个 波长信道在l - 波段，传输距离为6 0 0 k m l 5 】。2 0 0 0 年，贝尔实验室在o f c 上的报 道速率达到3 2 8 t b i t s ( 8 2 x 4 0 g b i t s ) 的w d m 系统，其中的4 2 个波长信道在l 一 波段，传输距离为3 0 0 k m l 6 1 。另外，s _ + c - + l 三波段的传输系统也在研发中，采 用掺铥光纤做成的s 一波段光纤放大器( t d f a ) 和另两个波段的e d f a 并联。分 整二童煎宣 别实现对1 4 7 0 n m 波段、1 5 5 0 n m 波段和1 5 9 0 n m 波段w d m 信号的放大1 7 1 。虽然 实验传输的距离只有1 0 0 k m ，但是这种多波段光纤放大器共同使用的尝试，为 以后充分利用光纤十富的带宽资源，实现多窗口超宽带光纤通信奠定了基础。 1 1 2 光时分复用( o t d m ) 通信 光时分复用( o t d m ) 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，超短脉冲光源( p u l s es o u r c e ) 每发送一个脉 冲就对应产生一个时隙，每个时隙经过n 个不同的路径，也就是经过距离 不同的光纤延时线后依次输出，精确控制光纤延时线的长度便得到n 个相 等的时隙组成的一帧，如此循环下去，就使得许多相同的帧传输下去， 这一过程被称为复用过程，事实上就是一个并行转换成串行的过程。在 传输过程中由于各种损耗需要加掺铒光纤放大器以补充损失的功率。帧 信息流到达接收端后经过与复用过程相反的解复用过程将不同的时隙分 配给指定的用户，这又是一个将串行转换成并行的过程。整个传输过程 中需要保持时钟同步使发送端和接收端的时隙准确一一对应。目前。电 时分复用技术( e t d m ) 已经非常成熟了，也为人们所熟知。o t d m 的结 构与e t d m 类似，所不同的是，e t d m 的复用和解复用是在电域内进行， o t d m 的复用和解复用都是在光域内完成，从而克服了e t d m 存在的“电 子瓶颈”问题。“电子瓶颈”来源于数字集成电路的限制、电光和光电转 换中用于驱动激光器或调制器的高功率和低噪声线性放大器的速度限制 以及激光器和调制器调制带宽的限制。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：高重复率超短光脉冲 源：超短光脉冲传输技术：时钟提取技术：光时分解复用技术；全光 中继再生技术等等。 图1 - 2o t d m 原理圈 3 南开大学博士生堂焦论文 o t d m 技术并不是仅仅用来提高光纤的传输容量，它们更广泛的应 用l j 景是作为网络技术用来组建“全光网”。所谓“全光网”，即数据从 源节点到目的节点的传输过程以及信号在网络中的处理( 包括交换和路 由选取) 始终在光域内进行，这样就避免了在所经过的各个节点上的光t 电和电光转换时受到的“电子瓶颈”的限制，极大地提高了网络的容量 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提高， 这是全光网的另一个技术优势。 o t d m 全光刚可提供比传统网络高得多的速率，一般可支持单信道 1 0 0g b i t s 的网络传输速率，并且保证网络容量以每1 0 年增长1 0 倍的速度 继续增长博。因此o t d m 全光网为带宽容量的进一步升级提供了又一种 技术选择，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 内获得广泛应用，具有巨大的应用前景。 从日曲的研究情况看，o t d m 存在3 个t i ) f 究发展方向：一个发展方向 是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 的最高速率从1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 直到6 4 0g b i t s 【1 i - 1 6 1 ；第二个发展方向是o t d m 实用化技术和比特问插的o t d m 网络技术，欧洲一直在从事4 0g b i t s 的 0 t d m 系统和网络方面的研究工作。其中一些关键器件已接近实用，如 锁模半导体激光器、光电型和全光型分插复用器等，而且在4 0g b i t s 的 0 t d m 信号的传输方面也进行了许多现场实验，取得了很大进展：第三 个方向是o t d m 全光分组嘲络，同电的分组交换网络将代替电的电路交 换网络一样，光的分组交换网络将是全光网络的一个发展方向，美国在 这方面做了大量的研究，英国电信目前也在进行这方面的研究。 1 1 3 w d m 和o t d m 各自的优势 w d m 技术与o t d m 技术相比具有以下优点： 1 i i irw d m 系统的一丫l 路信号传输速率较低，所以其色散受限距离比相同 传输容量的o t d m 系统长。 2 w d m 系统传输容量的扩充可以通过增加没备模块，以增加波长数的方 式完成，实现起来较为方便：用o t d m 扩充系统传输容量，由于要在光上对信 号进行处理、恢复t t , t o 、识别信头及选出路序，需要有全光逻辑和存储器件， 而这些器件尚不成熟，所以实现起来比较困难，系统结构与匹配技术也较复杂、 难度大【1 7 1 8 1 。 第一章前言 3 用w d m 技术可以进行复杂的网络设计，组网比较方便，而且可以用光 上下载器件在网络节点交换数据，比在o t d m 系统终端用大型设备交换数据具 有更高的性价比。 另一方面，o t d m 技术与w d m 技术相比，也有一定优势： 1 w d m 技术是多波长多通道的传输技术，随着波长数的增多，光纤中的 有效传输功率增加，四波混频( f w m ) 、自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 等非线性效应对系统的影响加剧，限制了w d m 的有效扩展，并成为设计系统 时必须考虑的问题：而o t d m 技术是单路信号在一根光纤上传输，有效传输功 率较低，上述的非线性效应不很明显，对系统j l 乎没什么影响。 2 w d m 系统需要特殊设计的增益平坦的光放大器，而且放大器的增益必 须与波长数无关以防止某一路信号发生故障时影响到其它信号：而在o t d m 系统中则不需要考虑多个波长对放大器的影响。 3 w d m 系统所需设备较o t d m 系统多，相对重复投资大。 综上所述，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，可以迅速在现有通信系统的基础上实现扩容。o t d m 技术 尚处于探索阶段，尽管国内外也进行了不少实验。建成了一些实验系统，但它 还是属于未来的技术。在目前阶段各国均以发展w d m 为主，同时发展o t d m ， 将来二者结合用于光纤通信系统中，将更充分发挥光纤通信系统的最大潜力和 最优良的性能实现超大容量、超长距离的信g - 传输1 1 9 1 。在1 9 9 9 年，n t t 公司 报道的3 t b i t s ( 1 6 0 g b i t s 1 9 ) 的o t d m w d m 传输实验已经让大家看到了未 来高速光通信网络的诱人前景l z 。 1 2 在光纤通信系统中超短脉冲的产生方法 超短光脉冲的产生是实现o t d m w d m 技术的关键技术，同时也是非线性 光学、瞬念光学等研究方向的l j i 沿课题，具有重要的意义。应用于通信系统的 超短脉冲光源大致有以下几种2 1 i ：增益丌关分稚反馈半导体激光器( g s d f b ) 2 2 1 、外腔主动锁模半导体激光器( e s m l ) 1 2 3 、分布反馈半导体激光器+ 电吸收 训制器集成( d f b + e a m ) 1 2 4 啪主动锁模光纤激光器( a m l e d f l ) t s l 。 g s d f b 的结构相对来说比较简单，性能也稳定，但是出射脉冲带有一定的 抖动和较严重的红移啁啾，e ；l 脉宽较宽，需要进行消抖动、消啁啾和脉冲压缩 处理后才能应用于高速传输，而且脉冲具有较大的直流基底，经时分复用后会 产生干涉噪声。e s m l 输出脉冲的啁啾系数较小，但是重复频率不可调，性能不 南开大学博士生学僮论文 稳定集成后的e s m l 虽然在性能上相对稳定，但工艺上较复杂。利用d f b + e a m 的方法产生高重复频率超短光脉冲对工艺有很高的要求，而且输出脉冲的波长 不可调，脉宽较宽，应用时需要经过脉冲压缩。 与上述几种短脉冲光源相比，主动锁模光纤激光器的优点主要体现在以下 几个方面：( 1 ) 脉冲啁啾小可以产生近变换极限f l 勺无啁啾光脉冲：( 2 ) 重复 频率高且可以控制，利用有删数谐波锁模技术还可以突破“电子瓶颈”的限制 产生几百g h z 的光脉冲：( 3 ) 输出波长的调谐范围大，几乎可以覆盖整个e d f a 增益谱的范h 习；( 4 ) 输出脉7 | l l 峰值功率高并只有很高的信噪比，这一点对o t d m 系统是非常有利的。( 5 ) 激光腔结构灵活。可以很方便的根据需要构成各种腔 结构实现锁模运转。主动锁模光纤激光器的稳定性较差是制约其应用的一个主 要因素。影响主动锁模光纤激光器稳定性的因素是多种多样的。腔内光纤长度 或折射率受环境影响发生变化、微波调制频率的漂移等会造成腔长与调制频率 的不匹配导致脉冲逐渐塌陷，这被称为激光器的长期不稳定性t 2 5 - 2 7 1 。长期不 稳定性的问题可以通过进行闭环反馈锁定谐振腔光学长度等方法来解决。除长 期不稳定性的因素外，主动锁模光纤激光器腔内还存在着短期不稳定性的问题， 它与增益介质的自发辐射噪声和超模竞争有关表现为脉冲幅度和时间上的随 机抖动，输出激光的光谱也随时问不断变化。在某些情况下，甚至会发生脉冲 的“d r o po u t ”现象。针对以上问题，各国研究人员采取对腔长引入微扰1 2 州和插 入f p 标准具1 2 9 1 等方法克服超模竞争造成的不稳定性。 除作为通信系统中的超短脉冲光源外，主动锁模光纤激光器也可被用于 o t d m 系统作时钟提取与解复用 3 0 - 3 2 1 。另外，主动锁模光纤激光器输出的脉冲 经放大后泵浦超连续光纤，可以产生宽带、强度平坦的超连续光谱，再通过梳 状滤波器就可以取 一系列脉宽可调( p s 量级到f s 量级) 的近变换极限脉冲。 目前这种超连续光源被认为是较为理想的o t d m w d m 混合系统的超大容量光 子源1 3 3 - 4 , l 。因此主动锁模光纤激光器在未来的光纤通信系统中将发挥越来越 大的作用，对其进行深入细致的研究是目前的一个重要课题。 1 3 锁模光纤激光器的发展和分类 锁楔光纤激光_ j ： 按锁梭方式可以分为主动锁模光纤激光器【4 4 1 、被动锬模光 纤激光器1 4 5 1 平【l 主被动联合锁模光纤激光器等三类。 1 3 1 主动锁模光纤激光器 二l i i ；j j 锁帧光纤激光器卜婴足指n ：激光腔内插入一l i 动i j 爿制器件或外界有相关 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锁模。现在普遍 使用的是m z 型l i n b o 波导电光幅度或相位调制器。图l 一3 为典型的主动锁模 坏形腔光纤激光器的结构示意圈。激光腔内的增益器件为半导体激光器泵浦的 掺铒光纤( e d f ) 。调制器( m o d u l a t o r ) 在射频信号( r fd r i v e r ) 驱动下产生周 期性的损耗或是周期性的相位变化，这利- 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。出于l i n b 0 3 调制器是偏振敏感元件，所以常 在调制器前安置一个偏振控制器( p c ) 来调节入射到调制器的光场偏振态。可 调谐滤波器( 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环形腔激光器处于单向运转，并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。 r fd r i v e r 图l - 3 主动锁横环形腔光纤激光嚣结构图 自从世界上第一台主动锁模光纤激光器由英国南安普顿大学的研究人员在 2 0 世纪8 0 年代叶1 期研制成功以来浚项技术取得了长足的迸展1 4 7 1 。到目前为止。 直接调制的主动锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率最高达4 0 g h z ，脉冲宽度 为3 5 p s i 4 “。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8 0 2 0 0 g h z 4 9 1 。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 t 5 0 】。在应用方面，1 9 9 5 年，日本n 丁t 的m o r i o k a 等人用重复频率6 3 g h z 、脉宽3 5 p s 的： 三动锁模掺铒光纤激光器作光源，经 放大后泵浦3 k m 的单模色散位移光纤( d s f ) ，获得了一个宽2 0 0 r i m 、强度平坦 晌超连续光谱p 。i 。 除利用l i n b 0 3 电光调制器进行主动锁模外，近几年，人们又研制出几种不 需要电光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 纡激光器录l 注入型j ! 动锁摸毙纤激光器。 基十半导体激光器的主动锁模光纤激光器是用工作在阈值以下的f 一1 3 或d f b 半导体激光器在环形腔内取代调制器。在r f 信号驱动下，半导体激光器的载流 直五盔堂造垒堂焦煎塞 了密度发生周期性变化。从i m 折射率被调制，对环形腔内的振荡光场起到了强 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 tc h a n 的研究 小组用2 5 g h z 的驱动频率获得了2 0 g h z 的8 阶有理数谐波锁模脉冲【5 “。2 0 0 0 年， 他们的工作又取得了新的进展，获得了1 0 g h z 的谐波锁模脉冲，脉冲的超模噪声 低而且功率很稳定1 、“。 注入型主动锁模光纤激光器有两种。第一种是利用半导体光放大器( s o a ) 作为环形腔的增益介质，m 腔外增益丌关半导体激光器向腔内注入锁模脉冲， 使半导体光放大器的增益被调制，产生交叉增益饱和，锁定腔内各个纵模，从 而产生锁模脉冲。在这早，半导体光放大器既是增益介质，又起到了调制器的 作用。1 9 9 9 年，h a v r a m o p o u l o s 的研究小组报道了用1 0 g h z 注入脉冲产生的 2 0 g h z 锁模脉冲，激光波长在1 6 n m 范围内可调【54 1 。2 0 0 0 年，他们报道了能同时 输出1 0 个波长锁模脉冲的注入型主动锁模光纤激光器，脉冲重复频率为3 0 g h z ， 7 p s l 5 ”。在当年的o f c 会议上，他们研制的锁模光纤激光器的性能提高到 重复频率4 0 g h z ，凋谐范 蜀2 0 n m l 5 6 1 。第二种注入型主动锁模是利用光纤的交叉 相i 位凋制( x p m ) 效应进行主动锁模，可以产生重复频率高达4 0 g h z 的1 0 p s 短脉 5 7 i 。 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 光纤放大环镜) 产，卜锁模脉冲的。光纤的非线性偏振旋转在环形腔光纤锁模激 光器中可以起到饱和吸收体的作用，其原理如图1 - 4 中所示，可以用x p m 效应 米解释【5 8 1 。 图1 - 4 被动锁模光纤激光器结构图 当两束或多束光波同时在光纤中传输州，它们将在光纤中发生相互影响。 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 - 4 中，由隔离器( i s o l a t o r ) 出来的光 被p c 变为椭圆偏振光，它和x 方向和y 方向有不同的光强，这束椭圆偏振光 经过光纤，山于光纤的x p m 效应，沿x 方向的偏振分量和沿y 方向的偏振分 8 蔓二童煎壹 量经过相同氏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。1 9 9 4 年，采用类似结构的被动锁模 光纤激光器可以获得峰值能量，o 5 n j ，脉宽 1 0 0 f s ，重复频率为4 8 m h z 的锁模 光脉冲p 。 另外，利用非线性光纤放大环镜( n a l m ) 也可以产生被动锁模脉冲。采用 这种结构的，七纤激光器因其形状类似8 字而被称为8 字形腔锁模激光器。1 9 9 3 年，m n a k a z a w a 等人利用8 字形腔锁模激光器得到脉宽9 8 f s ，重复频率2 1 0 m h z 的锁模脉冲6 0 1 。 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f s 光 脉冲。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，可以采用主被动联合锁模的方法，1 9 9 8 年，l is h e n p i n g 等人在8 字形被动锁模激光器中插入调制器，获得了重复频率 为1 1 0 8 g h z ，脉宽为7 1 p s 的锁模脉冲1 6 “。同年m i n y o n gj e o n 等人采用n a l m 和法拉第旋光镜( f r m ) 组成的主被动锁模光纤激光器实现了幅值均等的1 5 阶 ( 2 2 6 g h z ) 有理数谐波锁模1 ”1 。 i 3 4 主动锁模光纤激光器的研究进展 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 解决主动锁模光纤激光器的不稳定性的工作主要集中在以下三个方面；l 。解决 外界环境扰动引起的腔长变化。2 消除激光在谐振腔内偏振念的起伏。3 减少 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x , t 步b 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会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，解决这一问题最常用的方法是采取再生锁模技术【2 6 】。因为在光 童荭杰堂监主生堂j 童迨塞 纤环路中运行的光脉冲包含有激光谐振腔纵模的各种谐波分量，所以可以从输 ： 光脉 巾提耿 i l i 分信号， ：经过光l 乜转换将其变为r 包信号，再高频电子滤波 器提取所需的谐波分量，经过微波放大器放大后，作为凋制器的驱动信号重新 反馈给调制器，这样就保证了调制频率与腔内纵模谐波分量之间的控制与相互 匹配。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踪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j 二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。在这一技术中，从输出光脉冲中提取的谐振腔谐波分量经 处理后不再反馈给调制器，而是作为压电陶瓷的驱动电压，使压电陶瓷的伸缩 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1 6 ”。这一技术日d u 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1 j 可以有效地提高输出锁模脉冲的稳定性。1 9 9 3 年，利用这种全保偏 结构的光纤激光器产生了重复频率高达4 0 g h z 的6 p s 光脉冲序列，波长在 4 0 5 0 n m 范围内可调”。 超模噪声也是影响主动锁模光纤激光器稳定性的一个重要因素，它是一种 相位噪声足谐波锁模技术所固有的问题。谐波锁模的级次越高，腔内可能存 在的超模数就会越多。多组超模彼此竞争，使得输出锁模光脉冲的振幅随时间 波动。1 9 9 3 年，s h a n 等人捉i 用p z t 鼓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 鼓产生的声场就破 坏了掺铒光纤的空恻烧孔效应，从而使一组超模能够抑制掉其它的超模1 2 ”。同 年，a t & t 的h a r v e y 等人又使用了在谐振腔内插入窄带f p 滤波器的方法，使 滤波器的白山光谱区恰好等于调制频率，这样。只有频率与滤波器相匹配的超 模才能振荡。 总之。锁模光纤激光器的发展非常迅速，新的技术不断涌现，这些新技术 极大地推动了锁模光纤激光器的实用化进程。 1 4 论文的主要内容及工作成果 本论文所述及的工作主要是结合天津市光电子中心项目“1 6 0 g b i f f s ( 1 6 1 0 g b i t s ) w d m o t d m 光纤通信传输系统”、天津市科委基金项目“d w d m 通信系统川多波长仝光纤激光器”和因家翻然科学重点基金项目“双包层光纤 光子器件及其应用研究”等相关项目进行的。主要对各种结构的主动锁模环形 腔光纤激光器进行了系统的理论和实验研究。 论文的第二部分对主动锁模光纤激光器进行了理论分析并给出实验结果， 对高阶有理数谐波锁模脉p p 序列的性质进行了分析，并提出了一种在同一环形 腔内同时产生双波k 不同重复频率的脉冲序列的方法；论文的第三部分采用时 域分析的方法对有理数谐波锁模光纤激光器进行了理论分析，得到了在腔内获 得脉冲幅度均衡的有理数谐波锁模脉冲的条件并在实验上予以验证：论文的第