（物理电子学专业论文）全光波长变换和光纤锁模激光器研究.pdf

摘要 近年来，多媒体交互式业务、因特网业务和宽带综合业务数字网( b i s d n ) 迅 猛发畏，对信号传输速率和传输带宽提出了更高的要求。光时分复用技术和波分复用 或密集波分复用技术以及二者的结合能提供更高的传输速率和更宽的传输带宽，是高 速率大容量光通信技术的主要研究内容。w d m 全光通信网不仅能扩大信息传输容量， 而且具有扩容灵活性和路由选择灵活性的优点。o x c 及o a d m 网络节点是w d m 全 光网的核心技术，能够对多波长的光信号进行交叉连接，具有传输代码格式透明和交 叉连接容量大等特点。波长变换技术是实现o x c 及o a d m 的关键技术。对任何光通 信系统，不论是w d m 系统，还是o t d m 系统，光源技术都是核心技术之一。掺铒光 纤锁模激光器能产生稳定的高重复速率的1 5 5 i - t m 超短光脉冲，是高速通信系统中极具 潜力的一种光源。本文针对波长变换技术和掺铒光纤锁模激光器技术进行了实验和理 论研究。这两个课题都是国家自然科学基金项目的一部分本论文完成的主要工作有 以下几个方面： c 一 r 、 一、全光波长变换技术 乡 t 一 1 理论方面：对非线性光纤环形镜( n o l m ) 波长变换器进行了深入的理论分析与设 7 计计算，包括偏振相同、频率不同，频率相同、偏振不同的二光波在光纤内的x p m 效应和二不同频率光波的走离效应；讨论了非线性光纤环形镜的开关效应及其孤子 开关效应。f 在此基础上，首次建立了泵浦脉冲为无啁啾高斯脉冲，探测波为连续光 情况卞的波长变换器的理论模型。该理论模型能定量描述非线性光纤环形镜内色散 位移光纤长度、泵浦脉冲峰值功率、走离参数和泵浦脉冲宽度对波长变换脉冲的波 形、脉宽、透过率和对比度等参数的影响；指出变换后的输出脉冲必然是有啁啾的。 提出采用群速度均衡非线性光纤环形镜可以降低泵浦脉冲峰值功率、减少色散位移 光纤长度，能有效改善该波长变换器输出脉冲的各项参数而 。土一一 2 实验方面：利用光纤内两光波交叉相位调制效应及非线性光纤环形镜的开关效应， 进行了2 4 g b s1 5 3 3 n m 到1 5 4 4 n m 全光波长转换的实验，获得的实验结果与理论计 算结果相符。 二、光纤锁模激光器技术 j 一 1 理论方面： 7 1 ) 从速率方程出发，对环形腔光纤激光器的输出特性进行了分析。在稳态锁模方 程的基础上，描述了腔内孤子形成及腔参数与输出脉冲宽度的羌系。 2 ) 讨论了超模噪声对主动锁模光纤激光器工作稳定性的影响。f 详细描述了窄带滤 波器抑制超模噪声的理论，给出了加入窄带滤波器后窀 i 模光纤腔的传输函数和 高斯脉冲的稳态解，数学描述了用窄带滤波器选取超模的效应，得出了边频抑 制比与窄带滤波器精细度的关系，并解释了调制频率失谐效应a 。， 3 ) ( 以理想的全保偏光纤环形腔为例，解析求解出腔内偏振模式本征值，进而讨论 了全保偏光纤环形腔中偏振主轴夹角、光纤长度对光纤激光器稳定性的影响：k 从单模光纤的弯曲致双折射效应出发，导出了光纤线圈偏振控制器的计算公 茹 ；- 一 2 实验方面： 1 ) 采用复合腔方法，进行了抑制超模噪声的实验，该方法简单蚕声效。 2 ) 我们将环形腔中的大部分光纤( 主要是铒光纤) 直接绕在自行设计的偏振控制 器上，模拟保偏光纤腔，进行了光纤激光器的偏振稳定性实验，取得了较好效 果。 3 ) 进行了倍重复速率锁模实验，包括二倍重复速率锁模和有理数谐波锁模的实 验。 兰一 ( 三、应邀对北京人工晶体所生产的c r ：l i s a f 晶体先后三次做了闪光灯泵c r ；l i s a f 激 光器的实验，针对灯泵方式、谐振腔型和晶体掺杂浓度及最佳耦合输出率几个方 面进行了比较实验。最后，在接近最佳输出耦合条件下，获得了斜率效率5 9 4 ， 单脉冲能量1 4 6 j 的激光输出，这一结果被鉴定会评价为国际领先水平。k j 关键词：波长变换，非线性光纤环形镜，交叉相位调制，莲疆! 蠹蕊主动锁模光纤激 光器，超模噪声，遁多， b f 卿睁 - ( + i 、 、 c r ：l i s a f a b s t r a c t r e c e n t l y , m u l t i m e d i a ，i n t e r n e ta n db i s d ne x p a n di nb u r s t ，w h i c hr e q u i r eh i g hs p e e d a n dw i d eb a n d u l t r a l a r g ec a p a c i t y a n d u l t r a h i g hs p e e d c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e w i l l b e c o m et h em a j o ri n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e o fh i g hc o m m u n i c a t i o na l lf i b e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，w d m ，o t d ma n dc o m b i n a t i o no ft l i st w o ，a r e u n i v e r s a l l y c o n s i d e r e da sb e t t e rc h o i c e o x ca n do a d m w h o s e c a p a c i t yo fi n t e r c o n n e c t i o na r el a r g e c a nr e a l i z et h ei n t e r c o n n e c t i o no fd i f f e r e n tw a v e l e n g t h “t r a n s p a r e n c e s i g nt r a n s m i s s i o n w a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni s i t sk e yt e c h n i q u e t oa n yf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( e i t h e r o t d mo rw d m ) o p t i c a ls o u r c e sb o t hg a i nm o r ec o n c e r n s a c t i v em o d e t o c k e df i b e rl a s e r s w h i c hc a ng e n e r a t ec o h e r e n t ，t r a n s f o r m l i m i t e d ，i5 5 b m ，u l t r a s h o r tp u l s ei sp o t e n t i a lo n eo f t h e o p t i c a l s o u r c e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a l lo p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n da c t i v e m o d e l o c k e df i b e rl a s e r sa r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r 幽c a l l y t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1 a l lo p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n 1 ) t h et h e o r yo fs w i t c h i n ge f f e c to f n o l m a n dx p mi no p t i c a lf i b e ri sg i v e ni nd e t a i l t h e nt h em e t h o do fa l lo p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sp r o p o s e da n dad e t a i l e dm o d e l t h e o r yi s b u i l t s u b s e q u e n t l y c o n s i d e r i n gt h ew a l ko f fe f f e c t d u et o s t o u pv e l o c i t y m i s m a t c h at h e o r yo fx p mi n d u c e dn o n l i n e a rp h a s es h i f to fc o n t i n u o u sp r o b ew a v e i m p o s e db y t h ep u m p p u l s e i sa n a l y z e da tl e n g t h i n n u e n c eo f t h e p a r a m e t e r so f t h ed s f l e n g t h ，t h ep u m pp u l s ep e a kp o w e r , t h ep u l s ew i d t ho fp u m pw a v ea n dt h ew a l ko f f p a r a m e t e r f o rt h e p r o p e r t i e s o fc o n v e r t e d p r o b ep u l s ei n c l u d i n g t h e p e a kp o w e r t r a n s m i t t a n c e , t h ep u l s ew i d t h ，t h ep u l s es h a p ea n dt h es i g n a lc o n t r a s tr a t i oi si n v e s t i g a t e d p a r t i c u l a r l y a n dt h er u l eo fo p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v ei sa l s og i v e n o u t p u tc o n v e r s e dp u l s e sc h i r p e da r ep o i n t e d o u t 2 ) o nt h eb a s i so f x p ma n dn o l m ，t h e e x p e r i m e n to f1 5 3 3 n mt o1 5 4 4 n mw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n u pt o 2 4 g b si sd e m o n s t r a t e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tc o n f o r m st ot h e t h e o r y 2 f i b e rm o d e l o e k e dl a s e r s t h e o r y 1 ) o nt h eb a s i so f r a t ee q u a t i o n ，o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f a c t i v em o d e l o c k e df i b e rl a s e r s a r ea n a l y z e dt h e n ，w ea n a l y z et h es t a b l em o d e l o c k e de q u a t i o na n a l y t i c a l l y , a n dg i v eo u t t h er e l a t i o nc h i v eb e t w e e np a r a m e t e r so f c a v i t ya n dp u l s ew i d t h t h ei n f l u e n c et ot h es t a b i l i z a t i o no ft h ea c t i v eh a r m o n i cm o d e 1 0 c k e df i b e rl a s e r s m a i n l yr e s u l t s 行o ms u p e r m o d en o i s en a r r o w b a n d f pr e p e t i t i o nr a t ef i l t e rc a ns u p p r e s s u n w a n t e ds u p e r m o d et oe n s u r et h es t a b i l i z a t i o no fh a r m o n i cm o d e 1 0 c k e df i b e rl a s e r s t h ee l e c t r i cf i e l dt r a n s f e rf u n c t i o no ft h ef pf i l t e r , t h es t a b l es o l u t i o no ft h ea c t i v e h a r m o n i cm o d e l o c k e df i b e rl a s e r s ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i d e - m o d es u p p r e s s i o nr a t i o n a n df i n e s s eo fn a r r o w b a n df pf i l t e r , a n de f f e c to fm o d u l a t i o nf r e q u e n c yd e t u n i n g ，a r e g i v e no u t t h e p o l a r i z a t i o n - m o d es t a b i l i t yi na l lp o l a r i z a t i o n m a i n t a i n e df i b e rc a v i t yi sa n a l y z e d e i g e n v a l u e so fp o l a r i z a t i o nm o d e sa r eo b t a i n e db yj o n e sm a t r i c e s ，a n dt h es e l e c t i v i t y o f p o l a r i z a t i o nm o d e si sd i s c u s s e d b e n d i n g - i n d u c e db r i e f r i n g e n c ee f f e c t i n s i n g l e m o d ef i b e ra r ed e s c r i b e dt h ef o r m u l ao f r e t a r d a t i o no f f i b e r l o o pp l a t ei si n d u c e d e x p e r i m e n t 1 )u s i n gc o m p o s i t e r e s o n a n t c a v i t y , t h ee x p e r i m e n t o f s u p p r e s s i n g u n w a n t e d s u p e r m o d e i sd o n e ，t h ev a l u e dr e s u l ti so b t a i n e d 2 、w ef i n i s h e dt h ee x p e r i m e n ta b o u tt h ep o l a r i z a t i o ns t a b i l i z a t i o nb yt h em e t h o do f d i r e c t l yp o l l i n gt h ef i b e r ( m a i n l ye r b i u mf i b e oa r o u n dt h ep l a t eo ft h ep o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r 3 ) t w i c e r e p e t k i o nf r e q u e n c ya n d r a t i o n a lh a r m o n i c m o d e l o c k i n ge x p e r i m e n ti sd o n e 3 f l a s h l a m p - p u m p e dc r ：l i s a f l l a s e r si sd e s c r i b e dt h ep u l s ew i t he n e r g yo f14 6 ja n d s l o p ee f f i c i e n c yo f 59 4 i so b m i n e d t h er e l a t i o no f o p e r a t i n gp r o p e r t i e so fl a s e r sa n d c o n c e n t r a t i o no f c r 3 + j o n sa r ea l s oc o n s i d e r e d k e y w o r d s ：a l lo p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，n o l m , x p m , w a l k o f f , a c t i v e m o d e l o c k e d f i b e rl a s e r s ，s u p e r m o d e n o i s e ，p o l a r i z a t i o n ，p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , f l a s h l a m p p u m p e d ， c r ：l i s a f 天津人学博i 论史 1 1 光通信技术的进展 第一章绪论 自光通信技术正式引入电信网络以来，已逐步取代传统的通信电缆，成为信息供 输的主要载体。据统计，至1 9 9 3 年底的十几年间，全世界累计铺设光缆约五千万公里， 而到1 9 9 4 年底一年间猛增至七干多万公里 1 i 。1 9 9 3 年9 月，美国发表n i i ( 国家信 息基础设施：行动计划) 的政府报告，引发了世界范围内的“信息高速公路”建设热 潮。其直接后果就是多媒体交互式业务、因特网( i n t e r n e t ) 和宽带综合业务数字 网( b i s d n ) 的迅猛发展，进而对信号传输速率和传输带宽提出了更高的要求。据 通信专家分析，在2 0 1 0 年前后，信息通信将进入以图像传输等非话务业务为主的新 时代，信息交换量将为目前的4 1 0 倍，甚至2 0 倍。数据通信方面，随着i n t e r n e t 的发展，每用户数据量将由目前的几十k b i t s 增加到几十m b i t s ；实时通信业务除了 电话业务以外，还需要实时传送高质量画面的会议电视和可视电话，这既需要实时性， 又需要m b i t s 的传输容量；广播型业务方面，预计未来数字视频信号接入网传输需要 1 2 g b i f f s 左右的传输能力。目前采用1 5 5 m b i t sa t m 技术解决数据通信和广播型业务 的接入问题，但a t m 信元丢失会导致品质恶化，信元发送与接收时延会对图像信号实 时双向传输产生影响。因而a t m 技术在这两方面的应用仍需进一步探讨，g t t h ( g b i t s 到家) 或许是最佳方案，可以解决多种通信信号的接入问题。接入网和局域网的g b i t s 速率要求，使得干线长途传输的容量必须达到t b i t s 的水平。挑战带来机遇，巨大的 市场推动力极大地推动了高速率和超大容量通信系统的研究和发展。 目前，高速率大容量光通信技术的研究主要包括波分复用( w d m ) 或密集波分复 用( d w d m ) 技术和光时分复用( 0 n ) m ) 技术。 1 1 1 波分复用( w d m ) 技术 波分复用( w d m ) 或密集波分复用 同波长的多个载波的大容量光传输技术。 ( d w d m ) 是利用一条光纤同时传输具有不 w d m 技术具有以下优点：能提高系统传输 天津人学博l 论史 容量，不同种类、不同速率的信号在进行波分复用时不需经过接1 2 1 就能一起传输：在 节点上可以通过简单的节点设施处理超大容量信号，降低传输和节点成本；以不同波 长作为路由信息可以构成灵活的全光网络，扩容方便。 w d m 系统的关键技术包括： ( 1 ) 多波长光源技术。多波长光源包括半导体激光器，光纤激光器和光纤超连续 谱短脉冲光源。在w d m 系统中时，要求有配套的波长监测与稳定技术。 ( 2 ) 波分复用技术。阵列波导光栅复接器( a w g ) 用于复接l n m 左右波长间隔 的光信号很有效，器件具有多个输入输出端子，既可用于w d m ，又可用于选择波长 的星形网或光上下载复用回路，是w d m 网有效的关键器件。 ( 3 ) 增益均衡技术和增益平坦e d f a 。实现w d m ，特别是d w d m 的最大障碍是 e d f a 的增益不一致。为克服这一缺点，可采用多种解决方案： 1 ) 采用一种传输函数与e d f a 的增益谱相反的光滤波器，使其起到与波长相关 的衰减器的作用，以抵消e d f a 增益的不一致。用于增益平衡的器件有f p 标准具， 光纤光栅等1 4 ，- i 。 2 ) 在掺铒光纤中掺铝，可扩展增益带宽，但泵浦效率低；掺氟e d f 带宽可达2 5 n m 以上，但不能用9 8 0 n m 泵浦1 6 i 。混合e d f 是由几段不同玻璃组分的掺铒光纤构成【，】。 但是任何增益平坦e d f a 都要在一定的功率负载条件下工作。在可变工作条件下，为 保持增益平坦特性，有效方法是自动增益控制( a g c ) 或自动功率控制( a l c ) 。 ( 4 ) 色散管理与补偿技术【。i 。g 6 5 2 光纤用于w d m 传输时，需要补偿线路传输时 产生的群速度色散。主要措施是：采用色散补偿光纤或光栅集总补偿色散。同时，光 纤非线性效应，如四波混频f w m 、交叉相位调制x p m 、受激喇曼s r s 效应，会引起 w d m 系统的信道串扰，使信元劣化，对d w d m 系统尤其严重，主要措施是：使用非 零色散位移光纤n z - - d s f ；采用非等间距的复用信道间间隔等。 ( 5 ) 偏振扰动嗍。在长距离光纤传输通道中，由多个e d f a 引起的偏烧孔( p h b ) 效应将降低系统性能。为减小偏振扰动，可用一种比e d f a 响应速率更快的信号来进 行偏振调制或偏振扰动。 ( 6 ) 光交叉连接( o x c ) 上下载复用( o a d m ) 网络节点技术是w d m 全光网 的核心技术1 9 1 。o a d m 节点具有使所需波长上下载，而其它波长无阻塞的通道功能。o x c 则主要完成网间信道的交叉连接，即具有波长路由选择，动态重构和自愈功能，具有 可扩展时波长分区重用的特点。 天津人学博l 。论文 w d m 系统进展： 1 9 9 4 年a r c h r a p l y v y 等人完成了1 7 2 0 g b s x1 5 0 0 k m 和8 x 2 0 g b s x 3 0 0 k m 的 波分复用n r z 码传输实验j 。1 9 9 5 年，美国b e l l 实验室的n y m a n 等人实现了8 x 2 5 g b s 1 0 0 0 k m 的波分复用孤子传输实验l 。1 9 9 6 年，b e l l 实验室的p b h a n s e n 等人实现 了8 1 0 g b s 3 5 2 k m 的w d m 传输实验 ”i 。1 9 9 7 年初，总容量为( 2 5 b i t s x1 6 c h ) 的w d m 系统已经商用。同年，n e c 、a t & t 、富士通三家公司进行了总容量超过1 t b i l s 的w d m 传输实验( n e c ：2 0 g b i t s 1 3 2 c h ，1 2 0 k i n ；富士通：2 0 g b i t s 5 5 c h ，1 5 0 k m ： a t & t ：4 0 g b i d s 2 5 c h ，5 5 k m ) 1 2 1 。1 9 9 8 年，日本k d d 公司r & d 实验室的t a n a k a 等人完成了2 0 g b i t s 2 0 c h ，2 0 0 0 k m 的r z 码孤子传输实验f ”】。同年，n t t 进行了 2 0 g b i t s x5 0 c h ，6 0 0 k m 的传输实验i l ”。 1 1 2 时分复用( o t d m ) 技术 在传统的电时分复用( t d m ) 光纤传输系统中，支路信号的复用和解复用、发送 和接受单元、时钟提取电路、信号再生器都工作于高速复用信号速率上，使得这些电 子器件的速率和带宽器日益成为传输速率的瓶颈。与t d m 相比，o t d m 中电光( e o ) 和光电( o e ) 转换分别位于复用之前和解复用之后：电子器件及e 0 和0 e 变换单元只工作于支路信号速率上。而信号的复用、解复用，再生和时钟提取则采用 高速全光学信号处理技术。 与w d m 技术相比，o t d m 是一种相对较新的技术，有如下一些特点：传输速率 高；可与w d m 结合，达到更高容量：采用全光信号处理技术，可与全光网( a o n ) 兼容；不受四波混频非线性效应的影响；光纤放大器使用和管理简单；上下载方便， 可适用于本地网和主干网。但必须采用归零码超短脉冲，占用带宽宽，色散影响尤为 显著。 o t d m 干线通信系统主要由光源、传输、时钟恢复和解复用四个部分组成。 ( 1 ) 时分复用光源。o t d m 通信系统要采用归零码以便在时域上间插不同信号。 因此要求低时间抖动，高重复率，变换受限的高质量超短脉冲源或孤子源。主要光源 有：增益形状半导体激光器( g s w d f b ) o5 1 ，它有动态“单频”特性，脉冲重复频 率0 1 0 g h z 可调，简单、紧凑、廉价、稳定好，但有啁啾：锁模铒掺杂光纤环形激光 器( m l - - f r l ) 1 6 1 输出1 0 一2 p s 的变换极限( t l ) 脉冲，重复频率2 - - 2 0 g h z ，但 天7 卑人学博上论文 稳定性问题尚待考验；d f b 激光器与电吸收器( e a m ) 联用可构成实用的o t d m 光 源，能产生1 0 g h z 、2 0 p s 的近似变换极限脉冲，但可得的最小脉冲宽度有限”7 1 ；锁模 铒光纤激光器泵浦单模光纤产生的超连续( s c ) 光源，其平坦带宽可达2 0 0 r i m 以上， 最窄脉冲宽度o 3 p s ，时间抖动小于o2 p s ，可完全满足未来t b i t s w d m o t d m 通信 系统的容量要求”。 ( 2 ) 传输损耗、色散和非线性噪声一直是限制放大器间距和总传输距离的主要问 题。o t d m 通信技术使用单一波长，没有f w m 效应影响。但信号占用谱宽宽，光纤 色散影响较为显著。通常采用色散补偿和色散管理技术增加光时分复用信号在光纤中 的传输距离。常用的色散补偿技术有i ：色散补偿光纤( d c f ) 、啁啾光纤光栅以及相 位共轭频谱反转等技术。 ( 3 ) 全光复用及解复用技术。o t d m 系统中多路信号的复用通常采用平面光波导 线路( p l c ) 集成制作而成。全光解复用器实质上是一二波光与门( 2 0 i ，其两个输入端 子之一是数据信号脉冲，另一个是从信号脉冲流中提取的同步时钟脉冲，光与门的输 出便是被解复用后的单信道数据信号。全光与门的基本原理是利用光纤克尔( k e r r ) 效 应，或半导体放大器( s l a ) 的增益饱和和交叉相位调制非线性效应。一种带有饱和 吸收段的二段式锁模l d 和含有s l a 的集成m z 型全光开关已出现。 ( 4 ) 全光时钟恢复。全光方法的重大意义在于它可以绕过电子瓶颈( 1 0 g h z 区) 的速率限制，使之能适应超大容量通信发展的要求。全光时钟恢复指的是用全光学方 法从归零码光脉冲信号中提取出低时间抖动( l p s ) 的同步时钟信号，以便把它分配 到o t d m 通信系统的解复用器，路由选择器，信道选择器和接收器等，超远距干线传 输系统的光信号再生也要用到它。因此时钟恢复对未来超高码率网络节点至关重要。 全光时钟提取器的机理一般基于二光波互作用引起的非线性相移。已成功用于实验的 光学非线性相位感测元件有两种，一是单模偏振保持光纤( p m f ) ，非保偏色散光纤也可 用，但效果较差；其二是行波半导体激光放大器( t w s l a 或简写为t w a ) 。值得注意 的是日本n e c 研究开发的一种带有饱和吸收体的二段式锁模激光二极管( m l l d ) ，可 用做全光时钟提取和解复用，简单而有效，只是因工艺难度高，还未达到产品化规模 生产水平，但前景光明。 目前，己被实验证实的时钟提取方案主要有四种，其一是由高速光探测器、高q 滤波器和高增益放大器来驱动l n 调制器的装置，或者是利用自脉动半导体激光器的 注入锁定等技术，都属于电钟提取，不能用于更高的速率，一般在2 0 0 b s 以内。其二 天津大学博士论文 是电光相锁环( p l l ) 技术1 2 2 1 ，这种方案较为成熟，用t w a 作梭相元件的钟提取器 已有谗多实验验证，已完成从5 0 g b s 到5 0 0 g b s 数攒绩号孛成功提取6 。3 g h z 或1 0 g h z 时钟信号的安验，输出钟脉冲的1 t 1 1 s 时间抖动 o 3 5 p s ，本方案的优点是成熟可靠，缺 点是昂贵复杂。第三秘方案是全光钟提取1 2 3 j ，e e 特信号脉冲淀入t w a ，通j 遣x g m 效 应而形成a m 锁模调制器特性，借此调制激光器腔损耗，或通过x p m 致棚移形成f m 锬模调制特性，从而锁定一个掺e r 光纾环行激光器的模相位，借以实现低对间抖动的 钟恢复( 该锁模激光器的输_ 嗽) 。璃t w a 俸锁模元件的形式多数是n o l m 结构，谗可 以单独接入掺e r 光纤环形激光器中。这种方案的优点是简单经济，缺点是存在码型效 应的影响，失谐容限，j 、( 簸 o 。) ，闲丽要求同步调节精细。筠种怒上述的秘嗣m l l d 器件构成时钟提取器。 o t d m 系统进袋： 1 9 9 6 年日本n t t 进行的时分复用传输实验有：1 0 0 g b s 4 0 h 1 0 0 k mt d m ，w d m 系统，1 0 0 g b s 5 6 0 k r nt d m 系统f 1 9 l ，1 0 0 g b s 1 0 c h + 4 0 k mt d m w d m 系绞窝 4 0 0 g b s x 4 0 k i nt d m 系统1 2 ”。这掇面的一些技术成就令人耳目一新：单信道码率 1 0 g b s ，o t d m 璐率4 0 0 g b s ，o t d m w d m 速率l t 熟珞，1 0 0 g b s 时夔党孛继黢襄1 0 0 k m ， 1 0 0 g b s 时的传输率长积为5 0 t b s k m 。脉宽为o 9 8 p s 时的光中继躐离4 0 k m ，4 0 0 g b s 数据傣号的瓣钝提取髑解畦分复用技术以及镂模e r 兜纾环形激光嚣( m l 。f r l ) 泵溱 单模光纤产生的超连续( s c ) 光源，其平坦带宽达到2 0 0 n m 以上，最窄脉冲宽度o 3 p s ， 时间挝动 o 2 p s ，它所拥有的现实容疑大于2 0 t b s ，就其技术指标露吉是一个理想的超 大容麓w d m t d m 通信光源。 1 9 9 8 年，日本n t t 研究所又实现了6 4 0 g b s 6 0 k m 和3 2 0 g b s 1 2 0 k m 的传输实 验1 2 $ t2 ”。光源是p l ，光纤锁模激光器，能产生低时问抖动静1 0 g h z 3 p s 赫冲，然聪耦 合入一色散渐减铒光纤放大嚣( d d - - e d f a ) ，绝热孤子压缩至2 5 0 f s ，再用一色散不 平衡菲线往必纤环形镜( d i - - n o l m ) 减少麓座。解复瑁弼用零色散色散平遛( z d d f f ) 非线性光纤环形镜( n o l m ) ，z d - - d f f 能减小脉冲展宽和群速度色散，这怒目 蓊已知靛o t d m 佟输技术豹最赢承平。茄癸，k o b a y a s h i 等入秘滔低温生长的 i n g a a s i n a l a s 多量子阱m l l d 实现了惊人的l t b i t s 解复用p o 。 垄堡查堂堕主堡兰 1 2 波长变换技术 w d m 全光通信网不仅能扩大信息传输容量，而且具有扩容灵活性和路由选择灵 活性。o x c 及o a d m 网络节点是w d m 全光网的核心技术，能够对多波长的光信号 进行交叉连接，具有透明的传输代码格式和比特率，交接连接容量大等特点。波长变 换技术是实现o x c 及o a d m 的关键技术之一，近年来倍受关注。 波长变换所具有的功能依系统所需而侧重点不同，但波长变换器件应具有如下特 征1 ：比特率透明性( 至少到1 0 g b s ) ；消光比( e x t i n c t i o nr a t i o ) 无劣化；高输出信 噪比( 可保证级连) ：输入功率适中( 约0 d b m ) ；对输入输出信号的响应带宽要宽( 在 较大波长范围内响应平坦、转换效率高) ；允许波长自身转换( 无转换) ：低啁啾；转 换建立时间短；偏振不敏感；易实现。 波长变换技术中，最简单的是采用光电方法，即用高速光电探测器接收到传输来 的信号，经过电放大，再用电信号去驱动所需波长的激光器，实现波长转换。这种方 法技术上较成熟，但产生较长的时间延迟，速率达不到1 0 t 3 h z ，而且随着系统的升级， 难度越来越大。全光波长变换技术由于在进行波长转换过程中没有电光光电转换过 程，从而可以绕过电子瓶颈的限制，获得更高的波长变换速率，适用于超高速光通信 系统。目前各种全光变换技术主要有： ( 1 ) 利用s o a 的x g m 和x p m 效应的波长转换 3 2 。3 】 信号光在s o a 中传输时，由于存在强度的起伏，它将通过消耗载流子引起的增益 饱和来调制s o a 的增益，载流子的消耗也会引起腔内折射率的变化，当探测波通过s o a 时，将会遇到受调制的腔增益和折射率影响，导致探测波的幅度和相位受到信号波的 调制，其结果是输出的探测波携带了信号波的信息。 不考虑x p m 效应时，便是上述简单的x g m s o a 波长转换，它有两种工作方式： 一是探测波和信号波同向注入到s o a ，它需要在输出端放置滤波元件以选取探测波信 号；另一种是探测波与信号波反向注入，输出端不需用滤波元件。但是需要说明的是， 由于当信号脉冲存在时，s o a 腔内增益达到饱和，探测波得不到增益而不会被放大； 而当信号脉冲不存在时探测波得到放大，所以输出信号是反码的，这就不适于占空比 较大、脉冲宽度很窄的超短脉冲通信系统。 若选取x p m 工作方式，需要在输出端将探测波信号解复用或将s o a 集成到干涉 6 天津夫学博_ = 论文 仪中。非线性环形镜( n o l m ) 、马赫一泽得干涉仪( m z i ) 和迈克尔逊干涉仪( m i ) 都曾用于实验。 利用s o a 的x g m 和x p m 原理设计的波长转换器件结构简单，体积小，转换效 率高，带宽大，但由于受到s o a 较低的载流子弛豫速度的影响，其转换速率被限定在 1 0 2 0 g b s ，而且转换后的信号依然存在较强的背景。利用s o a x g m 原理的波长转 换输出信号为反码，不适于大占空比、窄脉宽的高速通信系统，而且在进行长波长的 波长转换时消光比劣化严重；而s o a x p m 可以实现同码或反码波长转换，而且，采 用s o a x p m 效应实现波长转换相对于s o a x g m 波长转换具有需要的入射光功率 低、输出的波长转换信号谱宽较窄、啁啾小和消光比劣化效应小等优点。 ( 2 ) 利用在s o a 或光纤中的f w m 实现波长转换1 3 4 。5 l 泵浦光和信号光脉冲通过耦合器注入到s o a 中，如前所述，信号脉冲在s o a 内 将引起载流子浓度的变化，从而调制了s o a 增益和折射率，在s o a 内形成增益光栅 和折射率光栅( k e r r 光栅) ，通过s o a 的三阶非线性极化，在满足相位匹配的条件下 产生四波混频现象，产生的新频率分量就携带了信号光的信息，通过光学带通滤波器 取出四波混频信号，从而实现波长转换。如果将s 0 a 换成一段色散位移光纤，利用光 纤内的四波混频同样可以实现波长转换。二者的不同之处在于在s o a 内，是在主动介 质中产生四波混频现象，它比无源光纤内的四波混频效率要高，但频率失谐程度对四 波混频的效率影响较大。另外，光纤比s o a 具有更快的响应。 利用光纤和s o a 的四波混频实现波长转换的转换速率都很高，已有5 0 0 g b s 的实 验例证。而且由于四波混频信号携带了信号光的振幅和相位信息，输出信号透明度高， 但转换效率低，对不同波长的转换效率差别较大，而且输出信号信噪比较差。 ( 3 ) n o l m 波长转换i ”0 7 1 n o l m 由于具有非线性开关作用，所以被广泛地应用于时分复用的解复用和波长 转换系统中，如果将解复用中的时钟信号用传输线路中的信道信号代替，而将解复用 中的传输信号用连续探测波代替，它就成为一个波长转换器件。n o l m 包括一个3 d b 光纤耦合器( f c ) 、色散位移光纤( d s f ) 、偏振控制器( p c ) 和两个波分复用器( w d m l 、 w d m 2 ) 。对于f c 的输入端口的连续探测波，当w d m l 无信号光脉冲输入时，n o l m 对连续探测波起到全反镜的作用，f c 的输出端口无探测波透过；当由w d m l 注入信 天津大学博士论文 号脉冲时，在n o l m 内的d s f 中，相向传输的两束探测波由于受到信号脉冲的交叉相 位调制，所经历的相位差不再相同，此时n o l m 对探测波的透过率不再为0 ，f c 的输 出端口有探测波通过。信号脉冲在d s f 的另一端由w d m 2 输出。通过适当选取d s f 的长度、探测波和信号泵浦波的强度，就可以使n o l m 对探测波按信号光的调制频率 表现为完全透射，实现波长转换。另外还可以将n o l m 内的d s f 用s o a 代替以实现 x p m 效应，结构紧凑而且工作稳定。 利用非线性光纤环形镜制作的波长转换器不但原理和结构简单，而且由于直接采 用光纤内的三阶非线性效应，所以转换速率高，可达r i w s ，波长转换范围可以延伸到 整个e d f a 的增益带宽内，输出信号无强背景，但要求注入信号功率高，光纤长度较 长，受环境影响大，而且输出脉冲难免有展宽效应。 ( 4 ) 饱和吸收双稳特性激光器和光强调制的d b r 激光器波长转换1 3 “”1 可饱和吸收双稳特性激光器波长转换是在谐振腔内加入可饱和吸收体，它有两种类 型，一种是采用d f b 激光器，另一种采用d b r 激光器。这里只分析带饱和吸收体的 d b r 激光器实现波长转换的原理。它由两部分组成，吸收体( a b s o r b e r ) 和增益介质 ( g a i n ) 组成主动区，移相器( p h a s es h i f t e r ) 和d b r 组成波长调节部分。无信号光输 入时，调节电流使其小于阈值开启和阈值关闭电流，此时腔内增益小于损耗，无激光 输出；当信号光入射到吸收体时，由于饱和吸收作用，饱和吸收体“透明”，腔内净增 益超过阈值，就会形成激光振荡，输出波长为砩的光，k 光起控制作用。这时波长为k 的信号光携带的信息就被转换到波长为k 的光波上，完成波长转换。调节移相器和d b r 的偏置电流可改变d b r 的衍射波长，实现输出波长的调谐。由于有饱和吸收体，信号 光强在上升阶段和下降阶段对腔内净增益影响不同，造成输出光相对输入光表现为双 稳态，所以信号光的最小值要小于关闭闽值光强，最大值要大于开启阈值光强。 采用光强调制的d b r 激光器实现波长转换与利用带有饱和吸收体的激光器实现波 长转换不同之处是前者没有饱和吸收体，由于信号光的注入，它将通过载流子的受激 重组消耗载流子，改变了d b r 的折射率，调节移项器的偏置电流，改变d b r 的衍射 条件，使得d b r 激光器的谐振频率发生改变，实现波长转换。 采用饱和吸收双稳态激光器实现波长转换器件相对简单，而且结构紧凑，但由于 采用的原理是用信号光来饱和半