（电路与系统专业论文）基于锁模光纤激光器的锁相环特性的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 对于高速光纤通信系统而言，其理想光源是受人瞩目的、能输出高重复频率的、近 极限超短脉冲的主动锁模光纤激光器。超高速主动锁模光纤激光器因其具有可调谐，可 输出变换极限光脉冲，高重复频率，易于同步等优点而倍受重视，尤其是主动锁模掺铒 光纤激光器能工作在光纤通信的最低损耗窗口而备受青睐。但其难点是工作稳定性问 题。主动锁模光纤激光器要走向实用化，如何保证锁模光纤激光器稳定工作是关键。目 前国内外学者正积极开展此项研究工作，已提出了多种解决方案并已实验证实其理论的 可行性。其中采用锁相技术稳定锁模激光器的腔长，是提高光纤激光器稳定性能的一种 行之有效的方法，具有输出脉冲质量高，结构简单，成本低，同时稳定效果好，易于实 现的优点，锁相技术已成为锁模技术发展的方向之一。 针对现代高速通信系统对信号源的严格要求，要获得超强、超快、高纯度、高稳定 的光脉冲信号源势在必行。使用普通的锁相环难以达到要求，这就对锁相环路提出了严 格的要求：既要稳定度高，跟踪性能好，输出相位抖动低，又要捕捉范围大，锁定时间 短。但锁相环的设计难度比较大，性能往往不尽人意，特别是对输入信号的捕捉性能及 输出信号的抖动问题一直是锁相环设计中面临的一个难题，而且这些性能是相互制约 的，锁相环系统的设计面临着新的挑战。据此，本文的研究工作主要以现有理论和分析 设计方法为依据，寻找改善锁相环路性能的方法和途径。一方面在原有锁相环 ( p h a s e l o c k e dl o o p ：p l l ) 结构的基础上提出性能优越的子电路模块结构，主要体现在新 型鉴频鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的设计上：另一方面，锁相环路不再局限于简 单的p l l 结构，也对的增益锁相环、非线性锁相环和电荷泵锁相环( c u r r e n t p u m p p h a s e l o c k e dl o o p ：c p l l ) 进行了一定研究，从而改善锁模激光器的稳定性。 关键字：锁模；光纤激光器：锁相环；非线性；稳定性；滤波器 a b s t r a c t f o rh j 【g h - s p e e do p t i c a lc o m m t m i c a t i o ns y s t e m s ，t h ea c t i v em o d e - l o c k e df i b e rl a s e ri so n e o ft h em o s ta t t r a c u v es o u r c e si o rg e n e r a t i n gt r a n s l o r m - h m i t e d ，u l t r a - s h o r tp u l s et r a i nw i t ha h i g hr e p e t i t i o nr a t e e s p e c i a l t y , t h eu l t r a h i g h 印e e da c t i v em o d e l o c k e do fe r b i u m - d o p e df i b e r l a s e rr e c e i v e dg r e a ta r e n t i o nb e c a u s ei tc a ns t e a d i l yo p e r a t ei n 。t h e15 5 0 n mw a v e l e n g t h r e g i o n - - t h em i n i m u ml o s sr e g i o no fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，b u l t h em a i ni m p e d a n c eo ft h e a p p l i c a t i o ni si t si n s t a b i l i t y t h e r ea r em a i n l ys e v e r a lf a c t o r sa sf o l l o w s i t i st h e r e o f k e yp o i n th o wt om a k ei to p e r a t es t a b l yi f a c t i v em o d e - l o c k e df i b e r l a s e rw i l l b e c o m ea v a i l a b l eo p t i c a ls o u r c e a tp r e s e m t h es c h o l a r sa th o m ea n da b r o a da r ea c t i v e l y d e v e l o p i n gt h i sr e s e a r c hw o r k t h e yh a dp r o p o s e dm a n yp r a c t i c a ls c h e m e s t h ep r o b l e mo f s t a b i l i t yb e c a u s eo fi t sl o n gc a v i t yc a nb eo v e r c o m eb yu s i n gar e g e n e r a t i v em o d e l o c k i n g t e c h n i q u e w h i c h i sa l le f f e c t u a lm e t h o dt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo ff i b e rl a s e r t h i s r e g e n e r a t i v em o d e - l o c k e df i b e rl a s e rb o t l lc a np r o d u c eh i g hq u a l i t yp u l s et r a i n ，a n de x c e l l e n t r e s u l t s ，s i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt or e a l i z ec ta 1 p h a s e l o c k e dt e c l m i q u eh a sb e c o m eo n eo ft h e a t t r a c t i v em o d e l o c k e dt e c l m l q u e s w h e r e a s h i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eas t r o n gd e s i r et og a i nas i g n a ls o u r c e o f h i g hq u a l i t y t h a ti st os a y , i ti sn e c e s s a r yt og a i nu l t r a h i g hs p e e d ，h i g hp u r i t ya n dh i g h s t a b i l i t yo p t i c a lp u l s es i g n a ls o u r c e s h o w e v e ri ti so fg r e a td i f f i c u l t y t oa c c o m p l i s ho u r p u r p o s e su s i n go r d i n m 3 , p l l i tp r o p o s e ds t i l e tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rp l l ，n o to n l y h i g hs t a b i l i t y , g o o dt r a c k i n gp e r f o r m a n c ea n dl o w e rp h a s ej i t t e r , b u ta l s ol a r g ea c q u i s i t i o n r a n g ea n da c h i e v i n gl o c k i n gf a s t h o w e v e r , t h e r eo r es o m ed i f f i c u l t yi nd e s i g n i n ge x c e l l e n t p l l ，i t sp e r f o r m a n c ew a ss o m e t i m e sd i s s a t i s f i e d i np a r t i c u l a r , p u z z l e sw a s 】p r o b l e m so ft h e a c q u i s i t i o np e r f o r m 8 1 3 c ef o ri n p u ts i g n a la n dj i t t e ro fo u t p u ts i g n a l i np l ld e s i g n i n g ， f u r t h e r m o r et h e s ep e r f o r m a n c e si n t e r a c t e d ，s u c hp l ld e s i g n i n gw a sf a c e dw i t hn e w c h a l l e n g e s t h i sp a p e rm a i n l yf o u n dm e t h o d sa n da p p r o a c h e st oi m p r o v ep l lp e r f o r m a n c e b a s e do ne x i s t i n gt h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o d s o nt h eo n e h a n d t h es u p e rs t r u c t u r e so f s u b - m o d u l ec i r c u i tw e r ei n t r o d u c e db a s e do ，nb a s i sp l l ，e m b o d i e d 【o nt h en e wp h a s e f r e q u e n c yd e t e c t o r ，l o o pf i l t e ra n dv c o o nt h eo t h e rh a n d , i tw a sn ol o n g e rl i m i t e db y e x i s t i n gs t r u c t u r e so fp l l ，g a i np l l ，n o n l i n e a rp l la n dc u r r e n tp l lh a db e e ns t u d i e dy e t ，s o s t a b i l i t yo f t h ea c t i v em o d e l o c k e df i b e rl a s e rw e r ei m p r o v e d k e y w o r d s ：m o d e l o c k e d ；f i b e rl a s e r ；p h a s e - l o c k e dl o o p ；n o n l i n e a r ；s t a b i l i t y ；f i l t e r 独刨性声明 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 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名；莲数 日期：反础o o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：极指导教师签名： r 期：迎鲢型! ! ! 日 期： 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 引言 1 主动锁模光纤激光器发展现状及存在问题 光纤激光器由于其价格低廉，制作灵活，容易把能量耦合到光纤中等特点，日益成 为各国研究的热点。相信随着技术的日益成熟，光纤激光器在不久的将来有可能代替半 导体激光器成为光纤通信系统中的主要光源。特别是随着密集波分复用系统的发展，可 变波长的多波长锁模光纤激光器，在超高速光传输及光学测量系统中有重要的应用价 值，近年来取得了很大进展。被动锁模光纤激光器虽然可以产生脉宽为数十飞秒的变换 极限光脉冲，但它的稳定运行范围小，由于没有主动控制元件，锁模频率难以稳定控制。 主动锁模光纤激光器由于引入了损耗和相位调制，如采用谐波锁模可产生数千兆赫以上 脉冲串，并且方便地给出同步信号。不仅可以简化激光器的结构，还能提高系统的集成 度和稳定性。但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，利用主动锁模和孤子传输，将同步锁模技术和非线性光学环行 镜( n o l m ) 有机结合，消除了弛豫振荡、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。通过采用主被动锁模稳定方案，已得到了高质量的近变换极限锁 模孤子脉冲，脉宽为3 6 0 f s ，重复频率2 2 0g h z 的脉冲。，超模抑制比达到6 0 d b ，波 长漂移小于o 0 1 r i m ，单脉冲能量达到6 0 p j h 。 主动锁模光纤激光器由于具有诸多优点而倍受重视。但主动锁模光纤激光器中存在 两种稳定性问题，使其实用化受到限制。长期不稳定性是指主动锁模光纤激光器腔长及 光纤折射率容易受机械振动、环境温度等外界因素的影响，引起锁模激光器的腔长漂移， 造成光纤腔的失谐，致使主动锁模光纤激光器只能工作很短的时间。所以，如何稳定腔 长成为保证锁模光纤激光器稳定工作的关键，这也是国内外研究的热点。短期不稳定性 是指由于谐波锁模情况下，在全部采用由非保偏光纤及元件构成的谐振腔中，由于偏振 扰动，存在严重的弛豫振荡和超模竞争现象，会造成光脉冲抖动。另外，泵浦起伏也增 强了激光的波动特性，使激光波动幅值增加，稳定性变差。为了解决主动锁模光纤激光 器的稳定性问题，各国科研工作者根据选用的光纤及光纤无源器件性质提出了多种解决 方案。由于受元器件及造价的限制，已有的稳定技术不适于我国的国情，锁模光纤激光 器还未能实用化。当前有两种较为理想的解决锁模光纤激光器不稳定性问题的方案：一 种是在腔内放置由色散位移光纤、偏振器、偏振控制器组成的“非线性偏振旋转自稳幅 装置”，同时具有自动均衡光脉冲的幅度和减小光脉冲宽度两种功能，克服超模竞争和 张弛振荡造成的短期不稳定性；另一种是采用“闭环反馈误差信号锁定谐振腔光学长度” 法克服腔长漂移导致的失谐现象，提高了长期稳定性，实现了锁模光纤激光器在时域和 频域的稳定。比起以往方案，结构简单，成本低，同时稳定效果好，易于实现的优点”+ 。 为了保证光纤激光器能够更好的满足未来通信系统发展的高要求，对整机性能提出 了更高、更严格的要求。要获得超强、超快、高纯度、高稳定的光脉冲信号源势在必行。 鉴于锁相环具有独特的窄带跟踪特性和良好的噪声抑制特性，它己广泛应用到通信、电 子测量等各个领域，随着现代通信技术的快速发展及各种精密光学器件的不断出现，有 希望在未来高速通信领域中发挥其优势，提高传输模式的稳定性及信号传输的准确率， 真正实现远距离、无中继的无差错通信。 2 ，锁相环的基本特征及应用要求 锁相技术是专门研究系统频率、相位关系，实现频率、相位自动控制的一门科学。 锁相技术在无线电自动控制技术的应用中，经历了三个时代：第一代是自动增益控制 ( a g c ：a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) ；第二代是自动频率控制( a f c ：a u t o m a t i cf r e q u e n c y c o n t r 0 1 ) ；第三代为自动相位控制( a p c ：a u t o m a t i cp h a s ec o n t r 0 1 ) 。锁相就是相位同步 的自动控制。采用锁相技术完成两个电信号相位同步的自动控制系统叫做锁相环，简称 为环路。锁相环路是一个输出信号相位能够跟踪输入信号相位的一种相位反馈的闭环跟 踪控制系统，环路锁定之后，平均稳态频差等于零，稳态相差为一固定值，跟踪输入信 号的频率变化的精度很高，实现了很好的跟踪作用。 锁相环之所以备受青睐，是因为它具有独特的性能，概括起来就是“稳”、“窄_ ，、“抗”、 “同步”。“稳”是锁相环的基本性能，输出信号频率稳定地跟踪输入信号频率，锁定后 频差为零，因此可以用锁相环构成稳频系统。“窄”是指锁相环具有窄带跟踪性能。利 用其窄带特性，可以用它实现窄带跟踪滤波器，可以很好地选择所需要频率的信号，能 够跟踪淹没在噪声中的微弱信号，从输入已调信号中提取载波信号，而且易于控制，因 此在通信中得到了广泛的应用。“抗”是指锁相环具有抑制噪声特性，杂散抑制也很好， 并且避免使用大量滤波器，十分有利于集成化和小型化，因此它被广泛应用于抗噪声干 扰的装置。“同步”是指锁相环具有同步跟踪性能，它的输出信号相位可以跟踪输入调 角信号的相位，而且频率选择范围较大，因此被广泛应用于调角信号的解调。鉴于上述 种种独特功能，锁相环得到了快速发展。 使用普通的锁相环难以达到光纤通信系统的高速率要求。这就使锁相环系统的设计 面临着新的挑战，要求其既要稳定度高、跟踪性能好、工作频率高、输出相位抖动低， 又要捕捉范围大，锁定时间短。但涉及到信号与系统、半导体工艺、模拟集成电子学、 射频和测试方法等很多方面，其设计难度比较大，其性能往往不尽人意，特别是对输入 信号的捕捉性能及输出信号的抖动和相位噪声问题一直是锁相环设计中面临的一个难 题，而且这些性能往往是相互制约的，提高系统中一个性能，就要牺牲系统的其它性能。 在锁相环诸多性能要求中，锁相环的跟踪性能、捕获性能、对噪声的抑制能力等是锁相 环的重要性能，直接决定着锁相环性能的好坏。它们之间也存在着对立与统一，集中体 现在环路参数。、f ，k 的选择上，环路的各种性能与环路参数国。、f 密切相关。如 为了减小输入噪声引起的v c o 相位抖动，环路带宽应尽可能窄，如果环路带宽小，则 锁相环的压控振荡器模块成了主要的输出噪声源：为了减小跟踪相位误差，环路的带宽 应尽可能宽；为使p l l 快速锁定，需要提高p l l 的阻尼系数或减小固有频差，但这会 使环路的等效噪声带宽太大，降低环路滤除噪声性能，往往难以满足实际需要；如果加 大输入信号的固有频差而提高p l l 的捕捉带和同步带，又会延长其捕捉时问和增加相位 噪声，设计锁相环时需要综合考虑这些矛盾“。 3 论文的主要内容 介绍了主动锁模光纤激光器的发展及锁模机制，重点分析了影响主动锁模光纤激光 器稳定工作的因素。针对“闭环反馈误差信号锁定谐振腔”的锁相稳定腔长法克服腔长 失谐的原理，对锁相环路提出了改进方法。主要以现有理论和分析设计方法为依据，寻 找改善锁相环路性能的方法和途径。重点研究了锁相环的捕捉特性，对其主要技术指标 ( 捕捉带、捕捉时间) 作了详细的分析，并介绍了几种提高p l l 捕捉性能的方法；分析 了通过改变环路参数来提高环路性能的必要性，重点指出了环路的关键部件一环路滤波 器的工作原理及对提高环路性能的优越性，并详细给出了环路滤波器的设计公式的推导 和理论分析。简单分析了环路的相位噪声来源及其对环路输出信号的影响，同时对锁相 环的跟踪特性、稳定性和相位噪声的抑制能力等各项参数指标进行了研究，也给出了设 计p l l 的一些注意事项和定性的结论。通过计算机m a t l a b 软件模拟实验来验证了设 计方法的可行性，并与理论结果进行了对比分析，对提高主动锁模光纤激光器的稳定性 具有非常好的指导意义。最后在电荷泵锁相环的基础上提出了一种新型的锁相环结构一 一电流型锁相环( c u r r e n t p u m pp h a s e l o c k e dl o o p ：c p l l ) 。 第一章锁模光纤激光器的锁模机理及稳定性问题 光纤激光器以其光束质量好、效率高、阈值低、可调谐、紧凑小巧和高性能价格比 等备受青睬。上个世纪9 0 年代以来，由于光纤通信的迅猛发展和需求，促使人们研制 出高性能锁模光纤激光器，特别是作为高速通信系统光源的掺铒锁模光纤激光器，出于 它的激射波长恰好位于通信光纤的低损耗窗口1 5 5 t i n ，很适合用作光纤通信的光源。 这使光纤激光器的实用化成为可能，并显示出十分诱入的应用前景。锁模光纤激光器具 有许多明显的优势；一方面光纤激光器的腔结构比较灵活，可以是线形腔，也可以是环 形腔，而且腔内可调参数多，能够很方便的利用锁模技术产生满足各种需要的宽调谐高 重复频率的超短脉冲；另一方面，光纤具有明显的非线性，诸如自相位调制( s p m ) 、 交叉相位调制( x p m ) 、群速度色散( g v d ) 、非线性偏振旋转( n p r ) ，合理地利用这 些特性不仅能方便地实现被动锁模，而且能有效地改善锁模脉冲的质量。 锁模光纤激光器按照激射波长可分为1 0 6 0 n m 波段和1 5 5 0 1 m 1 波段两种；按照增益 光纤掺杂介质的不同，经常用到的掺杂光纤主要有掺e r 、y o 、n d 、e r y b 等；按照锁 模机制的不同，主要分为：主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器。被动锁模光纤 激光器是利用光纤的非性效应作为锁模机制，理论上可直接产生f s 的光脉冲，而激光腔 内无需任何的主动器件，它的结构简单，是真正的全光器件，可以充分利用掺杂光纤的 增益带宽。但它的不足之处在于：存在着不稳定因素，温度、压力等环境因素变化以及 较长的光纤长度引起的非线性效应的影响等等，都使输出脉冲重复频率的稳定度变差， 不能外界调控。为解决这个问题可将光纤的长度缩短至1 0 m 以下，并选用高双折射光纤； 也可采用f = p 腔的一个腔镜利用f a r a d a y 旋转器实现稳定工作，实际上也往往会受到种 种因素的影响，稳定性问题未能彻底解决。由于主动锁模光纤激光器具有可调谐、可输 出变换极限光脉冲( 无需消啁啾) 、高重复频率、易于同步等优点，成为通信系统产生商 重复频率超短脉冲的首选技术之一；或者将主被动锁模机制结合起来使用，进步改善 锁模光纤激光器的输出脉冲质量。本文仅就主动锁模光纤激光器的稳定问题进行研究。 1 1 主动锁模光纤激光器的锁模机理 发展高速、大容量光纤通信是当前国际上光通信研究的主要方向，波分复用( w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 技术是克服光器件和电子器件瓶颈，提高光通信容量的有效途径。 其中4 0 g b s 的w d m 光通信已接近商品化，而实验系统的最高速率已达1 2 6 t b s 。o t d m 目前虽然还不成熟，但是它能克服w d m 技术中固有的一系列限制，受到各国研究者的 重视，已实现了6 4 0 g b s 、6 0 k m 的传输。由于单纯增加波分复用路数将增加技术复杂程 度和成本，因此采用o t d m 技术提高w d m 单一波长的信道容量无疑是进一步增大容 量的有效办法。主动锁模光纤激光器由于具有可调谐、可输出变换极限光脉冲( 无需消 4 啁啾) 、高重复频率、易于同步等优点，成为o t d m 和w d m o t d m 关键技术研究的基 础器件。日本n t t 、英国b t 、美国的a t & t 以及美国、英国、日本、德国、意大利、 瑞典、俄罗斯、墨西哥等国的知名实验室均进行了主动锁模光纤激光器的研究。目前最 高重复频率可达4 0 g h z ，最窄的光脉冲达3 5 p s 。 所谓主动锁模光纤激光器主要是指在激光腔内插入主动的调制器件( 如l i n b o 。调 制器、声光调制器、全光纤调制器等) 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，也就是利用外加的光学调制脉冲串引入光纤激光器中 的非线性相位微扰作为产生锁模脉冲的机制。主动锁模又可以分为两类：振幅或相位调 制损耗的方法和同步锁模的方法，即利用与腔基频相等的重复频率周期性调制激光增 益。主动锁模光纤激光器的研究主要集中在：倍频谐波锁模技术；波长可调谐锁模光纤 激光器和多波长锁模光纤激光器；锁模光纤激光器的稳定技术；输出脉冲的窄化；超连 续谱光纤激光器。 ：了泵浦二极 毫一、 泵浦二极管t z y z i 盖。匹、 中可调滤波器光隔离器中 堞艳彝习婴毛尊粤 l 一 长腰稳定装置 参囊苦j参考腔“l _ j ”j 图1 1 主动锁模光纤激光器的结构图 典型的主动锁模光纤激光器的结构如图1 1 所示。特别是在使用中心波长在1 5 5 0 n m 的掺铒低色散光纤，可以利用环行腔产生超短脉冲，一般光纤长度不超过1 0 m ，处理起 来也比较方便。为避免偏振态变化，环形腔可以采用偏振保持光纤。隔离器可以避免反 向传输的波以及不同偏振态之间的模式竞争。掺铒光纤提供腔内的增益。腔内的主动锁 模器件是一个高速l i n b 0 3 调制器，它对光波的调制方式有两种：一种是振幅调制( 损 耗调制) ：另一种是相位调制。在主动锁模光纤激光器中，产生的脉冲与外界条件决定 的射频调制信号同步。调制器在正弦电压信号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。由 于l i n b 0 3 调制器是偏振敏感元件，所以常在调制器前利用一个偏振控制器来调节入射 到调制器的光场偏振态。光隔离器用于确保主动锁模光纤激光器处于单向运转，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。为了避免超模噪声，在腔内插 入长度稳定装置。长度稳定装置可精确调节腔长使其与调制频率相匹配。两个泵浦激光 二极管通过波分复用器耦合对掺e r 3 + 光纤两端泵浦，通过滤波器和偏振控制器使得腔内 只有某一波长( 如1 5 5 4 u m ) 的t m 模振荡，而与偏振无关的光隔离器确保光单向传输， 最后激光脉冲经光纤耦台器输出。主动锁模光纤激光器的研究进展如表1 所示1 2 i 。 表1 主动锁模光纤激光器研究进展 年份研究人员锁模方式特点重复频率脉宽稳定一忖 1 9 8 9j d k a l k a主动镇模1 0 m h z 4 p s 1 9 9 0 me f e r r n a n n 主动锁模n d 光纤激光器利用孤子整形d s 1 9 9 2h a r v e 、i e r 光纤，主动锁模 l g t l z 1 0 p s 1 9 9 5n t t全保偏环形腔主动锁模光纤激光器6 3 g h z 1 9 9 6ey o s h i d a有理数谐波主动锁模 8 0 2 0 0 g h z 1 9 9 91 2 y a m a m o t o 色散渐减掺e r 光纤，绝热孤子压缩 2 0 0 1 、s 1 9 9 9k t c h a n 半导体调制，有理数谐波锁模技术 2 0 g h z 2 0 0 0k c b a n半导体调制，有理数谐波锁模技术1 0 ( i h z非常稳定 1 2 主动锁模光纤激光器稳定问题及实现稳定工作的方法 在主动锁模光纤激光器的研制中，难点是工作稳定性问题，各国的研究人员根据选 用的光纤及光纤无源器件性质而采用不同的解决方法以得到长期稳定运转，由于受元器 件及造价的限制，还未实用化。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。由于主动锁模光纤激光器腔长较长( 通常为几 十到几百米) ，腔长及光纤折射率容易受机械震动、环境温度等外界因素的影响，引起 锁模激光器的腔长漂移，造成光纤腔的失谐，致使主动锁模光纤激光器只能工作很短的 时间。将这种不稳定称为长期不稳定性。所以，如何稳定腔长成为保证锁模光纤激光 器稳定工作的关键，这也是国内外研究的热点。 ( 2 ) 与谐波锁模技术相伴的超模噪声和弛豫振荡的影响。由于谐波锁模情况下一 个腔模并不是与其相邻的纵模锁定在一起，而是与其相邻的n 个腔模间隔的模锁定在一 起；每组相互锁定的模式称为一个“超模”。激光器中存在许多组超模，超模间的竞争 及弛豫振荡会造成光脉冲抖动，称之为短期不稳定性。与此同时在电频谱上存在很强的 背景噪声。弛豫振荡的频率是1 0 k h z 量级，超模的噪声是m h z 量级。 ( 3 ) 泵浦起伏也增强了激光的波动特性，使激光波动幅值增加，稳定性变差。 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，有关偏振隔离器，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。 超模噪声是影响主动锁模光纤激光器稳定性的一个重要因素，是光纤锁模激光器的 主要噪声源，也是谐波锁模技术所固有的一种相位噪声。1 9 9 3 年，s h a n 等提出用p z t 鼓技术来消除超模噪声【引。同年，a t & t 的h a r v e y 等又使用了在谐振腔内插入窄带f - p 滤波器的方法，使滤波器的自由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 4 l oo n o d e r a 提出了一种用复合腔抑制超模噪声的理论1 5 l ，从而有效 地减少了谐波锁模光纤激光器中的超模数。但是p o t t i e z 等在最近的实验研究中发现这种 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【6 j ，在此基础上，采用“非 线性偏振旋转自稳幅装置”克服超模竞争和张弛振荡造成的短期不稳定性可进一步提高 6 光纤激光器稳定性。 1 2 1 非线性偏振旋转自稳幅方法 图1 2 是采用非线性偏振旋转自稳幅装置的主动锁模光纤激光器的典型结构示意 图，锁模器件是l i n b 0 3 调制器，在入射端插入一个偏振控制器，用于调节光的偏振状 态，保证最佳的调制效率。只有当调制频率与腔长严格匹配，即调制频率f m 等于纵模间 隔整数倍( f m = n x c n l ，1 3 为折射率，l 为腔长，n 为整数) 时满足锁模条件，主动锁模光 纤激光器内的脉冲才能每次经过调制器时都能获得最大的透过率，从而不断被压窄并形 成锁模光脉冲。 在全部采用由非保偏光纤及元件构成的谐振腔中，由于偏振扰动，存在严重的弛豫 振荡和超模竞争现象。为了解决主动锁模光纤激光器的短期不稳定性，在腔内放置由色 散位移光纤、偏振器、偏振控制器组成的“非线性偏振旋转自稳幅装置”，适当调节偏 振控制器的状态，当光脉冲因扰动而增强时，由于“透射”减小( 即损耗加大) 而被减弱； 当光脉冲因扰动而减弱时，由于“透射”减小( 损耗减小) 而增强，因而当腔内存在超模 竞争、弛豫振荡等不稳定因素使腔内光强波动时，可以自动均衡光脉冲的幅度。仔细调 节偏振控制器的状态，可以自动均衡光脉冲的幅度；而对于脉冲两翼而言，却是一个“饱 和吸收体”，具有对强光损耗小，弱光损耗大的特性，可促使光脉冲的窄化。因此“非 线性偏振旋转自稳幅装置”具有自动均衡光脉冲的幅度和减小光脉冲宽度两种功能。 图i 2 典型主动锁模光纤激光器装置 1 - 2 2 闭环反馈误差信号锁定谐振腔光学长度法 最常用的控制腔长变化的方法是采取再生锁模技术【7 】，在此基础上发展了利用压电 陶瓷( p z t ) 来改变光纤腔长的锁相环( p l l ) 技术。利用这一技术，可以使激光器输 出光脉冲的重复频率始终保持不变【8 】。图1 1 中的锁定电路可采用锁相环路来稳定锁模 光纤激光器的腔长，由此来改善激光器稳定性。图1 3 是采用锁相技术稳定腔长的压控 反馈锁模光纤激光器的结构图，称为压控反馈锁模锁相环( p l l ) 光纤激光器。采用这 种“闭环反馈误差信号锁定谐振腔光学长度”的方法克服腔长漂移导致的失谐现象，可 以产生稳定的变换极限皮秒脉冲，对高速的光系统来说有非常可观的应用前景。实现了 锁模光纤激光器在时域和频域的稳定，避免了以往方案中为了检测低速率的腔长变化， 不得不采用高速率器件( 如p i n ) 的时域检测方案的弊端，可以大大简化系统，降低系 统的成本1 9 1 1 ”】。 因为，反馈锁模光纤激光器的调制频率是从锁模脉冲本身提取出来的，具有非常好 7 的长期稳定性【8 j 。当纵模拍频之间的瞬时频率变化时，甚至存在外界干扰时，反映瞬时 频率变化的理想反馈信号被用作调制频率，由此通过反馈自身的拍频信号而自动地达到 反馈锁模。但这种反馈锁模技术存在一个弊端，也就是在自由运转条件下，腔长不稳定 时，重复频率随时间而波动。由此，必须把锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率稳定在 一个固定频率点上。基于这种考虑，我们采用一种固定频率的补偿锁模技术，输出脉冲 的稳定度可以达到l o 一，主要取决于外加合成器的稳定性。另外，使用压控反馈锁模技 术可以做到零频差锁定外部时钟信号，关键在于：反馈锁模光纤激光器本身起光电压控 制振荡器( o p t i c a lv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ：o v c o ) 的作用，光纤腔的一部 分被缠绕在p z t 上，腔长随加在p z t 上控制电压而改变，激光器的输出脉冲频率也就随 其改变。因为，振荡器是一个光控自振荡回路( o v c o ) ，当直流电压改变时，脉冲频率 也稳定地改变，即激光器输出信号的重复频率受锁相环输出的直流电压控制。 图i 3 采用锁相技术的锁模光纤激光器结构图图i 4 锁相调频稳定光纤激光器结构图 锁相环控制部分由本身的自震荡回路组成：产生外部时钟信号的频率合成器、高频 压控晶体振荡器( v o l t a g e c o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r ： v c o ) 、双平衡混频器及比例 积分反馈环路。时钟提取电路由高速光探测器、频率为1 0 0 h z 的高q ( 1 4 0 0 ) 电介质 滤波器和高增益放大器组成。为了使锁模光纤激光器中的锁相环工作，外部的时钟信号 瞬时地反馈到激光腔内维持振荡是非常必要的。为了获得激光器纵模问的正弦谐波拍频 信号，激光器输出光束的一部分被祸合到时钟提取电路中，经过相位控制器调节后，拍 频信号被放大，再反馈到l i n b 0 3 强度调制器中，从而实现反馈锁模。 来自激光器的正弦时钟信号与合成器的参考信号混频，输出的拍差频接近零时，环 路锁定。如果激光器的时钟信号与合成器的参考信号频率相等，相位差为0 ，( r ) ，双平衡 混合器的输出为s i n 0 , , ( t ) ，时钟信号与的参考信号存在相位偏差，这种情况下，时钟信 号的相位延迟被转化为线性电压，作为检测相位变化的误差信号。误差信号经过比例积 分电路滤波后被v c o 反馈给p z t ，通过p z r 调节光纤腔长，激光器本身自动移相，使 其输出与参考信号同相。一旦激光器系统被锁定，输出信号的频率将会准确跟踪参考信 号频率，使相位差为以( ，) 恒为零，这样在合成器的稳定范围内，输出脉冲频率被锁相控 8 制环路稳定在合成器的时钟频率上，输出脉冲的频率稳定性与合成器的稳定性相同。如 此反复调节就可以实现激光腔的长时间稳定，保证激光器稳定工作，克服主动锁模光纤 激光器的长期不稳定性。 1 2 3 锁相调频反馈控制稳定频率法 结合前两种稳定方法的思想可以得到另一种稳定输出频率的方法，如图1 4 所示。 锁相调频的原理是通过改变调制频率来改变输出波长或其它影响稳定性的因素。反过 来，当输出波长或其它影响要素改交时，可以得到调制频率的交化量，根据这个变化量， 通过锁相反馈控制装置，能够补偿由于腔长变化引起的频率变化，因为腔长漂移最终可 以通过波长或其它影响要素的变化表现出来【l ，这样就可以通过敏感器件( 如波长锁定 器) 进行检测，进而得到腔长变化的信息，通过反馈控制机构就有可能实现腔长的稳定。 腔长反馈控制部分是由波长敏感器件和控制电路组成的。由耦合器输出的锁模脉冲 部分进入波长敏感器件，波长敏感器件可以检测输出波长的偏移方向和偏移量并产生偏 移误差信号，对其进行处理后提供给锁相环路，锁相环路再将误差信息反馈给调制器， 来控制调制频率，补偿激光腔引起的频率变化，从而实现对激光器腔长的反馈控制。输 出的信号经过一段负色散的普通单模光纤对啁瞅进行补偿，可以得到压窄的脉冲。可见， 在腔长发生微小变化情况下，光脉冲信号经过调制器时与调制信号之间存在一相位差， 并与腔长的失谐成正比。因此可以作为误差信号来判断腔长漂移的大小与方向，此误差 信号控制调制频率的变化，从而达到稳频的作用。 采用锁相稳频技术的锁模光纤激光器，由于具有输出脉冲质量高，结构简单，成本 低，同时稳定效果好，易于实现的优点，是提高光纤激光器稳定性能的一种行之有效的 方法。而且锁相环具有独特的窄带跟踪性能和良好的抑制噪声陛能，通过合理选择环路 参数可以在满足解调要求的条件下使用闭环带宽尽可能窄，有效的抑制相位噪声，为获 得超强、超快、高纯度、高稳定的光脉冲序列，在未来通信领域中发挥其优势，提高传 输模式的稳定性及信号传输的准确率，真正实现远距离、无中继的无差错通信。 1 3 基于锁模光纤激光器的锁相环介绍 1 3 1 基于锁模光纤激光器的锬相环的基本结构及工作原理 在主动锁模光纤激光器的研制中，难点是其稳定运转问题，影响主动锁模光纤激光 器稳定工作的因素，归结为由于温度漂移使谐振腔的光学长度发生变化造成腔长失谐以 及偏振扰动、超模竞争造成的短期不稳定。采用闭环反馈误差信号锁定谐振腔光学长度 方法克服腔长失谐。这项技术使得主动锁模光纤激光器自稳定运转成为可能。在主动锁 模光纤激光器中，锁相环不仅提供了一种产生多信道分支的方法，而且是解决锁模光纤 激光器稳定性的一种有效途径”1 ，光频锁相技术将被广泛应用于光信号处理中。 应用于锁模光纤激光器的锁相环的基本结构与传统锁相环的结构类似，也是由鉴相 器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c o ) 等模块组成，它的简化结构如图 1 5 所示。不同之处在于：对环路各组成部件的性能提出了更严格要求。信号激光器发 9 出的信号光经过隔离器后，由聚焦透镜耦合入光纤，输出的光信号为平衡接收机前的 p 1 n 所接收，用其构成平衡接收机可减小激光器强度噪声的影响，并可抑制平衡接收机 输出端的强直流成份，平衡接收机将光信号转化为电信号。鉴相器比较来自锁模光纤激 光器平衡接收机输出的电信号和本地压控振荡器的参考电信号之间的相位差，如果锁模 光纤激光器的输出信号与参考信号频率相等，相位差为只( f ) ，输出为s i n 0 ，( f ) ，产生与 相位差成正比的误差控制电压，作为检测相位变化的误差信号。误差电压经过低通滤波 器滤除高频成份及附加噪声后得到直流电压，直流电压控制v c o ，v c o 根据控制电压 的变化改变其输出频率为0 9 电信号，通过负反馈，将其反馈给信号激光器。信号激光 器通过p z t 、光纤延迟线等装置调节光纤腔长，最终使激光器的脉冲信号与本地信号同 频率和相位，并由此来保证输出信号的相位及频率的稳定性。如此反复调节就可以实现 激光腔的长时间稳定，保证激光器稳定工作，克服主动锁模光纤激光器的长期不稳定性。 信号l 光 激光器r 叶i 耦台器 骥嚣 l 热卜一i 撼h 勰il 耦合器r 。一i 振荡器r 1 滤波器i_-j 图1 5 基于锁模光纤激光器的锁相环基本原理框图 p d 是锁相环中很关键的一个部件，其主要技术指标有：( 1 ) 鉴相特性形状：( 2 ) 鉴相增益；( 3 ) 输入信号的泄漏；( 4 ) 工作频率及输入、输出阻抗：( 5 ) 对频率的鉴别 能力。为了改善相环性能总对这些技术指标提出相应要求，锁模光纤激光器的锁相环中 鉴相器常使用双平衡混频器。实际上，p d 的电路形式很多，有模拟的、数字的和取样 的；鉴相特性有正弦形、三角形和锯齿形，如图1 6 。 l l a 【1 ：p 1 a 丙。一。 4 汀吨 煦 ”嚷西 图1 6 ( a ) 正弦形鉴相特性( b ) 锯齿形鉴相特性( c ) 三角形鉴相特性 环路滤波器l f 是一个线性低通滤波器，其作用是滤除鉴相器误差电压v d ( t ) 中的高 频成分和噪声，起到平滑滤波的作用，以保证环路稳定、改善环路跟踪性能和噪声特性。 它是一个非常重要的部件，对环路参数的调整起着决定性的作用，同时对环路的各项性 能指标都有着重要的影响。传统上常使用的环路滤波器有r c 积分滤波器、无源比例积 分滤波器、有源比例积分滤波器三种形式，它们是由r 、c 元件及运算放大器构成，因 为它是一个线性系统，使用传递函数就可以表示它的基本特性。详见表1 1 所示。 压控振荡器( v c o ) 是整个锁相环系统中最重要的单元，是把滤波器输出电压转换 为相位的装置。v c o 受滤波器输出电压v 。( t ) 的控制，使其振荡频率和相位，朝着接近 输入信号的频率和相位的方向变化，直至环路锁定。压控振荡器的以下参数很重要：1 ) 1 0 控制范围；2 ) 抖动和相位噪声；3 ) 电源和衬底噪声的抑制能力；4 ) 输入输出特性曲 线的线性度k o ( 压控灵敏度，r a d s v ) ；理想情况下v c o 的振荡频率随输入控制电压线 性地变化，实际应用的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这