（电磁场与微波技术专业论文）光纤环形激光器及光子晶体光纤在有源器件中的应用.pdf

北京邮电大学博士论文 光纤环形激光器及光子晶体光纤在有源器件中的应用 摘要 本论文的工作分为两个部分，前一部分研究了双泵浦主动锁模光纤激 光器的研制，利用s a g n a c 干涉环对脉冲的压缩以及s a 班干涉环多波长 光纤激光器的研制。后一部分讨论了光子晶体光纤在有源器件中的应用。 光子晶体光纤是二氧化硅空气微结构光纤。由于它在色散与非线性诸多 方面具有普通单模光纤没有的特性，它能在一个较宽的频带内保持单模特 性，它的零色散点可以在8 0 0 n m 1 6 0 0 衄之间变化，它的纤芯可以比较小 而产生较大的非线性，y 值在8 5 0 玎m 处可达到2 4 0 w l 。1 。故从1 9 9 6 年 第一根光子晶体光纤出现就引起人们广泛的兴趣。但由于其单价目前还比 较昂贵，损耗也比单模光纤大，要在近期利用光子晶体光纤代替常规单模 光纤进行长距离传输是不可能的。但利用它做成有源器件，在光通信中， 特别是波分复用系统中使用是很有前途的，如宽带色散补偿、光脉冲压缩、 波长变换、超连续谱产生和光放大等。本论文在深入研究光子晶体光纤特 性基础上，对光子晶体光纤在脉冲压缩，超连续谱产生和光子晶体光纤中 参量放大进行深入研究。本论文的主要工作如下( 黑体部分为创新性工 作) ： 研制了双泵浦l o g h z 锁模掺铒光纤激光器，简要的回顾和总结了 实现超短脉冲压缩方法，从实验上实现了利用s a g n a c 干涉环对脉 冲的压缩。利用s a g n a c 干涉环的开关特性，环中低能量的噪声被 s a g n a c 干涉环反射回去，有效消除噪声、改善脉冲质量。在多波 长光纤环激光器中，通过控制偏振控制的器可以方便实现双波长 和三波长激射。双波长激射时，激射波长分别为1 5 5 8 7 8 n m 和 1 5 5 9 0 2 n m ，相应的3 d b 带宽分别为o 0 1 8 n m 和0 0 1 9 n m 。三波长 激射时，中心波长分别为：1 5 5 8 6 1 n m 、1 5 5 8 7 6 n m 和1 5 5 9 0 3 n m ， 3 d b 带宽相应为0 0 2 啪、o 0 1 6 n m 和o 0 2 6 l l i i l 。实验中还发现， 随着激射波长数的增加，激射波长的稳定性降低。 详细介绍了光子晶体光纤的几个突出优点：单模传输特性、高非 线性效应、可控色散特性和双折射特性。在此基础上，讨论了光 子晶体光纤在有源器件中的应用，同时介绍了它在各应用领域中 的优势。 北京邮电大学博士论文 利用小纤芯光子晶体光纤构建的光纤激光器，在同等泵浦条件下， 该光纤更容易产生非线性效应，在研制激光器时不仅可以节约光 纤而且可以在很大程度上降低泵浦条件，这对于激光器的实用化 和商业化是十分有利的。在我们的研究成果中，国内首次在光纤 环激光器的环形腔中引入一段色散和非线性系数分别为 l “p s ，( 1 珊1 曲) 和3 6 、7 l r k m 1 的光子晶体光纤，利用孤子压缩得 到窄脉宽、大谱宽的脉冲输出。同时，估算了相应的脉冲为基阶 孤子输出。 系统分析了自相位调制、四波混频和受激拉曼散射等因素对光子 晶体光纤中超连续谱产生的影响。在国内首次利用5 0 m h z 被动锁 模光纤环激光器为光源，正色散平坦光子晶体光纤为非线性介质， 利用光纤的非线性效应进行超连续谱产生的实验。实验结果表明： 对锁模激光器输出的1 6 p s 脉冲经掺饵光纤放大器放大后注入光 子晶体光纤，得到2 0 d b 带宽超过2 3 7 n m 的超连续谱。同时对皮 秒脉冲致超连续谱产生的因素进行了分析。 采用被动锁模光纤环激光器做为光源，色散平坦光子晶体光纤为 非线性介质，利用光纤的非线性效应进行超连续谱产生的实验。 利用该激光器高功率输出端口产生的6 8 9 f s ，1 5 5 0 n m 的锁模脉冲 注入一段4 0 m 长的光子晶体光纤，获得2 0 d b 谱宽达4 3 9 n m 的超 连续谱。利用该激光器波长可调谐的特性，从实验上获取不同泵 浦波长下超连续谱的产生。 从理论上分析了光子晶体光纤参量放大器的增益特性和带宽特 性，找出光子晶体光纤的非线性系数和色散等参数对参量放大的 增益和带宽的影响，其数学模型采用由非线性介质中光的传播方 程导出的耦合波方程。然后，利用一段色散平坦光子晶体光纤构 建了光纤参量放大器，实现了参量放大和3 d b 带宽范围内最大转 换效率约为2 6 d b 波长转换。 关键词：光纤通信光子晶体光纤光纤激光器超连续谱参量放大器 波长变换 北京邮电大学博士论文 摘要 f m e r 础n gl a s e ra n da p p u c 觚o n so fp h o t o n i c c r y s ，】! ：a lf ；e r 矾a c t n 吧d e c e s a b s t r a c t t l l ei c 砌w o r l ci n 也i sd i s s e 咖i o nc o v e 璐b o m 丘1 ) c rr i n gl 觞e r 缸d a p p l i c a t i o n so fp h o t o n i cc r y s t a l 丘b e ri na c t i v ed c 、，i c 髂f 0 r 丘b c rr i n gl 鹞 d u a l p u m pm o d e - 1 0 c _ k e de r b i u m - d o p c d 肋e rr i n g1 a s 舔w e l l 私c o m p r e s s i n g o 砸c a lp u l s eb yu s i n gs a 驴c ai n 慨m e t i sd 啪删c d a l s o ，a s 、) l ，i t c h b l e 咖l t i w a v d g m 丘b 口r i n gl a s i e r 1 ) i ，i t h s a 印i n t e i f a 舳e t e rh 勰 b e e nd c v c l o p e d a sf 缸a sp h o t o n i cc r y g t a lf i b e ri sc o 姒期谳，“i s 也e 颤【b e r 1 ) l r i t hap e r i o d i cm i c r o s m l c u r ci na i r 西a s s c 咖p a r e d 、) l ，i t hc o n v e n t i o n a l s i n g l e m o d e 曲e r p c fh a ss o m eu n i q u ec h 掘i c t 嘶s n c ss u c h 嬲c o n n o n a b l e d i s p e r s i o na i l dh i g hn o n l i n e a t i 哆i tc a l ls u p p o r te n d l e s s l ys i n 9 1 e l o d eo v e ra b m a ds p e c t m lr a n g e ，a sw e l la st h ez e r o - d i s p e r s i o nw a v e l e n g t hc a i lv a r yf 如m 8 0 0 n mt ol6 0 0 n m p c fh a sh i g hl e v e lo fn o n l i n i e a t i t yd u et ot h es m a l lc o r e d i a m e t e r a l l dv a l u e sa sh i 曲a sf 2 4 0 、矿1 k m 。a t8 5 0 n mh a v eb e e nr e p o r t e d s i n c et h ef i r s tp c fi si n v e n t e di n19 9 6 ，i th a sg a i n e di n t e n s ea t t e n t i o n f o rt h e e x p e n s i v ep n c ea n dh 讪l o s sc o m p a r c dw i t hc o n v e n t i o n a ls i n g l e - m o d e 肋盯， i ti si m p o s s i b l ef o rl o n gd i s t a n c et m n s m i s s i o ni nt a k ep l a c eo fc o n v e n t i o n a l f l b 既h o w e v a c t i v ed e v i c e sb a s e do np c fc a ne x p e c tas 舐e so fn c w 印p l i c a t i o n s i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns u c ha sb r o a d b a n d d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ，o p t i c a lp u l s e c o m p r e s s i o n ，w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ， s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o na n do p t i c a la m p l i f i c a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c so fp c f ： a p p l i c a t i o n s o fp c fi n p u l s ec o m p r e s s i o n ， s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o na i l dp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o na r ei n v e s t i g a t e di n d e t a i l t h er e s e a r c hw o r i ( si nm ed i s s e r t a t i o na r es u m m e r i z e da sf o l l o w s ： 10 g h zd u a l 巾u m pm o d e - l o c k e de r b i u m - d o p e d 肋e rr i n gl a s e ri s d e m o n s t r a t e d t h es c h e m e so fu l 妇s h o r tp u l s ec o m p r c s s i o na r e r e v i e w e da n ds u n h n 撕z c db r i e n y ：p u l s ec o m p r e s s i o nu s i n gs a g n a c i n t e r f b m m e t 盯h a sb e 明e x p e r i m e n t a u ys t l i d i e d a c c o r d i l l gt ot h e s w i t c h i n gc h a m c t e r i s t i c so fs a g n a ci n t e “b m m e t e bt h en o i s ew i t h l o w 蛐e r 嚣c a nb en n e c t e db yt h es a g 眦ci n t e m r o m e t e lt h u s ，i t i sh e i p f u lt oe k m i n a t et h e 帅s i ea n di m p m v et h eq u h t yo fp u i s e f o rs 、j l ，i t c h a b l ei n u l t i w a v e l e l l g t l l 肋e rr i n gl a s t h e1 勰e rc a nb e 北京邮电大学博士论文摘要 d e s i 弘c dt oo p 咖ei nd u a l w a v e l e n g 也o r 仃i p l e - w a v c l 昏hm o d e 柚dt h el a s i n gm o d ec a nb ec o n 仃o l l e db yap 0 1 a d z a t i o nc o n t r o n 既 d u a l w a v d 锄蚰0 p 锄匝o na t1 5 5 7 7 8 蛐锄d1 5 5 9 0 2 n mc 弛b e ob t ；a i l l c d t h ec o f r i o s p o n d i n g3 d bb 锄d 埘d t l li so 0 1 8 衄柚do 0 1 9 n n l a l ，啷l e w a v d g l ho p e r a t i o na t1 5 5 8 6 l 衄，1 5 5 8 7 6 衄觚d 1 5 5 9 0 3 n mc 锄b co b s e r v e d a n dm ec o m 靴d i n g3 d bb 觚d w i d mi s 0 0 2 n m ，0 0 1 6 衄锄d0 0 2 6 衄m o r e o v i ti sf o u n dt h a tm el a s i n g i s1 e 鼯s t a b l ew h t h e 删n i b e r so f l 舔i n gl i n 嚣i n c r c a s e 嗽lp m 】幽tm 耐t so fp ( 墨鳓c h 鸹p r o p e r 够o fs i n g l cm o d e t r a n s m i s s i o n h i 曲n l i n e 撕劬 c o n n d l l a b l e d i s p e r s i o n 锄d b i r e 伍n g e n c ea r es y s t e m a t i c a l l yr c 、，i e w e d a l s o ，a p p l i c a t i o n so fp c f i na c t i v ed e v i c e sa n dp o t e n t i a la d v a n t a g 舔a r ci n t r o d u c e d f o rf i b e rr i n gl a s e rb a s c do np c f i tc a nl a 玛e l yi m p r o v et h ep u m p e f h c i e n c yf o rs a m ep u m pp o w e rc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i a lf i b e ra n d r e d u c et l l e 肋e r l e n g t hb e c a u s ep c fh a sh i 曲l e v e lo fn o n l i n i e a t 姆 d u et ot h es m a l lc o r ed i a m e t e r i ti sh d p f h lt 0m e e tt h ep r a c t i c a la i l d c o m m e r t i c a ld 锄a n d s i no u rr e s e a r c hw o r i p c fw i t hd i s p e r s i o n p a r a m e t e r o f 1 6 4 p s ( n m 1 i n ) a n dn o n i i n e a r p a r a m e t e r o f 3 6 、矿1 k m 。1a r ei n t r o d u c e di n t ot h ef i b e rl a s e ra n dn a r r o wp u l s e t r a i n sw i t hb r o a d s p e c t r u m c a nb e o b t a i n e d b y s o l i t o n c o m p r e s s i o n e f 董b c t s a l s o ， t h e o u q ) u tp u l s e i se s t i m a t e da s f h n d m e n t a ls o l i t o n s e v e r a lf h c t o r sc o n t r i b u t i n gt os u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o n ( s c ) ，s u c h a s s e l f p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) ，f o u r w a v em i x i n g ( f w m ) a n d s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，a r ea i l a l y z e di nd e t a i l b yu s i n g 5 0 m h zm o d e - l o c l i n g 肋e rr i n gi a s e r ，s cc a nb eo b t a i n e df 而m d i s p e r s i o n n a t t e n e dp c r t h eb a n d w i d t ho f2 3 7 n m ( a t2 0 d bl e v e l ) i sa c h i e v e db yl a u n c h i n g1 6 p sp u l s e si n t oas e c t i o no fp c e m o r e o v e r ，t h ep m c e s s e su n d e r l y i n gs p e c t r a lb r o a d e n i n g a r e a n a l y z e d b yu s i n gp a s s i v e i ym o d e - i o c 船n gn b 盯r i n gl a s e bs cc a nb e o b t a i n e df 而mm s p e r s i o n - n a t t e n e dp c f t h e s u l t ss h o wt h a t b a n d w i d t ho f4 3 9 砌( a t2 0 d bl e v e l ) c a nb ea c h i e v e db yl a 哪c h i n g 6 8 9 f sp u l s e si n t oas e c t i o no fp c f s s ca td i f r e r e n tw a v e l e n hc 锄 一i v 北京邮电大学媾士论文 b e 曲f t a m c db yt l | n i n g 也ep l m l pw a v d e n g i ho f 也ep 勰s i v e l y 啪d b l o c k t 丘b e fr i n gl a s e r 1 kg a i nc h a r a c t c r i s t i 趾db 锄埘d n lo fo 面c a l脚e t r i c 砸叫丘b c f ( o p a ) b a s e d p c fa a d d r 嚣s e dm 潮e t 吣m r c l 撕伽l s h i pb c 怕静鼬也c 班o p e l t i 鹤o fp ( 嚣蛐c h 笛n l i n 五t ya n d d i 删o n 觚dc h 觚t c f i s t i o fi p aa 地a 蚰l y z e d t h cm o d a li s b a s e do nc m p l e de ( 脚o n sd e r i v e d 蠹o m 缸孤l 锄i 髑拍咀戗i i l a t i o n so f l i g h 钾哪c t h c n w ep r i 唧獬蛐o p ab a s e d 衄p c e 弧e 懈l i l 忸 幽o wn 忸tm a 如u m 伽m v a 噶i o ne 伍c i e n q ，j sa b o 硼i t 2 6 d m k e y 帅r d $ ：0 硼c a l 丘b 盯c o n 瑚u n i c 撕。盥，p h o t a 面cc 巧s t a lf i b f i b e f r i n gl a s s 坤e r c o n t i 加u mg e n e r a t i o n ，o p t i c a lp a r 锄e t r i c锄p l i f i w 打e l e n g m c o n v e r s i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名：名么；址日期：j 绝巧乙_ j l 二l 关于论文使用授权的晚明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公白学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、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遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名： 擎生经 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 现代光通信系统中关键有源器件的发展现状 由于光纤巨大的传输容量和优越的传输性能，光纤通信已成为信息基础设旄的重 要支撑技术，是骨干传送网和城域网中信息传输的主要方式。在过去的3 0 多年中，光 通信的迅速发展使网络传输容量产生了质的飞跃，使通信网络的面貌发生了翻天覆地 的变化，并对人类社会的信息化产生长久、深远的影响。随着因特网的迅速普及以及 宽带业务的兴起，人们对信息的需求日益增长，几乎是每半年翻一番。在这样的背景 下，信息高速公路建设受到人们的广泛关注。而作为信息高速公路的核心和支柱的光 纤通信技术更是成为研究的重点。 经过近4 0 年的迅猛发展，光纤通信已经从点到点通信向点到多点的全光高速密集 波分复用( d w d m ) 系统网络推进l l 】。而全光密集波分复用技术的近一步发展有赖于 新型光通信器件的应用。从宏观上看，光纤通信主要包括有源器件和无源器件。有源 器件包括光源( 发光二极管、半导体激光器、光纤激光器) 、光电检测器( 光电二极管、 雪崩光电二极管) 和光放大器( 掺稀土光纤放大器、半导体激光放大器、光纤拉曼放 大器等) 以及由这些器件组成的各种模块等。无源器件包括光连接器、光耦合器、光 衰减器、光隔离器、光开关和波分复用器等。随着d w d m 系统的进一步发展，光通 信系统对有源器件的性能提出了更高的要求，弓l 起了人们广泛的关注。以下重点介绍 光纤激光器、超连续光源和光放大器等有源器件的发展状况。 1 1 1 光纤激光器 光纤激光器与现有通信系统匹配、易于祸合、可方便地应用于光纤通信；易实现 单模、单频运转和超短脉冲运行；可以在较宽的光谱范围内调谐；因此受到人们的广 泛关注。如果光纤激光器在增益带宽内存在大量纵模运转，当各纵模频率间隔相同且 相邻纵模问相位差为常数时即可获得锁模激光脉冲输出。根据锁模方式不同，可分为 主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。由于主动锁模调制能力有限，限制了锁 模脉冲的宽度，脉冲宽度通常为皮秒量级。被动锁模或自锁模光纤激光器是利用光纤 或其它元件中的非线性光学效应实现锁模的，激光器结构简单，在一定条件下不需要 插入任何调制元件就可以实现自启动锁模工作。实现锁模的方法主要包括腔内插入半 导体可饱和吸收体、非线性光纤环形镜以及非线性偏振旋转器件作等效可饱和吸收体。 加成脉冲锁模特别是主动锁模光纤激光器可以产生高质量、高重复频率、波长可调谐 的光脉冲，并且与传输光纤有良好的兼容性，是d w d m 中比较理想的超短脉冲源。 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 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 年代中期研制成功以来，锁模技术取得了长足的进展1 2 j ，而今，美国例m 缸公司已经 生产出重复率为l o g h z ，在1 5 5 0 姗处实现主动锁模时脉冲宽度1 2 p s ；利用可饱和布 拉格反射器作为被动锁模器件，可实现1 2 泊脉冲输出近年来，用s a 弘干涉环作 等效可饱和吸收体构成的混合锁模光纤激光器受到人们的广泛关注网。s a 驴干涉环 的基本原理是：入射光波被3 d b 耦合器分成幅值相等、传输方向相反的两个部分，并 受到与强度相关的自相位调制( s p m ) 和交叉相位调制( ，m ) 等非线性效应的作用 而产生非线性相移。透射光功率随入射光功率的增加非线性增加，由于光脉冲不同部 分的强度不同，光脉冲峰值部分将得到较大程度的透射甚至完全透射，而脉冲前后沿 的透射较弱，这就产生一种等效的饱和吸收体效应，使输入的光脉冲经过透射后得到 压缩。如此周而复始，逐渐形成稳定的锁模运转。 1 1 2 超连续谱光源 近年来，对通信系统的传输容量提出了更高的要求，减小信道间隔和增加信道数 成为密集波分复用技术进一步发展的趋势。能同时发射几个波长的多波长光纤激光器 对波分复用系统十分重要。当前，d w d m 通信系统中使用的激光器都是分立的光源， 系统扩容时，每增加一个波长就需要对应一个激光器，而随着波长密集程度的不断提 高，多个激光器之间的波长i b j 隔控制难度越来越大，使系统的成本大大提高，同时也 使系统的可靠性不能得到很好的保证。多波长光源不仅大大降低系统的运行成本，还 可以使网络实时监控变得简单易行。 在众多多波长光源中，超连续谱( s c ) 光源具有大均匀带宽、可灵活提取任意带 宽的多个中心波长组分，高相干性能和高稳定性等优点，被广泛应用于t b i t s w d m o t d m 系统2 1 、光学相干断层成像【1 3 j 15 1 、光学频率测量【i p l 7 肄领域。 超连续谱是指强光束通过非线性光学材料时，出射光谱中产生许多新的频率成份， 导致光频谱宽度远大于入射光脉冲宽度。在此过程中多种非线性效应都对光谱展宽有 贡献，主要包括：光学介质中自聚焦、自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激 拉曼散射等。衡量s c 谱的两个重要参数是光谱带宽及其平坦性，为了获取宽带平坦 超连续谱，人们尝试了不同的超连续谱泵浦源和多种非线性介质。对于产生s c 谱的 激光器有：超短脉冲激光器l 8 删，o 开关激光器1 2 1 删、甚至连续激光器【2 3 创。 目前，产生s c 谱的光纤主要有色散位移光纤【2 5 五8 】、锥形光纠2 ”2 1 、光子晶体光 纤( p c f ) 【3 3 3 6 】等，其中，单模光纤中产生s c 谱的技术已经比较成熟，p c f 中s c 谱 的产生是近年来的研究热点，研究表明使用p c f 可以产生宽带平坦的s c 谱。 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 1 1 3 光放大器技术 光信号在光纤中传输，由于光纤的损耗将使光信号随光纤线路的延长而呈指数规 律衰减，这无疑大大限制了光纤的通信距离。为了延长光信号的传输距离，需要对光 信号放大。光放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中 的关键部件之一。它的出现，促进了光d 怕d m 技术和光孤子通信走向实用化，节省 了大量的中继器，实现了光纤通信系统通信容量平滑升级，降低了成本此外，光时 分复用，光频分复用，相干光通信等多种性能优越的光通信方式得以实现和逐步实用 化也得益于光放大器。 目前的光放大器主要有以下三种类型：半导体光放大器、掺杂型光纤放大器和非 线性光纤放大器。 利用处于粒子数反转状态的半导体p n 结对光的增益效应来实现对光信号的放 大，这就是半导体光放大器( s o a ) 的工作原理。半导体光放大器的结构与l i ) 大体 相同，按端面反射系数的大小，s o a 可以分为行波型光放大器和f p 腔型。若在法布 里珀罗( f p ) 腔的两个端面不镀产生反射的介质膜，或者镀上增透膜则可形成行波 型光放大器。若在f p 腔的两个端面镀上反射率较低的介质薄膜，就可以形成f p 型 光放大器。s o a 具有快的动态增益特性、价格低、能耗小、宽的带宽，可以工作在o 6 1 6 啪任意波段，易于与其他器件集成等优点。旱在1 9 6 2 年发明半导体激光器不久， 人们就开始对s o a 进行研究。在w d m 系统中，s 0 a 可以作为前置放大器、线路放 大器以及功率放大器，然而在多信道放大时，s o a 容易引起交叉增益饱和、交叉相位 调制以及四波混频等问题，影响通信系统的性能，目前的光纤通信系统中一般不采用 s o a 作为光放大器。 掺杂型光纤放大器，主要是在光纤介质中掺杂一些稀土会属，并利用稀土金属离 子作为激光工作物质束进行光放大的器件。这些作为激光工作物质的稀土会属离子掺 入光纤纤芯即形成掺杂光纤。目前应用的掺杂型光纤放大器主要是掺铒光纤放大器 ( e d f ：a ) ，e d f a 是理想的光放大器：耦合损耗低、噪声低、增益高、输出功率高、 与信号光的极化状态无关且所需泵浦功率低。e d f a 在w d m 系统中广泛使用，w d m 之所以能在近十年得到迅猛发展，主要是由于e d f a 的出现。为了满足系统升级的更 高要求，e d f a 的性能也需要进一步改进，主要集中在提高输出功率、提高其增益平 坦性、通过滤波技术降低其噪声指数，具有动态增益控制功能等。e d f a 增益带宽通 常只有3 5 1 l | i l 左右，随着d w d m 系统的发展，扩展光放大器的增益带宽是提高w d m 信道数量和传输容量最有效的方法。于是对其潜在长波段( l 波段，1 5 7 0 1 6 1 0 l m ) 也越来越受到了重视。但由于l 波段远离铒离子发射谱中心，增益很低，因此如何提 高l 波段e d f a 的增益，使l 波段的增益达到c 波段增益的相当水平，从而形成c + l 宽带放大器，已成为e d f a 的研究重点。为了能在较宽频带范围内有增益平坦和增益 北京邮电大学博士论文第一章绪论 自动控制避免增益竞争，会分别增加增益均衡器和自动增益电路等。 非线性光纤放大器主要是利用光纤的非线性效应来实现光放大，其中主要有：受 激拉曼散射( s r s ) 光纤放大器、受激布里渊( s b s ) 光纤放大器和四波混频效应( f w m ) 的光纤放大器。 光纤拉曼放大器( f i 认) 靠受激拉曼散射来实现光放大，它包括分立式光纤拉曼 放大器和分布式拉曼放大器。分立式f i 认所用的光纤增益介质比较短，一般在1 0 0 0 m 以内，对泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦，可产生4 0 d b 以上的高增益，用来 对信号光进行集中放大，主要用于e d f a 无法放大的波段。分布式f r a 所用的光纤比 较长，一般为几十千米，泵浦功率可降至几百毫瓦，主要辅助e d f a 并用于d w d m 通信系统性能的提高，抑制非线性效应，降低信号的入射功率，提高信噪比，进行在 线放大。分布式f l 认具有在线放大，延长传输距离，实现长距离、无中继传输和远程 泵浦的功能，非常适合用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合；由于其放大是 沿着光纤分布作用而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减小，从而使非线性 效应，尤其是四波混频效应大大减小，因此适用于大容量d w d m 系统。 现行的光纤通信系统中使用的e d f a 存在信号功率大容易产生非线性效应、f r a 存在效率低，需要多个代价昂贵、大功率、不同波长的泵浦激光器等缺点，而且它们 在解决色散问题的时候，都需要外接一段色散补偿光纤，无疑阻碍了系统进一步朝小 型化、低造价方向的发展。近年国内外研究者纷纷把目光转向另一种基于光纤非线性 效应一四波混频( f w m ) 效应的光参量放大器( o p a ) 技术。o p a 以其高增益、宽带 宽、具有相敏特性( 可实现o d b 自发辐射噪声放大) 【3 m 9 】、产生闲频光( 在信号放大 的同时产生波长变换) 等显著优点在光通信领域引起了人们的关注。随着研究的进展， 光纤o p a 技术得到了较快发展，光纤0 p a 技术在光通信中有着广泛的应用，比如在 线放大柏1 ，归零码的产生，光时分复用f 4 2 1 ，透明波长变换4 3 舢l ，全光取样【4 5 】等等。 早期的o p a 采用普通的1 5 5 m 波段的色散位移光纤，典型参数为非线性系数是 2 w 一k m ，色散斜率为0 0 7 p 讥( 1 1 1 t 1 1 1 1 2 ，非线性系数较小，色散斜率又较大，所以 放大效果不理想，必须采用数千米长度的光纤才能获得l o d b 以上的增益，而且在太 长的作用长度下，相位匹配条件十分苛刻，泵浦光的波长必须严格限制，带宽很窄( 一 般小于1m ) 。而近年来出现的高非线性光纤( h n l f ) ，非线性系数能达到 1 0 w 一k m 。以上，同时色散斜率降到o 0 3 p s l m n 2 以下，采用它作为o p a 的非线 性作用介质，大大减少了所需的光纤长度( 一般几十到几百米即可) ，从而增加了转换 带宽( 大于2 0n m ) 郴】，再引入一定的色散补偿方法，增益带宽能被进一步提高到1 0 0 咖 以上，采用双向传播环或双泵浦技术，偏振敏感性问题也能得到解决，实用性大大增 强。 由于p c f 的结构易于设计，容易控制光的行为，设计一种自身具有色散控制、非 北京邮电大学博士论文第一章绪论 线性效应小，泵浦功率小、体积小且宽带的光子晶体光纤放大器是完全有可能的。近 年来国内外许多学者开始了光子晶体光纤放大器( p c e a ) 的研究 综上所述，下一代光通信网络将以光纤放大器和波分复用技术为核心。为了适应 快速发展的光通信系统的需要，宽带光纤参量放大器和多信道超短脉冲源的研究日益 成为研究热点。特别是光子晶体光纤的出现后，基于光子晶体光学的有源器件的研究， 使下代光通信技术获得突破性进展成为可能 1 2 基于光子晶体光纤的有源器件的研究意义及进展 新兴的光子晶体光纤( p c f ) 有时被称为多孔光纤( h o l e y 丘b 盯) 1 4 刀，有时也称为 称微结构光纤( m i c 涮翘l 曲，r e d 丘b 盯) 。在扫描电子显微镜下观察时，光纤的核心 由空心韵空洞囝绕中心区域形成规则的二维图样。自从? 1 9 9 6 年第一根光子晶体光纤拉 制以来【4 州，其生产工艺日趋成熟。而今，在空气孔一石英光子晶体光纤的微结构中 可以在1 岬的尺度上精度控制到ln i n ，因此这种光纤中色散、双折射、非线性系数 等关键的光学特性可以很好的控制；此外，在周期性光子晶体包层中，光子带隙的位 置和宽度也能够很好的掌握。跟普通单模光纤相比，p c f 的出现不仅改善了光纤已有 的性能，还可能引入新的性能，比如在纤芯中空的光纤中实现近乎无损耗传输。 对单模光纤来说，纤芯包层的相对折射率差约为o 4 ，纤芯直径p 约为 4 5 岬l 。由于纤芯一包层的相对折射率差小，容易引起弯曲损耗并且群速度色散( g v d ) 和双折射难以控制。虽然纤芯包层的相对折射率差可以提高到约1 0 f 5 1 】，单模纤芯 直径变得很小，但由于吸收和瑞利散射的增加，光纤的衰减也随之增加。此外，普通 单模光纤依靠全内反射导光，在中空纤芯中导光是不可能的。 光子晶体光纤在色散与非线性方面具有普通单模光纤没有的特性【5 2 _ 5 3 1 ，它能在一 个较宽的频带内保持单模特性【州，它的零色散点可以在8 0 0 1 6 0 0 砌之间变化，它的 纤芯可以比较小而产生较大的非线性，在8 5 0 砌处，y 值可达到2 4 0 w k m 。故从 光子晶体光纤问世以来就引起人们广泛的兴趣。但由于其单价目丽还比较昂贵，损耗 也比单模光纤大，要在近期利用p c f 代替常规单模光纤进行长距离传输是不可能的。 但利用它做成有源器件，在光通信中，特别是波分复用( w d m ) 系统中使用是很有前 途的。如宽带色散补偿【5 5 - 轫、光脉冲压缩f 5 8 - 5 9 1 ，波长变换【】、超连续谱产生【“6 5 l 和 光放大l 删等。本论文将在对光子晶体特性深入研究基础上，主要研究光子晶体光纤在 超连续谱的产生和光纤参量放大器中的应用。 1 2 1 光子晶体光纤中超连续谱的产生 宽带相干光源的应用有利于提高光纤通信系统的容量，对具有宽带频谱的超连续 谱脉冲源来说，其光谱经阵列波导光栅切片后，可以提供多个超短脉冲波分复用信道。 北京邮电大学博士论文 第一章绪论 先前的许多实验显示该光源具有良好的性能。但由于所用光纤的长度很长以及环境变 化会引起的输出脉冲不稳定，为避免这些问题，使用较短的光纤是十分必要的。为了 减小产生有效超连续谱所用的光纤【6 7 l ，则必须增加光纤的非线性或者增加入射脉冲的 泵浦功率。最近的实验表明，光子晶体光纤的有效非线性系数在纯硅中可以高 7 0 w 一h i i - i ，而在复合玻璃中在1 5 5 0 n m 波长处可以高达5 5 0 w 一1 m 卅【醯】。该值是 普通色散位移光纤的2 0 和2 多倍，这使得利用很短的光纤产生超连续谱成为可能。 此外，通过在光子晶体光纤中引入非对称性结构，使得传输光的偏振态的保持成为可 能。这表明，光子晶体光纤已经展示在超连续谱的产生方面是种有效的介质。 超连续效应在光子晶体光纤中的大多报道是在反常色散区进行泵浦，或者零色散 波长在可见光波长和红外波长区。大多数实验利用飞秒脉冲进行泵浦【融删，这使得光 谱得到极大的展宽；从4 0 0 n 面到1 7 5 0 i 】m 。皮秒脉冲泵浦只能得到较窄的光谱，可是 由于这种激光光源较便宜，在实际中得到了很好的应用。此外，利用纳米脉冲产生超 连续谱的实验也有报道。 研究表明采用光子晶体光纤使产生超连续谱所需要的光强度大大降低。在标准光 纤中，产生超连续谱需要的光强度至少比p c f 中需要的光强度高两个数量级，因此 采用较低能量的飞秒孤子光脉冲即可产生宽带的超连续光谱。 2 0 0 0 年，j k r a n k a 等人报道了采用未经放大的1 1 j 量级的飞秒脉冲在p c f 中 产q 三了2 个倍频程( 4 0 0 1 6 0 0 1 1 1 1 1 ) 的超连续光谱。随后在2 0 0 2 年，w h r e e v e s 等报道 在软玻璃p c f 中也能产生极宽的超连续光谱【7 l 】。他们用波长为1 5 5 0 n m 、脉宽为1 0 0 f s 、 平均功率为3 0 m w 的脉冲在7 5c l l l 长的p c f 中产生了从3 5 0 1 1 m 到2 2 0 0 1 1 m 的超连续 光谱。在2 0 0 6 年的一个实验中，香港大学的k k c h o w 等人用平均功率为o 1 m w 的 7 5 0 f s 脉冲在一段6 4 m 长的色散平坦光子晶体光纤中产生了1 4 7 0 n r n 至1 6 5 5m 范围 的超连续谱q 。 在2 0 0 3 年的一个实验中，月麦的p e t e ra n d r e a sa n d e r s e n 等人报道了用皮秒脉冲 泵浦得到的超连续谱【7 3 】。实验中产生脉冲序列的具有l o g h z 重复率的锁模光纤环形激 光器。产生的脉冲序列被掺铒光纤放大器( e d f a ) 放大至3 0 d b m 的平均功率，再在一 个非线性脉冲压缩器中进行压缩。高非线性光子晶体光纤长5 0 i i l ，零色散波长为 1 5 5 2 枷，非线性系数是1 8 w 一1 d 1 1 i ，双折射估计是1 1 l o - 4 。考虑到光纤的双折射 效应，在光予晶体光纤之前放置了偏振控制器。实验结果显示，o 3 p s 至2 5 p s 的皮秒 脉冲泵浦得到的超连续谱范围从1 5 5 2 脚持续到l - b 锄d 。在这一波长范围的超连续谱 可用于连续光时钟的传输。 产生超连续谱的激光光源一般都是皮秒和飞秒脉冲，使用纳秒级的激光脉冲作为 光源的实验有报道。当不同量级的脉冲经过光学介质时，产生的超连续谱的情形也不 相同。2 0 0 3 年w j w 甜s w o n h 等人用重复率k h z 的纳秒脉冲泵浦得到了超连续谱，其 北京邮电大学博士论文第一章绪论 波长范围是5 0 0 - 1 7 5 嘶2 0 0 6 年，gg t y 等人把被动调q 的n d ：y a g 激光器在 1 0 6 4 n m 波长处产生的平均功率为1 2 0 n 1 w 的2 螂脉冲，注入光子晶体光纤中产生超连 续谱【圈，实验中所用光予晶体光纤长度1 5 m ，纤芯尺寸2 i i m ，填充因子为o 6 5 ，零色 散点波长为7 5 0 加l 和1 6 7 0 姗。在没有在光子晶体光纤中填充乙炔时，超连续谱范围 是从1 岬到1 7 | l m 1 2 ，2 光