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摘要 在当前的高速光通信系统中，光源的选择是至关重要的，我们需 要波长精度非常高，多个波长间隔固定，且出射脉冲非常窄的光源。 因此，主动锁模光纤环型激光器以其固有的优势成为高速光通信系统 中的首选光源。 本文首先阐述了主动锁模光纤环形激光器的基本原理，并采用 a b c d 矩阵分析方法对其进行了分析。通过对大色散腔的特性的研 究，得出了大色散腔主动锁模光纤环形激光器具有较好的稳定性和抑 制噪声能力。通过对主动锁模光纤环形激光器的谐振特性的研究，进 一步分析其特性。 j 目前在主动锁模光纤环型激光器的研究中，面临的主要问题是稳 定性较差。在实验室的环境中，一般也就能够稳定工作几个小时。 该激光器的不稳定性可以分为短期不稳定性和长期不稳定性。短 期不稳定性表现为：在腔长与调制频率匹配的条件下，输出光脉冲的 幅度仍然不停抖动，光谱也不断变化。这主要归结为豫弛振荡和超模 竞争这两个因素的影响。长期不稳定性则表现为：当稳定时，激光器 满足谐波锁模的条件，即调制频率与腔长严格匹配，而当调制频率或 腔长发生变化，容易造成失锁，激光器将不能输出稳定的脉冲波形。 由于光纤对外界环境敏感，如随温度的变化伸长缩短以及折射率的变 化；另外微波频率也会漂移，这些都造成调制频率与腔长不匹配，影 响激光器的长期稳定性。 目前解决短期不稳定性的方法是抖动腔长和在激光器中加入f p 腔滤波器。前者可以消除超模竞争，但会加剧弛豫振荡；后者的主要 问题是会带来较大的插入损耗。 解决长期不稳定性的方法是引入反馈电路，通过反馈信号来不断 调节主动锁模光纤环激光器的腔长或调制频率，使二者保持匹配。在 实际设计中，有多种不同的反馈方案，也各有优劣。 由于长期不稳定性对于主动锁模光纤环激光器的影响较大，我的 论文研究也将主要集中在消除激光器的长期不稳定性上，同时兼顾短 期不稳定性的消除，以及主动锁模光纤环型激光器在高速光通信系统 中应用的其他问题。 关键词：主动锁模，超模竞争，光时分复用，波分复用 a b s t r a c t i t s v e r yi m p o r t a n tt oc h o o s i n gh i 曲l yr e l i a b l eu l t r a - s h o r to p t i c a l p u l s es o u r c e s i nc u r r e n th i g h s p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w e n e e dt h eo p t i c a lp u l s es o u r c e sw h i c hh a v eh i g h l yw a v e l e n g t hp r e c i s i o n ， r e g u l a rw a v e l e n g t hi n t e r v a l ，a n dg e n e r a t i n gv e r ym u c hn a r r o wp u l s e s a s a p r o m i s i n gc a n d i d a t e ，t h ea c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rr i n gl a s e rh a sb e e n u s e di nt h eu l t r a - h i g hs p e e do t d m w d mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a tf i r s t ，t h ep r i n c i p l eo ft h ea c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rr i n gl a s e ri s d e m o n s t r a t e d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t p u tp u l s e si ns u c hl a s e r a r es t u d i e di nd e t a i l t h e o r e t i c a l l y a n dn u m e r i c a l l yw i t ha b c dm a t r i x f o r m a l i s m t h e l a r g e r n o r m a l d i s p e r s i o n f i b e r r i n g o ft h e a c t i v e l y m o d e l o c k e dl a s e rw i t ht u n a b l ew a v e l e n g t hi s s u g g e s t e d a n dt h eg o o d p r o p e r t y o nt h en o i s er e d u c t i o na n ds t a b i l i t ye n h a n c e m e n ti ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y r e s o n a n c ec h a r a c t e r i s t i co fa c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rr i n g l a s e ra r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l y i nt h i st h e s i s ，w eh a v ea n a l y z e dt w oi n s t a b i l i t yo ft h ea m l e d f l ： s h o r tt e r n i n s t a b i l i t ya n dl o n gt e r mi n s t a b i l i t y s h o r tt e r mi n s t a b i l i t y s h o w st h a tt h ea m p l i t u d eo f o u t p u tp u l s ef l u c t u a t e st h o u g hc a v i t ym a t c h e s t h em o d u l a t i o n f r e q u e n c ye x a c t l y t h e m a i nr e a s o n so fs h o r tt e r m i n s t a b i l i t ya r er e l a x a t i o no s c i l l a t i o na n ds u p e r m o d ec o m p e t i t i o n t h el o n g t e r m i n s t a b i l i t ys h o w s t h a tw h e n l e n g t ho fc a v i t yo rm o d u l a t i o nf r e q u e n c y c h a n g e sf o rt h ee n v i r o n m e n tr e a s o n ，l a s e rw i l ln o tg e n e r a t es t a b l ep u l s e t os o l v es h o r tt e r m i n s t a b i l i t y , t h e m e t h o d sa r e c a v i t yl e n g t h d i t h e r i n g o ru s i n gf pf i l t e ri nf i b e r r i n g t h ef i r s t o n ew i l l s u p p r e s s s u p e r m o d ec o m p e t i t i o n ，b u t w i l l p r i c ku p r e l a x a t i o no s c i l l a t i o n t h e p r o b l e m o fs e c o n do n ei sp u t t i n gi n s e r tl o s s f e e d b a c kc i r c u i tw i l l h e l p u st os o l v e l o n gt e r mi n s t a b i l i t y t h e f e e d b a c ks i g n a lw i l lc o n t r o lc a v i t yl e n g t ho rm o d u l a t i o nf r e q u e n c yo f a m l e d f lt om a k et h e mm a t c h e d e x a c t l y t h e r ea r e s e v e r a ls c h e m e so f f e e d b a c kc i r c u i ti n t r o d u c e di nt h i st h e s i s k e y w o r d ：a c t i v e l ym o d e l o c k e d ，s u p e r m o d ec o m p e t i t i o n ，o t d m ， w d m ， 独创性( 或创新件) 声明 术几j ：j l 川听。l 交晌沦文足本人在导帅指导下进行的研究1 作及取得的研究 一叫i j s 我所知，除j ，丈中特别加以杯注和致酣”所罗列的内容以外，论文1 1 j 小 也名j l 他人l 经发丧或撰。；过n 勺研究成果，也不包含为获得，i l 京邮电人学或其他 投刚勾的学能或证m 町使用过的材料。j 我。同工作的同忐剥本研究所做的仟 f l | j 如献均l ! _ f ：沦文巾作了明确的说明并表小了训意。 【 学位沦文资料若有1 i 实之处，本人承担切相关责任。 水人掺z ：爿荠挈。一日期：二塑墼1 2 。乏l 一 关j i 论义使用授权的说明 、j 化沦义作彬j e 全了解北京邮电大学囱关保斟和使用学位论文的规定，即： i i j l 7 小花校攻读学化期间跄文工作的知识产权中位属北京邮电大学。学校宵权保 f t f j l 制家仃天部门或机构送交论文的复印件雨i 磁盘，允许学位论文被查阅年| i 借 嘲；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩e | | 或其它 必制下段保存、汇编学位论文。( 保密鲋学位论文在解密后遵守此规定) 保崭论文汴 文7 f 释：本学位 枢 、瓷话： 甘帅签= ： 密在一年解密后适用木授权书。非保密论 适用本授权书。 日期：2 口。争2 、2 3 - 日期：2 型垒：至丝： 北京邮电大学硕士学位论文 土动锁模光纤环形激光器的稳定性研究 1 1 光纤通信技术的发展 第一章绪论 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。全球范围内i p 业务 突飞猛进的发展，在给传统电信业务带来巨大冲击和挑战的同时，也为电信网的 发展提供了新的机遇。从当前信息技术发展的潮流来看，数据化、宽带化、综合 化己成趋势，传输与交换的融合、电路交换向分组交换演进、网络向更加宽带化、 智能化、集成化、兼容性、灵活性和高可靠性的方向发展己成必然。 逝十年采，随看删络的不断演进和巨大的信息传输需求，对光纤通信提出了 更高的要求，同时也促进了光纤通信高技术的发展。仅以波分复用技术( w d m ) 为例，由于w d m 具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，近年 来得到了极大的重视和飞速的发展，其相关的光器件、光系统、光网络等方面的 发展代表了光通信技术的发展方向，已成为国际和国内在光纤通信领域内的研究 重点和应用热点，以美国、欧洲、日本为代表的许多发达国家和地区对此投入了 大量的人力、物力并分阶段、有步骤地进行研究，现己取得了很大的进展和成就。 在高速光传输方面，目前已实现了1 0 ，9 6 t b i t s ( 2 7 4 波x 4 0 g b i t s ) 的实验系统； 在超长距离传输方面，已达到了4 0 0 0 k m 无电中继的技术水平；在光网络方面， “光网技术合作计划( 0 n t c ) ”、“多波长网络( m o n e t ) ”、“国家透明光网络 ( n t o n ) ”、“泛欧光子传送重叠网( p h o t o n ) ”、“泛欧光网络( o p e n ) ”、“光 通信网管理( m o o n ) ”、“光城域通信网( m t o n ) ”、“波长捷变传送接入网 ( w o 弘n ) ”和“社团光纤骨干网( c o b n e t ) ”等一系列光网络研究项目的相 继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络。尤其是为承载未来i p 业务的下 一代光通信网络奠定了良好基础。 另一种提高光网络的容量有效途径是采用光波时分复用( o t d m ) 技术1 2 1 。 o t d m 技术是利用超短光脉冲在时域的分插复用，使得单波长信道速率得到提 高。它在只占用很窄的频谱宽度的情况下就能有效增加光网络的传输容量。 o t d m 类似于电时分复用( e t d m ) ，因此o t d m 具有e t d m 的许多优点。 与w d m 相比，o t d m 具有更高的带宽利用率，并且不存在w d m 面临的波长 稳定性、放大器的增益平坦问题。当然，这两种技术并不是矛盾的，将o t d m 与w d m 技术的结合将大大的提高系统的信道容量。i t u t 明确指出光时分复用 北京邮电大学硕士学位论文 主动锁模光纤环形激光 ! 的稳定性研究 ( o t d m ) 和光波分复用( w d m ) 是提高光纤通信传输容量的两种有效的方法， 都是全光网不可分割的组成部分。 o t d m 系统的许多关键技术目前正属于全世界范围内的研究热点，并逐渐 实用化。早在二十世纪八十年代，贝尔实验室就开始了o t d m 的研究【3 】a 九十 年代，p r i n c e t o n 大学和m i t 对o t d m 局域网进行了研究1 4 】1 5 1 。1 9 9 9 年，p r i n c e t o n 大学演示了1 0 0 g b p s 的o t d m 计算机网。 6 1 欧洲和日本也分剐对o t d m 进行了大量的研究。1 9 9 8 年英国利用电吸收调 制器实现了1 0 0 g b p s ( i 0 g b s xl o ) 的o t d m 演示系统。日本n t t 在1 9 9 9 年 实现了3 t b p s ( 1 6 0 g x1 9 c h a n n e l ) 的o t d m j w d m 传输实验。o f c 2 0 0 1 报道了 德国高速全光网现场实验系统，该系统采用了最高4 0 g b s x3 2 的单纤容量及双 向双纤环形网络和点到点通信结合的复杂网络拓扑结构口1 。 在国家8 6 3 计划和其他计划及部门的大力支持下经过我国科技人员长期不 懈的艰苦努力，我国的光通信技术的研究近年来也已取得了很大的进展，实现了 从无到有、从小到大、从弱到强的历史性跨越，综合实力显著增强。目前己陆续 完成了_ i 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、2 5 g b i t j s 、1 0 g b i t j ss d h 系统；8 x2 5 g b i t j s 、1 6 x 1 0 0 b i t s 、3 2 x1 0 0 b i t s 、1 6 0 x1 0 0 b i t sw d m 系统，1 0 0 b i t s 、4 0 0 b i t so t d m 试验系统，宽带接入系统以及全光通信试验网、自动交换光网络试验平台等一系 列项目，自行研制成功的w d m 光传输系统己在多省市提供运行和服务，各种光 纤局域网城域网广域网已得到了广泛应用，我国已成为世界上为数不多的几个 掌握了全套s d h 和w d m 光通信系统系列产品技术的国家之一，在世界光通信 系统和光网络领域已经占据了一席之地。 1 2 超短光脉冲技术 对于高速o t d m 通信系统来说，其关键技术主要包括以下几项：高重复率 超短光脉冲的产生和传输、外调制、时钟提取、复用和解复用等等。其中超短光 脉冲的产生是最为核心的技术，超短光脉冲源质量的好坏直接关系到o t d m 通 信系统的整体性能。衡量超短光脉冲源可以应用于o t d m 通信系统的基本标准 应该包括以下几条：( 1 ) 能长期稳定工作，脉冲抖动小；( 2 ) 复用以后脉冲宽度 应小于时隙宽度的1 3 ，以减小时分复用信道之间的串扰：( 3 ) 为了减小由光源 的啁啾和光纤的本征色散共同作用造成的脉冲展宽，发射端光脉冲的啁啾应尽可 能小。衡量脉冲质羹好坏的重要指标是时间带宽积a v h t ( 其中v 为脉冲的光谱 宽度，f 为脉冲宽度) 。另外，为了适应色散管理传输的要求发射端的光源最 好有一定的波长调谐范匿。 通常用于光纤通信光源的激光器一般工作在全占空比( n r z 码) 、半占空比 北京邮电大学硕十学位论文 主动锁模光纤环彤激光 的稳定性研究 ( r z 码) 或直流状态( 外调制) 。在光孤子通信系统或o t d m 系统中应用的窄 脉冲光源，其脉冲宽度应为码元周期的i 5 1 3 。 一般的，脉冲频谱成分可以看作是由两部分构成的，一部分是由光脉冲的脉 冲宽度本身导致的光谱宽度，也就是傅立叶变换极限谱宽：另一部分则是由于光 脉冲的频率啁瞅所引起的谱宽展宽部分。根据非线性光纤光学的理论：当光源无 啁啾时，谱宽为傅立叶变换极限；当啁啾不为零时，在有相同脉冲宽度t 情况下， 啁啾越大的光脉冲，谱宽越宽，即啁啾的存在导致谱宽展宽。一般情况下，激光 器所产生的光脉冲宽度越窄，则其谱宽越宽。在光脉冲的谱宽达到傅立叶变换极 限时，脉冲不带啁啾。无啁啾光脉冲在光纤中传输时受到的群速度色散( g v d ) 影响最小。所以，对于高速光纤通信系统而言，信号源的质量好坏将直接影响整 个系统的性能。 锁模技术是当今产生超短光脉冲的最主要方法。它是利用调制技术( 幅度或 相位调制j 或者是借助于饱和吸收体的作用，使激光器腔内各振荡纵模之间建立 固定的频率间隔和相位关系，从而产生峰值功率极高、脉宽极窄的相干超短光脉 冲。 目前应用于0 t d m 系统的超短脉冲光源主要有四种：主动锁模光纤激光器 ( a m l f r l - - a c t i v e l y m o d el o c k e df i b e r r i n g l a s e r ) 、半导体锁模激光器 ( s m l l - - s e m i c o n d u c t o r m o d el o c k e dl a s e r ) 、分布反馈半导体激光器电吸收调制 器组合光源( d f b ，e a m d f bl a s e r e l e c t r oa b s o r p t i o nm o “l a t o r ) 和增益开关d f b 激光器( g s d f b g a i n - s w i t c h e dd i s t r i b u t e df e e d b a c k $ e m i c o n d u c t o rl a s e r ) 。后两 种方案由于技术的原因很难获得如此窄的脉冲，而对于半导体锁模激光器来说， 器件制作复杂，重复频率可调谐性较差，性能不稳定。所以为了能够给1 0 0 g b i t s 的o t d m 系统提供稳定的光源，我们采用主动锁模光纤激光器 ( a m l f r i 一a c t i v e l y m o d e1 0 c k e df i b e rr i n gl a s e r ) 来实现。主动锁模光纤激光器 ( a m l f r l - - a c t i v e l ym o d el o c k e df i b e rn n gl a s e r ) 优点主要体现在以下几个方 面：( 1 ) 脉冲啁啾小；( 2 ) 重复频率高而且可控制；( 3 ) 输出波长的调谐范围大。 几乎可以覆盖整个e d f a 增益谱的范围。但是主要的缺点是稳定性较差，必须通 过特殊技术提高稳定性。 主动锁模光纤激光器利用锁模原理产生了稳定的脉冲序列。通过波导型 l i n b 0 3 调制器可以主动调整脉冲序列的调制频率。而腔内损耗以。频率调制。 损耗越小，激光器的光强度越大，产生光子数越多；损耗越大，激光器的光强度 越小，产生的光子数也越少。如此，腔内光场就能被波导型l i n b 0 3 调制器以相 同大小的频率进行调制。这种光强上的微小差异经过腔内的多次往返后不断加 强，激光器就稳定地输出一系列锁模脉冲。一般情况下，由于激光器的调制频率 很高，一股都是o h z 量级的，丽胶长受到器件因素的影响不可能很短，基频一 北京邮电入学预一l 学位论史 土动锁模光纤环形微光器的稳定性研究 般是在m h z 的量级。所以，主动锁模光纤环激光器一般都工作在谐波锁模的状 态。 1 3 主动锁模光纤环形激光器的基本原理 主动锁模光纤激光器的典型结构如下图所示。调制器、滤波器、偏振控制器、 掺铒光纤、w d m 耦台器、p u m p 光源、隔离器和耦合器是基本的结果。其中， 掺铒光纤、w d m 耦合器、p u m p 光源和隔离器组成了一个e d f a ，它们是整个 激光器的增益部分，为光脉冲的输出提供动力。如果增益不够高的话，将不能输 出光脉冲。比例合适的耦合器能够提供大输出功率光脉冲和适当的腔内功率。由 于l i n b 0 3 调制器是偏振敏感器件，因此，必须在l i n b 0 3 调制器前加一个偏振 控制器。而l i n b 0 3 调制器本身是主动锁模光纤激光器中非常重要的器件，由于 在脉冲的不同位置，调制器的透过率也不相同，在脉冲的中心透过率大，在脉冲 的两翼透过率小，因此可以压窄光脉冲调制器的调制深度和调制偏置对锁模的效 果起到了直接的作用。对于整个激光器来说，只有调制器工作在合适的调制深度 和偏置，才能产生良好的锁模效果。调制器的稳定性对整个激光器的稳定性也是 至关重要的。另外，滤波器也是非常必要的。通过光滤波器可以选择输出光脉冲 的光谱范围，实现输出可调谐光脉冲。另外，光滤波器通过和光纤共同作用，可 以起到一定的稳定作用和压缩脉冲宽度的作用。为了压缩脉冲，还有必要在激光 器的谐振腔内形成孤子效应。在环路中增加适当长度的色散位移光纤( d s f ) 和 ( s m f ) ，有利于形成孤子态【8 1 。利用光纤的非线性效应和色散效应互相作用，形 成稳定的窄脉冲。 p u m pk d 图1 - 1 主动锁模光纤环形激光器基本组成 北京邮电大学硕士学位论文 主动锁模光纤环形激光器的稳定性研究 妨碍主动锁模光纤环激光器走向实用化的最大问题在于其不稳定性。不稳定 的表现形式比较复杂，从短期行为来看，表现为脉冲的波形不光滑，总是在不断 地起伏，从长期行为来看表现为脉冲逐渐坍塌，甚至完全失锁。 在谐波锁模情况下，正常工作的应仅有一组超模，而激光器中可能有多组超 模同时存在。同时，腔长、偏振态、泵浦功率等的波动还会引起弛豫振荡。超模 间的竞争以及弛豫振荡将会造成光脉冲的抖动，其表现为其电谱上存在较强的背 景噪声，弛豫振荡为慢变信号，其频率为k h z 量级，而超模竞争与腔的基频相 关，一般为几百k h z 到m h z 量级。同时其输出波形也将发生时间和能量的抖动。 这种不稳定性被称为短期不稳定性。 另外，对于长度达几十甚至数百米的光纤谐振腔，光纤的长度及及折射率将 随环境温度的变化而发生飘移。对于谐波锁模而言，微小的腔参数的变化将导致 失谐，严重时将导致输出光脉冲的幅度减小甚至脉冲崩溃。再不采取任何腔特性 稳定措施的情况下；由于失谐，主动锁模光纤激光器仅能稳定工作很短的时间。 这种不稳定性被称为长期不稳定性。 为了克服这些不稳定因素，目前已经提出了多种方案。比如通过采用再生锁 模的方法可以有效地克服由于腔长的飘移所导致的模式失锁 9 1 ；通过采用全保偏 腔，可以有效地克服偏振噪声【l 。使用p z t 对掺铒光纤进行k h z 量级的扰动j ， 在腔内加入法布里一帕罗滤波器【l “，使用复合腔结构【l3 1 ，利用a p l ( a d d i t i v ep u l s e l i m i t i n g ) 效应，这些则可以有效抑制超模噪声。 1 4 本论文的主要内容 基于主动锁模光纤环形激光器的发展现状和存在的问题，本论文主要围绕主 动锁模光纤环形激光器的系统理论和稳定性两个方面进行研究。 第一章介绍了主动锁模光纤环形激光器的基本原理和在当前光速光通信系 统w d m o t d m 中的应用。 第二章分析了主动锁模光纤环形激光器的结构和工作原理，以及采用a b c d 定律对主动锁模光纤环形激光器的各组成部分进行简化解析。 第三章重点分析了主动锁模光纤环形激光器采用大色散腔时的特性以及好 处，并且重点分析了主动锁模光纤环形激光器的重要组成部分l i n b 0 3 强度调制 器的特性。 最后一章重点讨论了主动锁模光纤环形激光器的稳定性问题，分为短期不稳 定性和长期不稳定性，解释了它们的产生原因，并讨论了相应的解决方案。 北京邮电大学硕士学位论j 主动锁模光纤环形激光 f 的稳定性研究 第二章主动锁模光纤环形激光器的结构与工作原理 2 1 掺铒光纤锁模激光器的发展 掺铒光纤激光器与半导体激光器相比具有以下优点：1 工作闽值低，易于在 铒光线中形成粒子数反转产生激光脉冲输出。2 因稀土元素铒离子的辐射谱在 石英基质中被展宽，故可实现宽带可调谐主动锁模产铒光纤激光器或直接从被动 锁模掺铒光纤激光器中产生f s 脉冲。3 输出脉宽窄、峰值功率高、脉冲质量好， 啁啾系数远低于d f b 激光器，可直接产生近变换极限光脉冲。4 可与传输光纤 实现高效耦台，有利于全光通信。5 ，腔结构灵活轻巧，腔内可调参量多，可以很 方便地构成各种所需腔结构来实现锁模运转i l ，并易于采用各种技术来稳定输 出光脉冲l l “。因此，掺铒光纤激光器在众多有潜力的光源中，备受人们重视， 各国科学工作者正在对它进行深入和广泛地研究。以下就几种常用的主、被动锁 模掺铒光纤激光器结构和技术做一简要概述。 掺铒光纤锁模激光器分为主动锁模、被动锁模和主被动联合锁模三种方式。 主动锁模使用外加调制信号实现锁模，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。被动锁模不需要任何调制信号。它是利用饱和吸收 介质的非线性吸收效应进行被动损耗调制来达到锁模。主被动锁模掺铒光纤激光 器是一种复合腔结构，由主腔产生的光脉冲序列注入给具有饱和吸收效应的附 腔，通过附腔的压缩和整形便可获得脉宽窄，重复频率稳定的超短光脉冲。光纤 激光器的结构大致可分为直腔、环形腔和“8 ”字腔三种结构，直腔形e d f l 结 构与一般固体锁模激光器想象，而后两种一般不带反射镜，它们是以环形腔或“8 ” 字腔形作为谐振腔从耦合器一端输出光脉冲。主动锁模掺铒光纤激光器的特点是 输出脉冲的重复频率稳定，可在约等于e d f a 增益谱宽范围内灵活地调节工作波 长并能产生近变化极限光脉冲。调制方式即可使用谐波锁模( h m l ) 方式，也 可采用有理数谐波锬模方式( r h m l ) 或者利用l i n b 0 3 调制器的非线性来获取 各种高阶锁模脉冲序列i l * - t s l 。被动锁模掺铒光纤激光器的特点是它能产生f s 脉 冲，其输出脉宽较主动锁模掺铒光纤激光器要低几个数量级。由复合腔结构组成 的主被动锁模光纤激光器集前两种光纤激光器优点为一体，具有输出脉宽窄、重 复频率商并可调谐工作波长，但腔结构较为复杂。 北京邮电大学硕士学位论文 主动锁模光纤环形激光器的稳定性研究 2 1 1 主动锁模掺铒光纤环形激光器( a h m l - e d f l ) 早在e d f a 出现以前人们就试图用其他增益介质实现主动锁模光纤激光器 的运转，然而这种激光器的机构复杂，因此很少应用。随着9 0 年代e d f a 商品 化和光调制器性能的日臻完善，使得主动锁模掺铒光纤激光器发展十分迅速。9 0 年代初期f o r m a n 和h o f e r 分别用掺n e o d y m i u m 光纤放大器和掺e r b i u m 光纤放 大器作为增益介质研制出相应的光纤激光器。1 9 9 2 年a t & t 实验室的h a r v e y 等 人用掺铒光纤作为增益介质，实现了主动锁模光纤激光器运转，并进行了光孤子 传输实验。1 9 9 5 年日本n t t 研究小组采用全保偏光纤环形腔的主动锁模光纤激 光器，获得了稳定的6 3 g h z 输出脉冲序列，并应用于o t d m 通信系统【l 。目 前无需经过脉冲压缩，直接从主动锁模掺铒光纤环形激光器中产生的变化极限光 脉冲的重复频率为卜3 0 0 g h z ，脉宽1 0 p s ，由于该类激光器重复频率可调，经 一定的技术措施就能使其工作较为稳定，圈而它已应用在许多超离速o t d m 实 验通信系统中。 2 12 有理数谐波锁模( r h m l ) 技术口“2 4 通常对主动谐波锁模激光器的调制是使其调制频率筋等于谐振腔的基频 ( 纵模间隔) 的整数倍，由此得到输出脉冲重复频率f p = f m 的脉冲序列。最近在 激光器方面出现了一项十分引人注目的新技术，即有理数谐波锁模( r h m l ) 技 术，该技术是目前获取超高码速脉冲序列的重要手段。r h m l 技术首先由墨尔 本大学的o n o d e r a 等人于1 9 9 3 年进行主动锁模半导体激光器实验时，通过微失 谐调制，即调制频率与谐振频率存在一个偏移( 有一定的失谐量) ，来获取高重 复率脉冲序列【2 0 1 。在国内，天津大学已经将这一技术应用到主动谐波锁模掺铒 光纤环形激光器上，并得到了数倍于调制频率的高重复率脉冲序列。 2 1 3 再生锁模光纤激光器【2 5 - 2 7 1 a h m l e d f l 运行是建立在调制频率与腔长精确匹配的基础上，即调制信号 应为腔内纵模间隔的整数倍或满足有理数谐波锁模关系。因为a h m l - e d f l 腔 内光纤较长，光纤对外界环境十分敏感，使得腔长与调制频率的匹配状态难以持 续保持。失谐不严重时，会给输出脉冲带来相位噪声：当失谐严重时会引起锁模 失效，所以必须采取措施来解决主动锁模光纤环形激光器的工作不稳定性问题。 目前使其长时间稳定工作的方法很多，其中采用再生锁模技术实现腔长与调制频 率的动态跟踪，来稳定输出脉冲是比较成功的一种。再生锁模光纤激光器实验装 北京邮电火学硕士学位论文 主动锁模光纤环形激光器的稳定性研兜 置如下图所示2 钔，其工作原理是根据在光纤环路中运行的脉冲包含有谐振腔纵 模的各种谐波分量，从中提取光信号经光电转换变为电信号，再由高频电子滤波 器提取所需的谐波分量，经微波放大器放大后，作为电光调制器的调制电压加在 调制器上，从而保证调制频率与腔内纵模谐波分量相匹配。 圈2 - 1 利用拍频反馈控制调制频率再生锁模光纤激光器示意图 2 14 注入型主动锁模掺铒光纤激光器 注入型主动锁模掺铒光纤激光器主要用在全光通信系统中，用它可提取时钟 脉冲。目前主要有两种注入型主动锁模掺铒光纤激光器。一种是利用行波半导体 激光放大器( t w - s o a ) 的非线性增益调制特性实现主动锁模 2 ，其实验装置如 图2 - 2 所示，环形腔在注入光脉冲的作用下，t w - s o a 通过交叉增益饱和( x g s ) 效应或交叉相位( x p m ) 调制，产生周期性的相位和幅度调制，实现激光器的 主动锁模，并由w d m 2 输出低时间抖动的时钟恢复脉冲。另一种是利用光纤菲 线性相位调制效应，主要是交叉相位调制效应( x p m ) 来实现主动锁模p o ”j 。 其实验结构如图2 - 3 所示，工作原理是用环内的一段单模光纤作为一个相位调制 器，当向环内注入波长为五。的光脉冲序列时，该波长的光脉冲与光纤环形腔中 波长a 。产生周期性相位调制，从而实现激光器的主动锁模。利用这种结构已成 功地从4 0 g b s 的信号脉冲中提取光时钟【3 们，由于光纤介质的非线性响应速度很 快，因此非线性偏振旋转或非线性放大环形镜所产生的“人工饱和吸收体”的作 用非常迅速，这样可以使上述激光器的工作速率达到1 0 0 g b s 。 北京邮电大学硕士学位论文主功j i | i 模光纤环形激光 l 的稳定性研究 p u l s er c j e c t 图2 2 利用半导体光放大器的非线性实现注入型主动锁模掺铒光纤激光器 p u m p j 圈2 - 3 利用光纾交叉相位调制实现注入型主动锁模掺铒光纤激光器结构 2 2 光纤激光器理论 2 2 1 腔形设计 光纤激光器的腔形有多种选择。一种是用激光谐振腔f p 腔a 它是将增益 介质置于两片高反射率的腔镜之间构成的。在光纤激光器中，腔镜经常对接耦合 9 北京邮电大学硕士学位论文 圭动锁模光纤环形激光器的稳定性研究 到光纤端面，以避免衍射损耗。1 9 8 5 年出现的掺钕光纤激光器就采用了这种结 构，介质膜反射镜对1 0 8 8 “m 的输出光高反，而对0 8 2 um 的p u m p 光高透。 该腔的损坏非常小，仅需1 0 0hw 的p u m p 光就可达到激光阂值。但是，腔的调 整较为困难。这个问题可以通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛光端面上得 到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷敏感，而且p u m p 光也经由同一腔镜入射， 所以当p u m p 光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。 为了解决以上的问题，可以有以下几种解决方法。第一种方法是使用定向光 纤耦合器。可以设计一种光纤耦合器使得大部分p u m p 光从耦合器的一个出口输 入腔内，这样的耦合器称为w d m 祸合器。另一种方法是直接在光纤上刻写光纤 光栅作为腔镜。对激光波长而言，布拉格光栅相当于高反镜，对p u m p 光透明。 第三种方法是使用光纤环形镜。光纤环形镜能设计成对输出光全反，对p u m p 光 全反。 园为环形腔能够蕈向输出而经常用于激光器系统。应用于光纤激光器时，由 于环形腔中没有腔镜，因此构成了一个全光纤系统。最简单的环形腔结构是将 w d m 耦合器的两端通过一段掺杂光纤连接在一起。如下图所示。 隔离器 偏 振 控 制 器 掺铒光纤 p u m p 光 d m 和输出 耦合器 输出 图2 4 单向环形腔光纤激光器的示意图 还有几种新的结构形式。如图2 5 所示。这种结构因其形状特殊而被称为 “8 ”字形腔，右边的环形腔相当于一个具有增益作用的非线性光纤环形镜，这 种s o a 的环形镜具有开关特性。当低功率运转时，光纤环路透射率很低，使得 连续工作时腔内损耗很大；当光脉冲的峰值功率达到一个临界值时，s a g n a c 环路几乎是透明的。因此，“8 ”字腔有利于锁模运转。左侧的隔离器可以保证激 光器单方向运转。激光器通过一个光纤耦合器输出透射率很小( 0 ，因此需要合理选择上式分子中的符号。 北京邮电人学硕士学位沦立 土动锁模光纤环彤撒光器的稳定性研究 第三章主动锁模光纤环形激光器的特性 3 1 大色散腔主动锁模光纤环形激光器的特性分析 主动锁模光纤环形激光器存在多种因素的不稳定性和噪声。包括由于环境不 稳定导致腔长变化造成的模式不稳定、腔内偏振态变化起引起的偏振模噪声以及 由于谐波锁模机制带来的超模噪声。为了实现主动锁模光纤环形激光器的实用 化，必须解决各种噪声和抖动问题。 波长可调的主动锁模光纤环形激光器在未来的o t d m w d m 系统和全光信 号处理等应用中极具吸引力。可以通过在腔内加入f - p 可调滤波器【4 5 舯l 、声光可 调滤波器【4 7 】或光纤布拉格光栅【4 8 】，改变激光器工作波长；另一种方法是通过腔 内色散调谐实现波长可调。它具有结构简单、调节简单，插入损耗小的优点。1 9 9 6 年，k t a m u r a 等人报道了【4 9 】利用主动锁模光纤环形激光器中加入色散补偿光纤， 实现波长可调，波长调节范围为8 n m ；1 9 9 8 年，c s h u 等人报道了采用此方案实 现波长调节2 0 r i m 。1 5 0 l 31 1 大色散腔主动锁模光纤环形激先器的腔内参数 对于谐波锁模的主动锁模光纤环形激光器而言，腔内色散量的大小将直接影 响激光器稳定工作的状态。腔内色散量大小的确定主要应考虑腔长的偏移量和滤 波器与放大器决定的腔内的增益宽度。 在大色散腔主动锁模光纤环形激光器中，满足下式 塑：l( 3 1 ) 比c d 上 其中l 为腔长，见，和，l 。为腔内光纤的等效色散和等效折射率。 由上式可以看出，当色散量很小时，很小的腔长偏移会导致较大的光谱漂移 量。而当波长偏移出增益通带后，就会导致锁模激光器的失锁。但是这种较大的 光谱偏移量易于检测并可用于腔长稳定反馈系统的差错信号。 对于一定的腔长变化量，大色散光纤腔会带来较小的波长变化。采用太色散 腔的锁模光纤激光器的方案在腔长漂移时可以自动调节工作波长，满足锁模条 件。因此较大的色散量有利于激光器的稳定运转。 北京邮电大学硕士学位论文 主动馈摸光纤环形激光 的稳定性研究 但当色散量过大时，在增益带宽内可能出现多个波长满足锁模条件从而出 现多波长运转的情况，出现竞争，导致激光器的输出不稳定。 对于一定的外调制频率厶，可得到： 等。一2 喾 协。， 五 。 若瓴2 2 努，即调制频率变化一个纵模间隔，也就是工作在其相邻纵 模的情况。由式( 3 - 2 ) 和谐波锁模条件，若保持锁模激光器稳定工作，腔内色 散量应满足如下关系： 一番 ， 所以，理想的情况下，应当是当增益带宽与调制频率移动一个基频导致的光 中心波长品移量一致，关系如式( 3 - 2 ) 或( 3 ，3 ) 所示。当满足该条件时，锁模 激光器进入超稳定的状态。任何频率的电驱动信号均可理想起振，而不需要任何 调整，也就是说在大色散腔的情况下。一方面主动锁模光纤激光器在腔长漂移的 情况下输出波长变化很小；另方面，由于处于超稳定状态，大色散腔主动锁模 光纤激光器是码率透明的。 对于谐波锁模，由于= 争，并且基频 = ，则由式( 3 - 3 ) 可得： ，n一 。甭1 面 ( 3 4 ) 若d 玎过大，在主动锁模光纤激光器增益带宽旯内将发生多波长运转a 在已知主动锁模光纤激光器增益带宽的情况下，利用式( 3 4 ) 可以设计腔 内的等效色散量d 盯和腔长l a 一志 ( 3 5 ) 腔内色数孙偿光纤( d c f ) 的长度l d c f 也应该进行优化。由于采用滤波的 方法进行波长调谐依赖于波长色散，如果d c f 长度太短，则提供的总色散太小， 波长调谐范围将很小。如果d c f 太长的话，则脉冲展宽效应将很显著，那么经 过调制器后的损耗将很大，同时导致输出波长的变化范围也很小。因此，为了获 得满意的脉冲宽度和调谐特性，需要对d c f 的长度进行优化。 北京邮电大学颂上学位论文 土幼锁模光纤环彤激光器的稳定性研究 312 色散调谐的谐波锁模光纤激光器中的脉冲能量均衡 在缓慢均匀增益饱和的谐波锁模光纤激光器中，需要用快速强度相关损耗来 均衡脉冲能量。在色散调谐的谐波锁模光纤激光器中，正色散、自相位调n 0 而“”对应于d 。 0 是对啁啾的等效非线性贡献。由式( 3 - 1 0 ) 可以看出：当 d时，由于带有较高非线性的脉冲每周受到更高的损耗，因而可以实现快速n 0 损耗。这样可以实现脉冲能量的均衡。d 。 0 的情况) ，尽管腔 长由于外界环境的变化会发生漂移，但是谐波锁模光纤激光器仍能够维持- 与9 1 部 北京邮电大学硕士学位论文主动镄模光纤环形激光器的稳定性研究 的时钟信号同步。通过正常色散、s p m 及幅度调制的相互作用可以实现脉冲能 量的均衡。 3 13 大色散腔主动锁模激光器的色散补偿与脉冲压缩 当主动锁模光纤激光器的腔内的平均色散为正常色散时，由于正常色散、 s p m 和调制器的共同作用，在激光器的直接输出端的光脉冲输出将带有较大的 正啁啾。由此导致脉冲宽度较宽。为了在得到稳定的脉冲输出特性的同时，实现 更窄的脉冲输出，我们应该对输出光脉冲进行色散补偿以消除啁瞅，进而实现脉 冲宽度压缩。 理论上，脉冲宽度 o 1 p s 的光脉冲在光纤内传输的群速度色散( g v d ) 可 以用如下的偏微分方程束描述： 掣一扣锷霉 m 其中，房为光纤色散系数，u ( z ，t ) 为脉冲的归一化振幅。 则式( 3 - 1 1 ) 的通解为： 7 ) 。去，( o ，妫e x p 1 t 3 2 c 0 2 z - i c o t 。1 2 式中的疗( 0 ，c o ) 是入射光场在z _ o 处的傅立叶变换： 0 ( o ，国) = i u ( o ，t ) e x p ( i c o t ) d t ( 3 - t 3 ) 若该初始脉冲为线性啁啾高斯脉冲，则入射场为 u ( o ，r ) ：e x p 一掣】 ( 3 1 4 ) 式中c 为初始啁啾量。t o 为脉冲振幅的l i e 处的半宽度。 将方程带入，可以得到o ( o , o a ) 的表达式： 嘶) - 1 2 而x t ? 】1 1 2e x p 【一嘉】 ( 3 _ 1 5 ) 由上式可以得出频谱的半宽度( 在振幅的i e 处) 回= o + c 2 ) l 2 t o ( 3 - 1 6 ) 在有线性啁啾的情况下，谱宽比无啁啾的情况增大( 1 + c 2 ) ”2 倍a 考虑到高 斯脉冲的脉宽的( f w h m ) 耳。= 1 6 6 5 t o 及谱宽的半极大全宽度 北京邮电大学硕士学位论文 主动锁模光纤环形激光器的稳定性研究 诉m = 1 6 6 5 詈。式( 3 - 1 6 ) 可以转化