（光学专业论文）多波长及锁模光纤激光器的理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 密集波分复用( d w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 是实现光纤通信系统升级扩 容的有效途径，而多波长信号及高重复频率的超短光脉冲的产生则是与其相对应的 两种关键技术。多波长掺铒光纤激光器( m w _ e d f l s ) 可以同时为多个波长信道提 供所需光源，被认为是未来长距离大容量的光纤通信系统的理想光源。此外多波长 光纤激光器还广泛应用于光传感、光谱分析、光信息处理等领域。所以，多波长光 纤激光器的研制无疑具有重要的意义。而在未来的全光通信网及超高速大容量光纤 通信系统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。本论文从理论和实验两方面对多波长光纤激光器、主动锁模光纤激光器及相关 技术进行了较为深入细致的研究，并取得了若干创新性成果。主要内容包括： i 对多模光纤布拉格光栅的特性进行了理论及实验研究，并首次将多模光纤光栅 应用于光纤激光器进行波长选择，得到了室温下稳定工作的可开关双波长的掺 镱及掺铒光纤激光器。仅仅通过调整腔内偏振控制器的状态，就可使激光器工 作在任意一个单波长或双波长同时输出的模式。 2 对轴向及侧向应力共同作用下的光纤布拉格光栅的透射及反射光谱特性进行了 理论及实验研究，并首次把轴向及侧向应力共同作用下的光纤光栅应用于光纤 激光器进行波长选择，得到了室温下稳定工作的波长及波长间隔可调的可开关 双波长的掺铒光纤激光器。 3 对侧向应力作用下的保偏光纤光栅的特性进行了理论及实验研究；并将侧向应 力作用下的保偏光纤光栅应用于光纤激光器进行波长选择，得到了室温下稳定 工作的波长间隔可调的可开关双波长的掺铒光纤激光器；提出了一种室温下可 稳定工作的可开关四波长掺铒光纤激光器结构，将保偏光纤光栅特性及交叠腔 结构相结合，得到了稳定的多波长激光输出：利用拉伸光纤及多次曝光的方法， 在保偏光纤中成功写制了莫尔光栅，并将其应用于光纤激光器进行波长选择， 在液氮冷却的条件下，得到了四波长及六波长的激光输出。 4 在2 ，3 工作的基础上，在连续光输出的激光器谐振腔内加入调制器进行主动锁 模，分别得到了基于侧向应力作用下的光纤光栅、单个保偏光纤光栅、两个保 偏光纤光栅进行选频的多波长的锁模光纤激光器。 5 通过对泵浦光源半导体激光器的驱动电流进行正弦调制，分别得到了同步泵浦 锁模的掺镱及掺铒光纤激光器，在相应于谐波锁模、有理数谐波锁模条件下得 到了稳定的脉冲输出。将偏振损耗选择波长和高双折射光纤环镜作梳状滤波器 相结合，得到了波长间隔o 8 r i m ，波长可转换的主动锁模掺铒光纤激光器，调谐 南开大学博士毕业论文多波长及锁模光纤漱光器的理论与实验研究 范围3 9 2 n m ，几乎覆盖了整个l 波段。不同于色散调谐原理，调谐过程中脉冲 的调制频率可保持不变。 6 用时域分析的方法对有理数谐波锁模光纤激光器中产生的脉冲序列的性质进行 了理论研究，在此基础上对基于调制器非线性调制特性的有理数谐波锁模脉冲 的振幅均衡进行了实验研究，得到了高达7 阶的幅度均衡的有理数谐波锁模脉 冲序列；另外，通过非线性外调制的方法得到了倍重复速率的亮脉冲及暗脉冲。 关键词：光纤激光器、多模光纤光栅、保偏光纤光栅、光纤布拉格光栅、奠尔光栅、 偏振烧孔、交叠腔、可开关多波长、主动锁模、有理数谐波锁模、脉冲幅 度均衡、非线性调制、高双折射光纤环镜、同步泵浦锁模、暗脉冲。 博士期间参加科研项目情况 1 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 ) ： 2 通信领域高效、高功率包层泵浦光纤激光器件， ( 2 0 0 3 a a 3 1 2 1 0 0 ) ： 天津科委重点基金项目 国家科技部8 6 3 计划项目 3 双包层光纤光子器件及其应用研究，国家自然科学重点基金项目 ( 6 0 1 3 7 0 1 0 ) ： 4 基于微结构光纤的光电子功能器件的创新与研究，国家科技部9 7 3 计划项目 ( 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 6 ) 。 a b s t r a c t a b s t r a c t g e n e r a t i o no f m u l t i w a v e l e n g t hs i g n a l sa n du l t r a - s h o r tp u l s e sa r eo fg r e a ti m p o r t a n c e f o raw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n ss u c ha si nw a v e l e n g t h - - d i v i s i o n - - m u l t i p l e x e d ( w d m ) a n d o p t i c a lt i m e d i v i s i o n - m u l t i p l e x e d ( o t d m ) f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，f i b e rs e n s i n g ， n o n l i n e a ro p t i c s ，o p f i c a li n s t r u m e n tt e s t i n g ，a n dt i m e r e s o l v e ds p e c t r o s c o p y a c t i v e l y m o d e - - l o c k e d e r b i u m - d o p e d f i b e r l a s e r s ( e d f l s ) w i t hah i g hr e p e t i t i o n r a t ea n d m u l t i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r sa r ea t t r a c t i v eo p t i c a ls o u r c e si nf u t u r eu l t r a - h i g hs p e e da n d a l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ec a r r i e do u tt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h ef i e l d so f m u l t i - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r sa n da c t i v e l ym o d e l o c k e d f i b e rl a s e r s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fam u l t i m o d ef i b e rb r a g gg r a t i n ga r et h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d o nt h i sb a s i s ，w es u c c e s s f u l l yp r o p o s ea n dd e m o n s t r a t ea s i m p l e s w i t c h a b l e d u a l - w a v e l e n g t hy t t e r b i u m d o p e d f i b e rl a s e ra n da ne d f l o p e r a t i n gi nl b a n db a s e do nam u l t i m o d ef i b e rg r a t i n g ，r e s p e c t i v e l y b o t hc a nb e o p e r a t e di ns t a b l ed u a l - w a v e l e n g t hm o d ed u et ot h ep o l a r i z a t i o nh o l eb u r n i n go r s w i t c hb e t w e e nt w ow a v e l e n g t h sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，o n l yb ys i m p l ea d j u s t m e n to fa p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r 2 t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so faf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) u n d e rb o t ha x i a la n d t r a n s v e r s es t r a i na r et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d as w i t c h a b l ea n d s p a c i n g - t u n a b l ed u a l - w a v e l e n g t hl i n e a rc a v i t ye d f li sd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y u s i n gt h i sk i n do fb r a g gg r a t i n gf o rw a v e l e n g t hs e l e c t i o n i te x p l o i t st h eb i r e f r i n g e n c e c h a r a c t e r i s t i co f t h ef b gi n d u c e db yt r a n s v e r s es t r a i n t r a n s v e r s es t r a i n1 0 a d i n go nt h e f b ga l l o w sn l ew a v e l e n g t hs p a c i n gt ob ec o n t r o l l e dw h i l ea x i a ls t r a i ns h i r sb o n l w a v e l e n g t h st o g e t h e r 3 w et h e o r e t i c a l l ya n a l y z es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so faf i b e r g r a t i n gi np o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n g ( p m ) f i b e r u n d e ra x i a la n dt r a n s v e r s es t r a i n as w i t c h a b l ea n d s p a c i n g - t u n a b l ed u a l - w a v e l e n g t hl i n e a rc a v i t ye d f li sd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y u s i n gt h i sk i n do fb r a g gg r a t i n gf o rw a v e l e n g t hs e l e c t i o n ap o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e d s w i t c h a b l em u l t i - w a v e l e n g t he d f lw i t h o v e r l a p p i n g c a v i t i e si s p r o p o s e d t h e w a v e l e n g t h sa r es p e c i f i e db yt w ob r a g gg r a t i n g si np m f i b e r s t h ep r o p o s e dl a s e rc a n b ed e s i g n e dt oo p e r a t ei ns t a b l ef o u r - w a v e l e n g t ho rw a v e l e n g t hs w i t c h i n gm o d e so n l y b ys i m p l ea d j u s t m e n to f t w op o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s t w om o i r eb r a g gg r a t i n g si np m f i b e r sa r er e s p e c t i v e l yf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l yt h r o u g hs t r e t c h i n ga n dd o u b l e ，t r i p l i c a t e 1 1 1 南开大学博士毕业论文多波长及镀模光圩激光器的理论与实验研究 e x p o s u r em e t h o d n l et w og r a t i n g sa r er e s p e c t i v e l yi n c o r p o r a t e di nl i n e a re d f l c a v i t i e st o p e r f o r mw a v e l e n g t h s e l e c t i o na n dm u l t i w a v e l e n g t h o p e r a t i o n s a r e o b t a i n e d 4 o nt h eb a s i so fw o r k2a n d3m e n t i o n e da b o v e ，w es u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a l e m u l t i w a v e l e n g t ha c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r sr e s p e c t i v e l yu s i n gaf b gu n d e r t r a n s v e r s es _ 【r a i n ，af b gi np mf i b e r s ，a n dt w of b g si np mf i b e r sf o rw a v e l e n g t h s e l e c t i o n s 5 as y n c h r o n o u s l yp u m p e dm o d e - l o c k e dy e t t e r b i u m d o p e df i b e r l a s e ra n de d f la r e r e s p e c t i v e l yo b t a i n e dw h e nt h ep u m ps e m i c o n d u c t o rl a s e rc u r r e n ti s m o d u l a t e d s i n u s o i d a l l ya ta p p r o p r i a t ef i ：e q u e n c y s t e a d yp u l s e sa r eo b t a i n e do nh a r m o n i ca n d r a t i o n a lh a r m o n i cm o d e - - l o c k e ds t a t u s ；as i m p l ea c t i v e l ym o d e - - l o c k e de d f lo p e r a t i n g i nt h el b a n df o rt h e g e n e r a t i o no fw a v e l e n g t h - s w i t c h e dp i c o s e c o n dp u l s e s i s d e m o n s t r a t e d ，t h ec o n j u n c t i o no fw a v e l e n g t h d e p e n d e n tc a v i t yl o s sa n dah i - b if i b e r l o o pm i r r o ri su s e df o rw a v e l e n g t hs w i t c h i n g , a n dt h eo u t p u tw a v e l e n g t hc a l lb e s w i t c h e di na r a n g eo f3 9 2 n ma n dt h ew a v e l e n g t h sa r es p a c e d0 8 n ma p a r t ，d u r i n gt h e w a v e l e n g t h s w i t c h i n gp r o c e s s ，t h em o d u l a t i o nf r e q u e n c yc a r lb er e m a i n e du n c h a n g e d 6 as i m p l et e c h n i q u ef o rt h ep u l s e - a m p l i t u d ee q u a l i z a t i o no fh i g hr e p e t i t i o nr a t ep u l s e s g e n e r a t e df r o mar 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 rw a sd e m o n s t r a t e d t h ep r i n c i p l ei sb a s e do nn o n l i n e a rm o d u l a t i o no ft h em o d u l a t o ra n dat h e o r e t i c a l e x p l a n a t i o nb a s e do nt i m e d o m a i na n a l y s i sw a sg i v e n a m p l i t u d ee q u a l i z e ds h o r t p u l s e su pt o t h es e v e n t hr a t i o n a lh a r m o m cm o d e l o c k i n gw e r eo b t a i n e dw i t ha l l o p t i m u mb i a sl e v e la n dm o d u l a t i o nd e p t ho f t h em o d u l a t o r , w h i c ha g r e e sw e l lw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l ta n dd e m o n s t r a t e st h ee f f i c i e n c yo ft h i sm e t h o d as i m p l et e c h n i q u e f o rt h eg e n e r a t i o no fb r i g h ta n dd a r kp u l s e st r a i nf r o mc o m i n u o u s - w a v e ( c w ) l i g h ti s p r e s e n t e d t h ep r i n c i p l ei sb a s e do nd i r e c te x t e r n a ln o u l i n e a rm o d u l a t i o na n dt h e r e p e t i t i o nr a t eo f t h ep u l s e si st w i c et h ed r i v e ns i g n a lf r e q u e n c y k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r , m u l t i m o d ef i b e r 掣a 廿n g ，p o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b e rg r a t i n g ， f i b e rb r a g gg r a t i n g ，m o i r e g r a t i n g ，p o l a r i z a t i o nh o l eb u r n i n g ，o v e r l a p p i n gc a v i t i e s ， s w i e h a b l e m u l t i w a v e l e n g t h ，a c t i v e l ym o d e l o c k e d ，r a t i o n a l h a r m o n i cm o d e l o c k e d ， p u l s e a m p l i t u d ee q u a l i z a t i o n ，n o n l i n e a rm o d u l a t i o n ，h i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e rl o o pm i r r o r , s y n c h r o n o u s l yp u m p e dm o d el o c k e d ，d a r kp d s e 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e p 屙, j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：冯钌妖 2 酊年4 月占日 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： ) 弓沈妖 2 刚学年4 月2 0 日 第一章姥论 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代，人类在光纤和激光器方面取得了重大的突破，使光纤通信有 了实现的可能，各国电信科技人员竞相进行研究和实验，经过几十年的发展，光纤 通信系统已经多次更新换代。特别是自2 0 世纪9 0 年代初以来，人类社会进入了一 个前所未有的信息交换量急剧增长的时代。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国际互联网( i n t e m e t ) 的飞速发展，由数字移动通信业务 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 致了所谓的“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已经占据了不可替代的 重要位置。 密集波分复用( d w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 是实现光纤通信系统升级扩 容的有效途径，而多波长信号及高重复频率的超短光脉冲的产生则是与其相对应的 两种关键技术。多波长掺铒光纤激光器( m w _ e d f l s ) 可以同时为多个波长信道提 供所需光源，被认为是未来长距离大容量的光纤通信系统的理想光源。而在未来的 全光通信网及超高速大容量光纤通信系统所可能采用的光源中，锁模光纤激光器是 极具开发潜力的超短光脉冲源。所以，多波长光纤激光器及锁模光纤激光器的研制 无疑具有重要的意义。 1 1 高速大容量光纤通信系统的发展概况 近年来，为了提高通信系统的容量，人们一直致力于各种复用通信方式。光纤 通信复用方式通常可以分为光波分复用与光信号复用。光波分复用技术又分为波分 复用( w d m ) 和空分复用( s d m ) 以及偏振复用【1 。1 2 】；光信号复用又分为时分复 用( t d m ) 和频分复用( f d m ) 。有人把频分复用归到波分复用里，也有人把空分 复用理解为一种技术上最简单的扩容手段，即通过增加光缆的光纤芯数和相应增加 传输设备来增加传输的总容量，但严格地说，空分复用是同一根光纤芯中的空间分 割，现仅用于长距离通信。由于偏振复用技术要求复杂，特别是对传输介质有特殊 的要求，所以至今仍局限在实验室里。真正商用的复用方式只有光波分复用和光时 分复用。 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 r i m 波长附近2 0 0 r i m 范围内，对应带宽约为2 5 t h z 南开大学博士毕业论文多疲长及锁模光纤激光器的理论与实验研究 可以利用；在1 3 1 0 h 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 。波分复用技术作为一种非常有效的扩容手段，可 以充分利用光纤的带宽，并随着技术的成熟越来越显示出强大的生命力。 光波分复用是指一条光纤中同时传输具有不同波长的几个光载波( 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1 5 5 2 5 2 n m 】附近处频率间隔为 1 0 0 g h z 整数倍，即在此处波长间隔为0 8 r i m 的整数倍，最近i t u t 等机构正在考 虑将信道间隔减小到5 0 g h z ) ，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【l 。 图1 1w d m 原理图 图1 1 给出了波分复用通信的原理图。具有不同波长、各自载有信息信号的若干 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 l 、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 铒光纤放大器( e d f a ) 对信号进行放大。 在这几年的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。目前单信道 的最高速率为4 0 g b i t s ，几乎达到了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目。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 0 h z 变得更低。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间的串扰，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， 所有这些要求导致了系统成本的上升。 第一章绪论 ( 3 ) 增加传输带宽。通过开发新型超宽带器件，充分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【1 4 ”。多波段光纤放大器共同使用的尝试，为以后充分利用光纤丰富的带 宽资源，实现多窗口超宽带光纤通信奠定了基础。 w d m 通信的关键技术包括【l 3 】：波长可调谐及多波长光源技术；掺铒光纤放大 器技术；光纤传输技术等等。 1 1 。2 光时分复用( o t d m ) 技术 图1 2o t d m 原理图 光时分复用( o ) 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可得到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用掺铒光纤放大器( e d f a ) 来 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。耳前，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。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。 南开大学博士毕业墙文多波长及锁模光纤激光器的理谁与实验研究 o t d m 技术并不是仅仅用来提高光纤的传输容量，它们更广泛的应用前景是作 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 的形式，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 全光网可提供比传统网络高得多的速率，一般可支持单信道大于 1 0 0 g b i t s 的络传输速率，并且网络容量以每1 0 年增长1 0 倍的速度继续增- k t l8 正1 0 1 。 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、以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。 从目前的研究情况看，o t d m 存在3 个研究发展方向：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 直至0 6 4 0 g b i f f s t l1 1 1 3 】；第二个发展方向是o t d m 实用化技术和比特间插的 o t d m 网络技术，欧洲一直在从事4 0 g b i v s 的o 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 0 g b i t s 的o 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 全光分组网络，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。 时分复用的关键技术包括；高重复速率超短光脉冲源；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。 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 由于w d m 系统的单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设备模块，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，由于要在光域对信号进行 处理、恢复时钟、识别信头、以及选出路序，需要有全光逻辑和存储器件，而这些 器件尚不成熟，系统结构与匹配技术也比较复杂，所以实现起来比较困难 1 i 4 - 1 a 5 。 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0 t d m 系统终端用大型设备交换数据具有更 第一章绪论 高的性价比。 o t d m 技术与w d m 技术相比，也有一定独特之处： 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( ，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明显，对系统几乎没什么影响。 2 w d m 系统需要特殊设计的增益平坦的光放大器，而且放大器的增益应与波 长数无关，以防止某一路信号发生故障时影响到其它信号，即光放大器也必须是增 益钳制的；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 技术尚处于研 发阶段，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 。w d m 可以缓 解o t d m 未成熟时网络对大容量的需求，且反过来促进o t d m 技术的发展：o t d m 技术成熟后使扩容更方便，而且为w d m 提供了更高的基础【i ”】，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，从而 实现超大容量、超长距离的信号传输【1 1 7 o 1 2 多波长光纤激光器的应用及发展 为了进一步提高通信容量，现代光纤w d m 通信系统正朝着信道数越来越多的 方向发展。最直接提供多路信号的方法就是采用多个单波长激光器。但如果单纯地 增加光源数量，势必会增加成本，因此性能稳定的多波长激光器更为人们看好。多 波长激光器可以同时为多个信道提供所需光源，使光发射端的设计更为紧凑、经济， 因而在密集波分复用系统中有很重要的用途。同时，性能优良的多波长光源在激光 测距、光谱分析和分布光纤传感等领域中也有极大的应用价值。所以，多波长激光 器的研制无疑具有重要的意义。 1 2 1 多波长掺铒光纤激光器的研究进展 目前，多波长激光器多采用多路光栅选频的半导体激光器或半导体激光器阵列 来实现，但其工艺复杂，价格昂贵。经过多年的发展，光纤激光器正日趋成熟，它 的出现，为w d m 系统提供了一种重要意义的新光源。d w d m 通信系统要求多波 南开大学博士毕业论文 多波长及锁模光纤激光器的理论与实验研究 长光源具有输出波长密集( 通道波长间隔小) ，带宽大，线宽窄，功率谱平坦等特 性，掺铒光纤激光器比较适合制作用于d w d m 系统的多波长光纤激光器。 多波长掺铒光纤激光器的实现形式多种多样，可对其大致分类如下： 1 直接利用掺铒光纤的增益特性，在谐振腔内插入梳状滤波器，通过液氮对掺铒 光纤进行冷却来获得多波长激光输出 在此类方法中，基于光纤光栅的s a g n a c 干涉仪、取样光纤b r a g g 光栅和f a b r y p e r o t ( f p ) 标准具，以及光纤m a c h - z e h n d e r ( m z ) 干涉仪等都可以用作梳状滤 波器。x u e w e ns h u 等人将一个f b g 非对称的置于光纤s a g n a c 环形镜中得到了一种 结构简单的梳状滤波器，由其构成的光纤激光器实现了3 波长激光输出【l1 8 1 1 9 1 。j o n g c h o w 等人在环形腔光纤激光器中用取样b r a g g 光栅实现了间隔1 8 r m a 的5 波长激 光输出；他们还用两个完全相同的光纤啁啾光栅制成宽带透射f p 滤波器，实现了 间隔o 6 5 n m 的1 1 波长的激光输出i i 2 0 。y a m a s h i t a s 等人用腔内f p 标准具制成了 1 7 波长的激光器，波长间隔o 8 姗【12 1 1 。h l a n 等人利用双通的m z 干涉仪实现 了9 波长，波长间隔1 6 r i m 的激光输出【1 2 2 。n a m k y o op a r k 等人利用一段保偏光纤 进行选频得到了2 4 个波长的输出 1 2 3 1 。x p d o n g 等人则利用高双折射环镜做梳状 滤波器得到了多波长的激光输出【l 。 此种方法所面临的最大问题是掺铒光纤的均匀展宽问题。在常温下，掺铒光纤 的均匀展宽线宽为1 1 5 m 旧引。理论和实验研究表明，当多波长激光器的输出波长 间隔小于铒光纤的均匀展宽线宽时，不可避免地存在着严重的模式竞争和模式跳变 问题，从而导致激光器的输出频率特性十分复杂，输出功率也很不稳定。要提高多 波长光纤激光器的工作性能，使得多个波长的光波能较为稳定地同时振荡，就需要 设法削弱这种均匀展宽效应。所以以上方法均采用了7 7 k 的液氮对掺铒光纤进行冷 却，使掺铒光纤的均匀展宽降为l n m 左右【l 。2 3 1 ，但这种方法很难实现实用化。 2 在环形腔中引入移频器或相位调制器实现常温下稳定的多波长输出 b e l l e m a r e 等人在环形腔中引入移频器获得了常温下稳定的多波长激光输出 i t 2 6 1 ，由于反馈的光强经过腔内循环一周后被移动到了相邻的频率上去，不会造成 一个波长上的连续增益放大而饱和，掺铒光纤的均匀展宽被极大地抑制。此后， k e j i a n gz h o u 等人利用正弦相位调制器取代移频器，根据傅立叶展开可知，对光强 的相位调制同样可使得光场的频率发生移动，因而同样实现了多波长激光输出【i 。2 ”。 j e a n n o e lm a r a n ，s e u n gk w a nk i m 等人也分别用此种方法在掺铒光纤激光器中得到 了多波长的激光输出【1 2 8 。1 2 9 1 。 应用这种方法可以很方便地获得常温下稳定的多个波长输出，各波长之间的间 隔可控，但具体的波长位置无法精确控制。 第一章绪论 3 利用特殊结构的掺铒光纤来获得常温下稳定的多波长输出 o c , r a y d 0 1 1 等人用双芯掺铒光纤( 两芯间距4 5 t m ) 制成环形腔激光器，双芯 掺铒光纤由相互平行、间距很小的两根纤芯组成。由于不同波长的光在两芯中的耦 合周期不同，它们的强度分布也不一样，所以双芯掺铒光纤是非均匀展宽介质。设 定纤芯的参数和光纤长度，在腔内可以有多个波长的激光同时振荡，从而在室温下 得到了3 波长激光的输出，波长间隔为0 5 r i m l l ”j 。 应用这种方法可以获得常温下稳定的多个波长输出，但波长的个数、各波长之 间的间隔等不能方便的进行控制，而且需要特殊的制作工艺来获得特殊结构的掺铒 光纤，提高了整个激光器的成本。 4 利用偏振烧孔效应来削弱不同波长的光对反转粒子数的竞争，也可以实现常温 下多波长的稳定输出，这种条件下的多波长光纤激光器大多具有“开关”特性，后 面将对此类可开关多波长光纤激光器进行详细的讨论。 5 利用各种非线性效应来获得常温下稳定的多波长输出 利用普通单模光纤或色散位移光纤中的布里渊散射( s b s ) ，可在掺铒光纤激光 器中得到稳定的多波长输出【1 3 1 。1 3 3 1 。此类方法中，s b s 提供窄带宽的增益，使布里 渊散射波与泵浦波之间存在由光纤中声速决定的精确的频移量，在1 5 u m 波段，其 频移量为l o g h z 。而e d f 提供线性增益来补偿谐振腔的损耗，对布里渊信号进行 放大，以提高多波长信号的输出功率。此类多波长光纤激光器虽然在室温下就能稳 定工作，但是用来产生s b s 效应的泵浦源一可调谐d f b 激光器价格昂贵，使整个 激光器的成本居高不下。 另外，利用四波混频( f w m ) 这种非线性效应也可获得稳定的多波长输出。 x u e m i n gl i u 等人将一段高非线性光子晶体光纤插入腔内，利用光子晶体光纤中的 f w m 效应克服e d f 中的模式竞争，并和e d f 的增益相结合，在掺铒光纤激