（物理电子学专业论文）光纤超短脉冲光源和全光波长变换技术的研究.pdf

摘要 摘要 时分复用与波分复用技术结合是未来全光网络的发展趋势，于是围绕全光网 的功能器件研究成为持续性研究热点。本文主要围绕超短脉冲光源产生技术和全 光波长变换技术取得如下研究成果： 一、非线性偏掘旋转被动锁模掺铒光纤激光器的研究 1 理论分析了被动锁模光纤光腔参数对输出脉冲特性的影响。 2 实验得到重复频率1 3 9 m h z 、脉宽1 5 p s 的稳定锁模脉冲输出。首次实现被动 锁模限变脉冲在9 r i m 范围内连续可调谐。利用5 0 m 普通单模光纤( s m f ) 将脉 冲压缩到7 5 0 f s ，并观察到高阶孤子分裂现象。 二、主被动锁模掺铒光纤激光器的研究 1 理论上，详细分析了色散不平衡光纤环形镜( d i n o l m ) 的开关特性，以及 入射脉冲参数、环形镜参数对d i - n o l m 透射率特性的影响。 2 完成基于d i n o l m 的“8 ”字型主被动锁模光纤激光器实验，得到脉宽1 1 p s 的1 0 g h z 锁模脉冲序列和幅度均匀的2 0 g h z 和3 0 g h z 脉冲序列。 三、光纤超连续谱( f s c ) 产生的研究 l ，通过数值计算，从光纤各种非线性效应、光纤参数以及泵浦脉冲参数三个方 面分析了影响超连续( s c ) 脉冲谱特性的因素。 2 用被动锁模光纤激光器泵浦不同色散特性和长度的光纤，完成s c 产生和谱切 片实验。实现谱展宽大于4 5 0 r i m ，长波段扩展刭1 7 8 0 n m 以上( 受测试仪器限制) ， 在百纳米范围段的不平坦度 - + - 0 2 5 d b ，达到国内最好水平。 四、基于半导体光放大器( s 0 a ) 的四波混频全光波长变换研究 l ，理论上推导出重要物理量对波长变换效率、信噪比的影响。分析了垂直双泵 浦机制可在很宽的频率差范围内得到恒定的效率和信噪比。 2 在实验上，实现了对电吸收调制激光器1 0 g h z 脉冲的波长变换。在国内首次 用正交泵浦方案实现泵光与信号光波长差5 2 r i m 范围内变换效率变化量 3 8 8 d b 。 五、c 带掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益平坦研究 1 首次提出利用普通单模光纤通过缠绕产生双折射，并与不对称放置的偏振控 制器构成光纤环形镜实现e d f a 增益平坦滤波的可行性。 2 在实验上，首次运用上述方法实现了e d f a 的自发发射谱3 4 r i m 范围内 o 6 d b 的不平坦度，为当目前类似方案可以获得的最好水平。 关键词：非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器，色散不平衡光纤环形镜，主被动 锁模光纤激光器，超连续光谱，半导体光放大器四波混频，全光波长变换，增 益平坦 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no f o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o t d m ) a n dw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g i e sw i l lb et h et r e n di nn e a rf u t u r eo p t i c a l n e t w o r k ，w h i c hp u tt h er e s e a r c h e so nc o m p o n e n t si n t of o c u s t h i sd i s s e r t a t i o ni s f o c u s e do nu l t r a - s h o r tp u l s es o u r c e sa n da l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，w h i c h i n c l u d e ： 1 ，n o n l i n e a r p o l a r i z a t i o nr o t a t i o np a s s i v e l y m o d e l o c k e df i b e rl a s e r 1 ) i n f l u e n c eo fc a v i t yp a r a m e t e r so no u t p u tp u l s ew i d t h ，c h i r p ，b a n d w i d t ha n d s t a b i l i t yi si n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y 2 ) s t a b l e ，s e l f - s t a r t i n g1 5 p sm o d e - l o c k e dp u l s ea t1 3 9 m h zr e p e t i t i o nr o t ei s o b t a i n e d t r a n s f o r m - l i m i t e dp u l s ew i t hw a v e l e n g t hc o n t i n u o u s l yt u n a b l eo v e r 9 r i mi so b m i n e df o rt h ef i r s tt i m e n l eo u t p u tp u l s ei sc o m p r e s s e dt o7 5 0 6 w i t h5 0 m s i n g l em o d ef i b e r ( s m f ) a n d b e a u t i f u ld i v i s i o nf i g u r eo f h i g h - o r d e r s o l i t o ni so b s e r v e d ， 2 a c t i v e l y - p a s s i v e l ym o d e - l o c k e d f i b e rl a s e rw i t had i - n o l m 1 ) s w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fd i s p e r s i o n i m b a l a n c e dn o n l i n e a r o p t i c a ll o o p m i r r o r ( d i - n o l m ) i si n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y i nd e t a i l 。 2 ) 1 l p s s t a b l em o d e - l o c k e d p u l s e t r a i na n d2 0 g h z ，3 0 g h zh a r m o n i c m o d e - l o c k e d p u l s e sw i t h u n i f o r m a m p l i t u d e a r eo b t a i n e dw i t ht h ef i g u r e - e i g h t s t r u c t u r e 3 f i b e rs u p e r c o n t i n u u m ( f s c ) p u l s es o u r c e 1 ) t h ei n f l u e n c e so f n o n l i n e a re f f e c t so ff i b e r , f i b e rp a r a m e t e r sa n dp u m pp u l s e p a r a m e t e r so ns u p e r c o n i t n u u m ( s c ) s p e c t r u m a r es t u d i e dn u m e r i c a l l y 2 ) s c i s g e n e r a t e da n ds l i c e di n f i b e r sw i t hd i f f e r e n td i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c a n dl e n g t h m o r et h a n4 5 0 n m2 0 d bb a n d w i d t hi sg e n e r a t e dw i t l lu n i f o r m i t y w i t l l i n 0 2 5 d bo v e rh u n d r e d so fn a n o m e t e r sf o rt h ef i r s tt i m e 4 a l lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nf w mi ns o a 1 ) i n f l u e n c eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e r so nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n ds i g n a l - n o i s e r a t i o ( s n r ) a r e s t u d i e d n u m e r i c a l l y ，i t i sa l s o a n a l y z e d t h a tc o n s t a n t e f f i c i e n c y a n ds n rc a nb eo b t a i n e di naw i d c d e t u n i n gr a n g e w i t h o r t h o g o n a l l yp o l a r i z e dp u m p m e c h a n i s m 2 ) t h eo u t p u t 1 0 g h zp u l s eo fe l e c t r o - a b s o r p t i o nm o d u l a t e dl a s e r ( e a l ) i s a b s t r a c t w a v e l e n g t hc o u v e r t e db yu s i n gf w m i n s o a m e a n w h i l e ，o n l y3 8 8 d b f l u c t u a t i o no fc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo v e r5 2 r i mw a v e l e r i g t hd e t u n i n gr a n g ei s o b t a i n e db y u s i n go r t h o g o n a l l yp o l a r i z e dp u m p f o r t h ef i r s tt i m e 5 ，g a i n f l a t t e n i n go f e r b i u m - d o p e d f i b e ra m p l i f i e rw i t hf i b e rl o o pm i r r o r ( f l m ) 1 ) t h em e t h o do fe d f ag a i nf l a t t e n i n gu s i n gaf l ma c t i n ga s aw a v e l e n g t h f i l t e ri s a n a i y z e di nt h e o r y t h ef e a s i b i l i t y o fu s i n gc l o s e l yt w i s t e ds m f g e n e r a t i n gb i r e f f i n g e n c et o c o n s t r u c tf l mi sb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef i r s t t i m e 2 ) e x p e r i m e n t a l l y a l la s e f l a t n e s so f - + o 6 d bw i t h i n3 4 n mi so b t a i n e d ，w h i c hi s t h eb e s tr e s u l tw i t hs i m i l a rm e t h o du n t i ln o w k e y w o r d s ：n o n l i n e a r p o l a r i z a t i o n r o t a t i o n p a s s i v e l y m o d e 。l o c k e df i b e r l a s e r , d i s p e r s i o n i m b a l a n c e dn o n l i n e a rf i b e rl o o pm i r r o r ，a c t i v e l y - p a s s i v e l y m o d e 。l o c k e d f i b e rl a s e r ，s u p e r c o n t i n u u m ，o p t i c a ls e m i c o n d u c t o ra m p l i f i e r ，f o u r - w a v em i x i n g ，a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，g a i n f l a t t e n i n g i i i 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘鲎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。 学位论文储虢碍 ；、签字吼2 嘭舢月哪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞是鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：了荨 j 、 导9 币签名 学位论文作者签名： c 希寸k 导师签名 江忆 签字日期：，口口；年i ：月l j 日 签字日期：山 年7 2 月7 f 日 第一章绪论 1 1 光通信系统的发展趋势 第一章绪论 从对非线性光纤光学的总结完善到o p t i w a v e 等系统设计软件的不断升级： 从最初的普通单模光纤到色散补偿光纤( d c f ) 、色散平坦光纤( d f f ) 、色散渐 减光纤( d d f ) 、高非线性光纤( h n l f ) 等特种光纤的不断产生；从掺铒光纤放 大器( e d f a ) 由c 带向l 带、c + l 带、s 带的不断扩展；从信号处理由光一电 一光模式向全光处理模式的转变：从光通信网络由2 5 g b i t s 向1 0 g b w s 、4 0 g b i t j s 的大步前进，几代研究人员艰难而又坚定地推动着光通信事业向前发展，“光纤 通信”、“全光网络”几乎已成为家喻户晓的名词。尽管最近两年世界经济低迷的 形势影响了各行各业，也使通信行业受到严重的挫折，但是光纤通信技术仍然在 市场经济的洗礼中得到了不断的发展，有专家预测，以光电子信息技术为主导的 信息产业产值将在2 0 1 0 年达到5 0 0 0 0 亿美元，成为2 l 世纪最具有魅力的朝阳产 业之一。 纵观近年来光纤通信系统的发展，可以看出主要有如下的几个发展趋势： 1 1 1 向4 0 g b s 的高速率发展 为了提高核心网的效率和功能，核心网的单波长速率向4 0 g b s 发展似是必 然，关于4 0 g b s 的实验研究也在广泛开展之中，但是4 0 g b s 系统仍然面临很多 挑战。同1 0 g b s 系统相比较，光信噪比( o s n r ) 、色散、非线性效应、偏振模 色散( p m d ) 等问题给4 0 g b s 系统带来了更大的难度，另外4 0 g b s 集成电路的 芯片设计也将面临巨大的挑战。相应的解决方案也在不断地被提出，例如采用新 的调制和编码形式( r z 码) 、r a m a n 放大、超级前向纠错( f b c ) 以及开发使用 新型的半导体材料制造集成芯片等。仅在o f c 0 3 上，o f s 、a l c a t e l 、f j i t s u 就分 别报道了1 6 t b s ( 4 0 c h x 4 2 7 g b s ) x 6 0 0 0 k mu l t r a w a v e 光纤i “、4 0 c h x 4 3 g b s 2 5 4 0 k ms m f 2 1 、4 3 g b s 4 0 c h 1 6 0 0 k ms m f 的实验结果。 1 。1 2 向超大容量、超长是巨离波分复用系统的发展 波分复用( w d m ) 技术可以有效利用光纤的宽带资源大幅度提高系统传输 容量，研究进展速度惊人。目前，北电等公司的1 6 t b s ( 1 6 0 1 0 g b s ) w d m 系统已经开始大量商用化；日本n e c 和法国a l c a t e l 分别实现了总容量为1 0 9 t b s 第一章绪论 ( 2 7 3x 4 0 g b s ) 4 和总容量为1 0 2 t b s ( 2 5 6 x 4 0g b s ) 的传输容r i e 录t 5 1 。w d m 系统除了波长数和传输总容量不断突破外，为了尽量减少电再生的数量以及随着 光层联网能力的引入，全光传输距离也在大幅度提高。继美国c o r v i s 公司在芝 加哥到西雅图的3 2 0 0 k m 的路由上成功实现了1 6 0 2 5 g b s 信号的传输后， a l c a t e l 也在普通g 6 5 2 光纤上实现了4 8 x1 0 g b s ，4 0 0 0 k m 的传输实验。 1 1 3 光传输与交换技术的融合 随着对光通信的需求由骨干网逐渐向城域网转移，光通信的任务逐渐演变成 将传输数据和提供多种业务融合在一起。目前基于s d h 的多业务传送平台 ( m s t p ) 已经被广泛使用，它可以在s d h 的平台上，同时实现t d m 、a t m 、 以太网等业务的接入处理和传送，提供同一网管的多业务节点设备。此外传输与 交换功能在进一步的光层网络中结合的结果，是产生了自动交换光网络( a s o n ) 的概念。a s o n 不仅可以提供巨大的网络带宽，还可以提供可持续发展的动态网 络结构、有保证的性能和廉价的成本来支持当前和未来的业务与信号成为支持 下一代电信网最灵活有效的基础设旆和新的波长业务的直接提供者。 此外，城域网w d m 技术、i po v e rs d h 与i p o v e ro p t i c a l 、以及光接入网也 都是当前光通信研究领域的前沿和热点。 1 2 光源的研究进展 光源是各种非线性光学研究领域的关键技术之。除了各种光学应用中要求 的高稳定超短脉冲光源之外，作为光通信系统中的关键器件，实用光纤通信系统 对光源主要有以下要求： ( 1 ) 光源的发光波长应该与光纤的工作窗口一致，而且为保证系统长期稳定工 作，光源的波长稳定性相当重要。另外人们希望光源的光谱宽度尽量窄，光源的 光谱宽度直接影响到系统的传输带宽，它与光纤的色散效应相结合，导致噪声的 产生，影响系统的传输容量和中继距离。 ( 2 ) 光源的输出功率必须足够大，光源输出功率的大小直接影响光通信系统的 中继距离。光源的输出功率越大，系统的中继距离就越长，但是如果光源的输出 功率太大，使光纤工作于非线性状态，则是光纤通信系统不允许的。 ( 3 ) 高可靠性、寿命长。光源的工作寿命长，通信才可靠。目前通信工程要求 光源平均工作寿命为1 0 6 小时( 约1 0 0 年) ，一般不允许中断通信。 ( 4 ) 输出效率尽量高，即耗电量尽量低，而且要在低电压下工作。这样，对于 第一章绪论 无人中继站的供电就比较方便。目前输出效率的标准是大于1 0 ，将来希望达 到5 0 。 ( 5 ) 如何高效地用电信号来调制光波是决定系统成败的关键，因此希望光源便 于调制。 ( 6 ) 光源应该价格低廉，能批量生产，同时体积小、重量轻、便于在各种场合 应用。 1 2 1 半导体激光器 对于光纤接入网、本地网( 一般信息传输速率在2 5 g b i t s 以下) ，需要大量 物美价廉的结构简单的半导体激光器，如法布里一珀罗( f p ) 激光器。在中心城 市的市区建设城域网，其传输距离短、信息量大，要求光源速率达到2 5 g b i f f s 乃至1 0 g b i t s ，需要直接调制的分布反馈( d f b ) 半导体激光器。直接调制d f b l d 的最大优点是在高速调制( 2 5 g b i t s _ 1 0 g b i t s ) 的情况下仍然能够保持动 态单模。目前商业应用的直接调制d f b - - l d 能够达到阂值电流5 m a 左右，在 2 5 g b i t s 调制速率下能传输上百公里。调制速率为1 0 g b i 以的直接调制d f b l d 也是研发热点。例如日本三菱公司2 0 0 0 年报道的应用于1 0 g b i t s 局域网传输 的直接调制d f b - - l d ，工作波长为1 3 2 p m ，在p 型衬底上采用掩埋结构，光栅 为m 4 相移结构。通过减小电极面积和激光器腔长( 腔长为2 0 0 肿) ，来提高调制 带宽，并且通过提高耦合系数来保证器件的高温特性。在2 5 。c 7 0 。c 的范围内， 调制带宽都在1 0g h z 以上，在标准单模光纤中传输距离超过2 0k m l 6 j 。2 0 0 1 年， n o r t e l 网络公司的j k w h i t e 等人报道了1 0 g h z 直接调制的i n g a a s pd f b 激光 器，芯片温度从2 5 0 c 到7 5 0 c 之间可以得到恒定的输出功率和消光比，芯片温 度达8 5 。c 时仍可以得到张开的眼图。在8 3 。c 时，利用n o r t e ln e t w o r k s 的o c 一1 9 2 系统作背对背传输2 2 3 1 伪随机码测试显示无误码【7 j 。2 0 0 3 年，日本 f u r u k a w a 公司的h n a s u 等人首次成功地将2 5 g h z 间隔的波长监控器集成到商 业标准豹1 4 管脚蝶形封装d f b 激光器内，并成功实现了从- 5 。c 到7 0 。c 温度变 化范围内的波长锁定，在这个温差范围内，温度引起的最大波长漂移仅为1 5 p m ， 实验预测这种集成了波长监控器的激光器在使用2 5 年后的总的波长漂移量也仅 为8 5 p m l 8 1 。在2 0 0 2 年的o f c 会议上，f l 本n t t 还报道了用于短途光纤链路 ( v s r ) 上的4 0 g b i 讹直接调制d f b h 。 在干线传输网络中，对光源的调制速率和光信号的传输距离都有较高的要 求。目i 掎基于1 0 g b i t s 甚至更高速率的骨干网已经得到迅速的发展，要求光源频 率啁嗽必须控制在很小甚至为负的范围内，直接调制激光器不能满足要求，必须 采用外调制器，目前普遍采用分布反馈半导体激光器( d f b - - l d ) ，电吸收( e a ) 第一章绪论 调制器的集成光源，这种激光器的发展非常迅速，a g e r e 、n e l 、m u l t i p l e x 等公 司已有1 0 g b i t s 速率的产品。由于干线光纤通信继续向高速、大容量的方向发展， 4 0 g b i t s 或更高速率的d f b l d e a 集成光源就成为当前的研究热点m 幢】。2 6 0 2 年的o f c 会议上，h f e n g 等人报道了结构优化设计后得到的4 0 g b i t s d f b e a ， 封装模块的调制带宽可达4 5 g h z 峰峰电压3 9 v 时的动态消光比为9 d b 。该 4 0 g b i t sn r z 信号经过4 k m 普通单模光纤后仍然可以得到清晰的眼图【i3 1 。y a k a g e 等人报道了利用具有行波电极的e a m 与d f b 集成，得到调制带宽大于 5 0 g h z 的实验结果【l 。 此外，w d m 的l d 光源也出单一波长激光器向垂直腔端面发射激光器 ( v c s e l ) 阵列发展。c h a n g h a s n a i n 等最早开展多波长v c s e l 的研究工作 【 6 i 。2 0 0 3 年，p k n e r 等报道了直接调制的在1 5 5 0 n m 波长附近可调谐v c s e l ， 其输出的单模功率在1 0 r m a 调谐范围内大于0 2 8 r o w ，而最小阈值电流低于 l m a t 】。同年a f i l i o s 等又利用1 5 岬2 5 g b s 直接调制可调谐v c s e l 进行 了传输实验，根据使用光纤种类的不同，无补偿的传输距离可达1 0 0 8 0 0 k m l f ”。 1 2 2 光纤激光器 超短光脉冲的产生是实现o t d m w d m 的关键技术之一。同时也是非线性 光学、瞬态光学等研究方向的前沿课题，具有重要的意义。光纤激光器不仅能够 产生连续激光输出，而且能够产生高速率p s - f s 超短光脉冲，是目前光通信领域 的热点研究课题。光纤激光器是在e d f a 技术基础上发展起来的，早在1 9 6 1 年， 美国光学公司的e s n i t z e r 等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但是由 于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢1 1 9 1 。而在8 0 年代英国s o u t h h a m p t o n 大 学的s b p o o l e 等用m c v d 法制成了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器开 辟了新的前景1 2 。 光纤激光器可为高速率光纤通信系统提供较理想的光源，它与半导体激光器 相比具有很多无可比拟的优点： 对于半导体激光器，当激光器耦合进光纤时具有较大的藕合损耗，且耦合效 率难以确保长期稳定。而光纤激光器克服了这一问题，光纤到光纤的耦合技术非 常成熟。不仅有更高的耦合效率而且非常稳定。 光纤具有相当多的可调参数和选择性。因此可获得的激光谱线相当多，再加 上光纤基质有很宽的荧光谱，插入适当的波长选择器商获得相当宽的可调谐范围 和相当好的单色性。因而光纤激光器很适合用于多信道光通信系统( w d m 系统， 因为w d m 系统要求激光器的波长能够被精确控制。) 光纤激光器能设计成单纵 模连续工作，其波长可调谐范围达几十n m 且维持线宽可低于1 0 k h z 。而正常的 4 第一章绪论 d f b 半导体激光器的线宽远大于o 1 v i - i z 且波长可调范围低于1 0 r i m 。 锁模光纤激光器能够产生脉宽小于1 0 0 f s 、重复速率达1 0 g h z 以上的近似变 换极限的超短光脉冲，适合于理想光孤子通信系统。同时这种宽阔波段上高速率 超短脉冲光源又是理想的探测诊断、非线性光学、生物医学、军事等众多领域的 理想工具性光源，可谓前途无量。 另外由于光纤的抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，还可以用作随环境温度和压力 交化的传感器和偏振传感器。 下面我们就国内外近年来几种新型的光纤激光器及其研究进展综述如下。 1 2 1 1 多波长光纤激光器 多波长全光纤激光器具有与光纤及光纤器件兼容、线宽窄、输出功率高、稳 定性优良、可以同时输出两个以上波长等优点。同时，掺铒光纤( e d f ) 具有较 宽的增益带宽，又正好落在光纤损耗量小的波段上，因此1 5 5 0 n t o 波段的多波长 掺铒光纤激光器( m w e d f l ) 也备受重视。几种结构新颖的m w e d f l 相 继出现。根据掺铒光纤( e d f ) 在激光器中起的作用，可以将m w - - e d f l 分成 两类：一类是直接利用e d f 的增益特性，这类激光器的谐振腔可以是线形腔， 也可以是环形腔，用9 8 0 r i m 或1 4 8 0 n m 的l d 做泵浦光。在腔内插入选模器件， 就能在c 带、l 带获得激光输出。但是这些实验结果表明，在波长间隔较小时， 激光波长的稳定性随着均匀增益加宽e d f 的交叉增益饱和而降低。为了提高多 波长输出的稳定性，需要有效地抑制增益竞争。目前常用的几种方法有利用液氮 冷却e d f 2 1 1 ，使用多芯或椭圆e d f 22 1 ，在谐振腔内插入频移器。但是对于所 有的输出波长来说都是相同的e d f 和滤波器，就存在着对不同波长的腔内损耗 以及增益之间的平衡问题。2 0 0 3 年，b a y u 等人最新报道了利用半导体光放大 器和高双折射取样光栅构成环形腔光纤激光器，在室温下得到间隔o 8 r i m 的4 波长输出。通过调节环形腔内的起偏器方向，还可以得到相对于这一组波长移动 了0 4 n m 的另外一组波长输出【2 4 1 。 幽1 2 1 级蛾f b g 构成的多波艮光纤激光器 醛 第一章绪论 图l - 2 1 所示为2 0 0 3 年q m a o 等人利用级联的光纤布拉格光栅( f b g ) 构 成线形腔，不但得到多波长输出，而且输出波长的中心波长和功率可以分别独立 的控制【2 5 1 。 另一类m w - - e d f l 是利用普通单模光纤中的受激布里渊教射( s r s ) 效应 和e d f 的线性放大作用得到多波长输出【2 ”。9 8 年，d s l i m 等人报道了利用 这种原理构成的8 字型m w e d f l ，得到间隔0 0 8 n m 的2 3 波长输出【2 。图1 2 2 所示为wyo h 等人2 0 0 2 年报道的共享腔结构，其中光纤平面镜( f p m l 和 f p m 2 ) 与s a g n a c 反射镜分别构成两个激光腔，它们共享s a g n a c 反射镜。当s a g n a c 反射镜被其中的偏振控制器p c 调整到全反状态时，两个激光腔各自独立运行。 从l 臂( a r m l ) 注入的b n l l o u i n 泵浦光在f p m i 和s a g n a c 反射镜之间振荡，并 在s a g n a c 环内产生相向传输的两束一阶s t o k e s 波。这两束s t o k e s 波具有相同的 相位，因此在s a g n a c 的输出端口2 干涉相加并由2 臂( a r m 2 ) 注入到f p m 2 和 s a g n a c 反射镜构成的激光腔内。这样在f p m 2 与s a g n a c 构成的激光腔内振荡的 一阶s t o k e s 波在s a g n a c 内又形成相向传输的两柬二阶s t o k e s 波，并在s a g n a c 的端口l 处由l 臂注入到f p m l 和s a g n a c 构成的激光腔内，二阶s t o k e s 又在 s a g n a c 内产生三阶s t o k e s 波，以此类推。这样这个m w - - e d f l 除了可以工作在 间隔0 0 8 n m ( 1 0 g h z ) 的普通多波长状态下，还可以得到间隔o 1 6 n m ( 2 0 g h z ) 的奇数阶或偶数阶s t o k e s 波的多波长输出1 2 。 o u t p u t 2 图1 2 2 共享腔结构的多波长光纤激光器 总之多波长光纤激光器与日前热点研发的v c s e l 阵列甚至可调谐v c s e l 阵列的实用化竞争中，谁能胜出的关键将是性价比。 1 ，2 2 2 锁模光纤激光器 锁模光纤激光器主要分为主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器和主被 6 第一章结论 动锁模光纤激光器三类。 ( 1 ) 主动锁模光纤激光器 目前，直接调制的主动锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率可达到 4 0 g h z l 3 0 l ，有理数谐波锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率可达2 0 0 g h z j ，此 外借助于梳状滤波器以及腔外色散渐减光纤压缩等技术阱j ，可以获得亚皮秒量级 的超短脉冲。当前影响主动锁模光纤激光器实际应用的一个主要问题是稳定性， 包括短期不稳定性和长期不稳定性。其中短期不稳定性主要归结为驰豫振荡和超 模竞争这两个原因的影晌。解决短期不稳定性的一个比较直接的方法就是在激光 腔内尽量使用保偏光纤、保偏器件和等重复频率滤波器，这样做的效果比较明显 但是成本较高1 3 3 l 。造成长期不稳定性的原因主要是腔长和调制频率的不匹配。克 服长期不稳定性主要通过引入反馈来控制腔长或者调制频率，来达到两者的匹 配，目前常用的两种技术是：在腔内加入压电陶瓷或者时延线伺服控制腔长【j 4 】； 采用锁相环( p l l ) 反馈控制调制频率，即所谓再生锁模方法，一个新进展是图 1 2 3 所示的b b a k h s h i 等人报道的典型的利用锁相环实现光纤激光器长期稳定 的实验装最。激光器输出的一部分被耦合进入时钟提取电路：由光探测器转变为 电信号后经过移相器，再经过放大器进入混频电路，然后由锁相环控制调制频率。 最后实验得到波长4 0 r i m 调谐范围内1 2 1 9 p s 限变脉冲输出，时间抖动 1 0 g b s ) 的能力，而且易于和其它半导体光电器 件集成在一个芯片中，基于s o a 的全光波长变换器具有高输出信噪比、输出功 率适中、能实现同一波长变换等优点，受到广泛的重视。目前研究的主要方法包 括：利用s o a 中的交叉增益调制( x g m ) 、利用s o a 中的交叉相位调制( x p m ) 、 基于s o a 的四波混频( f w m ) 效应。 1 3 3 1 基于$ 0 a 中的x g m 全光波长变换 基于s o a 的x g m 波长变换器利用s o a 的增益饱和特性来实现，原理如图 1 3 1 所示。在s o a 内传输的信号光通过消耗载流子引起的增益饱和来调制s o a 的增益，信号光对s o a 增益的调节又使同时入射的连续信号( 探测光) 光受到 调制，信号光上的信号就转换录制到了探测光上( 反码) 。根据信号光与探测光 第一章绪论 注入方向的不同，可以分为同向注入和反向注入两种。分j j q 如图1 - 3 1 中的( a ) 和( b ) 所示。 ( a ) 剐孚岳_ j - l - 1 _ k s 一一 图1 3 1 基于x g m - - s o a 的全光波长变换：同向输入c a ) 和反向输入( b ) s o a - - x g m 全光波长变换器存在的主要缺点是变换信号为反码；向长波长 变换时消光比降低；变换信号频率啁啾大【5 ”。为了克服消光比降低的问题，人们 提出利用两级级联的方案来提高消光比【5 “”，y = m a o 等人又对三级级联结构进 行了分析和实验，得到各级输出的消光比分别为4 d b ，9 d b 和1 3 r i b 6 0 】。另外一 种方案是利用包括s o a 的n o l m 实现波长变换，其中x o m 变换信号在环形镜 中反向传输，光信号的啁啾被用来产生这两个信号的相位差，这样既降低啁啾， 又提高了消光比。j i a n j l n ly u 在4 0 g b i t s 信号波长交换的实验发现，利用n o l m 这种结构，可以使变换光的消光比提高3 d b 以上1 6 “。 1 3 3 2 基于s o a 中的x p m 全光波长变换 ( a ) n 厂 几 ( c ) 圈1 3 - 2 基于x p m - - s o a 的全光波长变换 同向传输m z l ( a ) 反向传输m z i ( b ) 和m l 结构( c ) 第一章绪论 当信号光和探测光在s o a 内共同传播时信号光强度能够调制s o a 的有效 折射率，从而改变探测光的传输相位，从而实现波长变换。图i 3 。2 分别给出了 通常采用的同向m z 干涉仪结构、反向m z 干涉仪结构以及迈克尔逊干涉仪 ( m i ) 等形式。这种波长变换器基本不受载流子恢复时间的限制，具有高速、 低啁啾、高消光比、波长独立等优点。目前报道的利用干涉仪结构实现的全光波 长变换最高速率已达1 0 0 g b i t s 6 2 ) 。但是其缺点是干涉仪输入光功率的动态范围 小，这就需要控制干涉仪的调节电流或者在干涉仪前加e d f a 或s o a 来克服。 s l d a n i e l s e n 报道的对1 0 g b s 信号进行波长变换的实验中，利用控制干涉仪电 流的方法，可以使动态范围提高3 8 d b 。在波长变换器前插入e d f a 或s o a 进 行放大的方法则可以分别得到4 0 d b 和2 8 d b 的动态范围娜j 。2 0 0 3 年，最新报道 的4 0 g b i t sm z 全光波长变换器输出的信噪比可以高达3 6 d b ，而且功率罚为 零，并且证明有工作在8 0 g b i t s 的潜力坤”。 1 3 ，3 3 基于s o a 中的f w n 全光波长变换 x i n p u ts t a t eo f p o l a r i z a t i o n p u m p p u m p ( a ) i n p u t s t a t eo f p o l a r i z a t i o n x。i n 舱 2 曲一0 2 t 0 1 2 o u t p u ts p e c t r u m f c l ( b ) 图1 - 3 3 双泵浦f w m - - s o a 的基本原理图 平行蒙浦f w m ( a ) 、1 e 交泵浦f w m ( b ) 、偏振分集f w m ( c ) 第一章绪论 s o a f w m 全光波长变换器是基于s o a 中有源区的三阶非线性效应，导 致输入信号和泵浦光信号的混频产生新的频率分量，新的波长包含有泵浦光的强 度和相位信息，所以f w m 是唯一能够对输入信号进行透明变换的波长变换技 术具有速度快、对信号调制形式和比特率透明、波长变换范围大等优点。但是， 其变换效率低，偏振敏感，而且变换效率和信嗓比极大地依赖于输入信号光和探 测光之间的频率差。为了解决这些问题，目前提出的主要解决方法是双泵浦四波 混频，主要包括平行双泵浦f w m 、正交双泵浦f w m 和偏振分集f w m ，它们 的基本装置图、输入光的偏振态以及输出光谱图分别如图1 3 3 中的i 、b 、c 所 示【6 5 】。理论计算和实验都表明，双泵浦f w m 的方案可以得到超宽带的比较平坦 的转化效率。我们将在第五章中详细介绍有关的研究进展。 1 3 2 以光纤为非线性介质的全光波长变换器 利用光纤中存在的交叉相位调制和四波混频等非线性效应，可以制成光纤 基全光波长变换器。 1 3 2 1 非线性光学环形镜波长变换器 n o l m 波长变换器是利用光纤中的交叉相位调制作用制成的，其结构如图 1 3 4 所示。由于控制脉冲却的位置不对称注入，使得顺时针方向和逆时针方向 传输的信号光产生相位差，在输出端口2 产生信号输出若控制光使信号光的相 位差在0 和耳之间变化，从而实现了波长变换。n o l m 可以实现较宽波长范围内 的变换。而且已经有了4 0 0 b s 速率变换的报道 酯】。但是这种波长变换器需要对 信号脉冲和控制脉冲进行同步。 图1 弓4 非线性光学环形镜波氏变换器的示意图 1 3 2 2 基于光纤中四波混频的波长变换器 基于光纤中四波混频的全光波长变换器的原理与基于s o a f w m 的波长 籀一章结论 变换器类似，它不但可以实现严格的透明的波长变换，还可以将d w d m 系统中 的一组信号同时进行频率搬移。光纤作为四波混频介质的优点是响应快，转换码 率几乎是不受限制的，但是它的一个严重缺陷是效率很低，需要长距离光纤积累 非线性效应，而且受光纤色散的影响，随着泵浦光波长偏离零色散波长程度的增 加，其变换效率迅速降低，限制了转换带宽。为了克服这些缺点，人们采用高非 线性光纤( h n l f ) 作为四波混频介质，这种光纤的非线性系数可以大于 2 1 w o n 一从而可在较短的光纤内实现波长变换。2 0 0 0 年，o s a m ua s o 等人 利用1 0 0 m 高非线性色散位移光纤( h n l d s f ) 对2 6 路w d m 信号( 从 1 5 7 0 1 6 l1 n m ) 同时进行波长变换，得到了近9 l n m 变换带宽1 6 ”。2 0 0 2 年，m w e s t l u n d 等人报道了利用1 1 5 mh n l f 作为波长变换器，通过沿光纤长度方向产 生温度梯度的方法提高受激布里渊散射( s b s ) 闽值，获得了6 1 r i m 变换带宽， 泵浦光波长调谐范围2 4 r i m 【6 ”。在e c o c 0 3 上，f u r u k a w a 报道的利用非线性系 数2 4 一k m 。h n l f 对1 6 0 g h z 脉冲进行波长变换，得到的输出信噪比商达 4 0 d b l 6 9 1 。 1 3 3 以半导体激光器为非线性介质的全光波长变换器 1 3 3 1 饱和