（通信与信息系统专业论文）主动锁模光纤激光器稳定技术研究.pdf

摘要 摘要 圭垫丝送堡受当堑塑堂登作为一种超短光脉冲光源是超大容量光纤通信 系统的关键技术 本文围绕着丰动锁模环形光纤激光器的稳定技术 从理论 和实验两方面做了以下几个方面的工作 本文首先阐述了主动锁模激光器的基本原理 并采用a b c d 矩阵分析方 法对主动锁模环形光纤激光器进行了分析 通过与同样条件下的测量结果进 行的比较表明 用该分析方法得到的主动锁模环形光纤激光器模型参数与实 际情况基本相符 主动锁模环形光纤激光器由于其腔结构的影响丽引入了诸多噪声 因而导 致其工作的不稳定 通过对噪声机理的分析 我们提出了抑制噪声并提高其 工作稳定性的方案 通过对大色散腔主动锁模光纤环形激光器特性的研究 得出了大色散腔丰 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 并且通过改变外 调制频率可以实现输出波长可调谐 首次提出将波长锁定器用于实现腔长稳定 并且在主动锁模环形光纤激光 器的调制器前端取消偏振控制器 l 该方案在抑制噪声 保持激光器的脉冲重 复频率和工作波长的稳定方面得到了较为满意的结果 7 7o 7 关键词 l 光纤激光器 主动锁模 自相位调制 群速度色散 波长锁定器 超模噪声 偏振模噪声 腔长漂移 色散补偿光纤 摘要 a b s t r a c t 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 r w h i c hi su s e df o rt h eu l t r a s h o r t o p t i c a lp u l s es o u r c e i so n eo f t h em o s te s s e n t i a lt e c h n o l o g yo ft h eh i g h c a p a c i t y o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i sw o r k t h es t a b i l i z a t i o nm e t h o d s o ft h e a c t i v e l y m o d e l o c k e df i b e rl a s e ra r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y a n d t h e o r e t i c a l l y w h i c hi n c l u d e a tm 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 1 0 c k e df i b e ri sd e m o n s t r a t e d t h e n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e o u t p u tp u l s e s i ns u c hl a s e ra 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 ya n dn u m e r i c a l l yw i t ha b c d m a t r i xf o r m a l i s m t h ec o m p a r i s o no f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti nt h es i m i l a rc a v i t yp a r a m e t e r s i n d i c a t e dt h a tt h em o d e l i n gp a r a m e t e r so ft h ea c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r c a l c u l a t e di na b c dm a t r i xf o r m a l i s ma r ec o n s i s t e n tw i t ht h a to ft h ep r a c t i c a lo n e w e a l l a l y z e dt h ei n h e r e n tn o i s e sa n dt h en o i s e si n t r o d u c e df r o me n v i r o n m e n tf l u c t u a t i o n o ft h ea c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r t h e n w ep r e s e n to u rs c h e m at os u p p r e s st h e s en o i s e s a n dm a k et h ea c t i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e ro p e r a t e ds t a b l y t h e l a r g e rn o r m a ld i s p e r s i o nf i b e rr i n go ft h ea c t i v em o d e l o c k e dl a s e rw i t h t u n a b l ew a v e l e n g t hi ss u g g e s t e da n dt h eg o o dp r o p e r t yo nt h en o i s er e d u c t i o na n d s t a b i l i t ye n h a n c e m e n t i ss t u d i e d t 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 y t h ew a v e l e n g t hl o c k e ri su s e dw i t ho p t i c a lt u n a b l ed e l a yl i n et or e a l i z et h e c a v i t yl e n g t hs t a b i l i z a t i o nf o rt h ef i r s tt i m e t om a k e t h ep o l a r i z a t i o ns t a t es t a b l e i nt h i ss c h e m a t h ep o l a r i z a t o r d c f a n dp o w e rs t a b l ee d f aa r eu s e dt os u p p r e s s n o i s ea n d k e e pt h el a s e ro p e r a t es t a b l y k e yw o l d s f i b e rl a s e r a c t i v e l ym o d e l o c k e d s e l f p h a s em o d u l a t i o n g r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o n g v d w a v e l e n g t hl o c k e r s u p e r m o d en o i s e p o l a r i z a t i o nn o i s e c a v i t yl e n g t hd r i f t d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r d c f 天津人学硕士学位论文 第一章绪论 第一节高速大容量光网络的发展与光波时分复用技术 i n t e m e t 爆炸性的增长推动了通信信息技术 信息处理和传送 和网络技术的 迅速发展 随着信息化程度的不断提高 人类对通信的容量 速度 质量以及服 务种类的要求也越来越高 在以i p 为代表的数据业务井喷式增长和新型业务不 断涌现所带动的的巨大带宽需求的推动下 一些新兴的通信技术应运而生 例如 a t m 技术 宽带无线技术以及光通信技术等 在这些通信技术中 光通信技术 凭借其巨大潜在带宽容量的特点 成为支撑通信业务量增长的最重要的通信技术 之一 光通信的发展速度不仅超过了由摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展 速度 而且也超过了数据业务的增长速度 成为近年来发展速度最快的技术 自从1 9 7 0 年光纤的损耗降到2 0 d b k m 以下并且由贝尔实验室制出了可以在 室温下连续工作的铝镓砷 a i g a a s 半导体激光器 光纤通信就以惊人的速度 发展起来 1 9 8 0 年b e l l 实验室铺设了7 k m 的4 5 m b s 的传输系统 几年之后就 发展到2 路5 0 k m 的1 7 g b sw d m 的水平i l l 到了9 0 年代 i p 网络的高速发展对网络的带宽发展提出了较高的需求 传 统的电复用技术与交换技术已不能满足日益增长的带宽需求 必须采用高速的光 信号复用与光信号处理技术 由于是受电子器件的速率限制 目前电信号所能够 实现的最高速率为4 0 g b s 再进一步提高速率将变得十分困难 电信号的处理 己接近其瓶颈 原有的以电子交换为核心的网络已经不能满足应用需求 而光网 络由于其巨大的带宽及光处理的高速 可以满足i p 网络的流量需求和服务质量 的要求 随着w d m 技术 光放大技术 色散补偿技术 波长转换技术 o t d m 技术 光包交换技术的先后研制成功 通信网正在向以t b s 光网络为核心网的 宽带网络演化 目前单信道传输速率为1 0 g b s 的光纤通信系统已经商用 传输速率为4 0 g b s 的系统也已进行了现场实验 在密集波分复用技术方面 目前已有3 8 4 波长的 天津人学硕士学位论文 d w d m 实验的报道 同时 许多世界著名的光通信实验室正在研究t b s 光通信技术 如n t t 实 现了1 t b s 1 0 0 g b s x l 0 w d m o t d m 在色散位移光纤 d s f 中传输4 0 k i n 2 1 其它 实验室 如b e u 实验室和f u j i t s u 的研究机构 也有类似的报道 在o f c 2 0 0 1 上 k a t s u m ie m u r a 的特邀报告中阐述了数t b sd w d m 技术 与前景 3 e c o c 2 0 0 0 中也报道了7 t b s 4 0 g b s 1 7 6 实验系统 4 1 目前提高光网络的容量主要有几种途径 一种是采取波分复用 w d m 技 术 w d m 系统能够按波长对信号进行透明的复用 而且不用考虑同步的问题 因此具有极大的灵活性 在网络节点 能够按波长选择路由 实现光的交叉连接 组成透明的光网络 另外 根据通信理论 在有限的传输频带范围内通过提高单 信道传输速率可以有效的提高通信系统的容量 因此 另一种有效的途径是采用 光波时分复用 o t d m 技术 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 类似于电的时分复用 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 0 n 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1 3 2 九十 年代 p f 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 3 3 l 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1 3 5 1 欧洲和日本也分别对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 s 1 0 g b s x l 0 o t d m 演示系统 日本n t t 在1 9 9 9 年实现了 天津大学硕i 学位论文 3 t b p s 1 6 0 g 1 9 c h o t d m 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 3 2 的单纤容量及双向双纤环型网络 和点到点通信结合的复杂网络拓扑结构 6 j 国内对o t d m 系统及关键技术的研究也非常重视 先后在 8 6 3 计划和国 家自然基会重点项目中给予支持 本课题组曾与清华大学 北京邮电大学 北方 交通大学等联合完成的 8 6 3 项目 2 5 g b s 8o t d m 传输系统关键技术研究 目前正在进行 8 6 3 项目 码率透明的全光时钟提取技术 及信息产业部项目 10 g b s x 4o t d m 传输系统关键技术研究 第二节超短光脉冲技术及国内外发展状况 尽管作为系统整体技术 o t d m 目前还没有达到商用水平 但其在研究过程 中发展起来的各种相关技术对光纤通信技术的发展都将具有重要的意义 其中高 质量 高速率超短光脉冲的产生技术是o t d m 系统的核心技术 它不仅可用于系 统信号源而且还能用于全光的复用和解复用 为了提高光通信系统传输速率和传 输距离以及保证良好传输质量 一方面应合理的配置传输线路的色散 以减小脉 冲在光纤中传输时因群速度色散 g v d 效应而导致的脉冲展宽 另一方面应 选用啁啾小 线宽窄 输出脉冲重复频率高的超短脉冲激光器作为光源 1 超短光脉冲的产生和特性 通常用于光纤通信光源的激光器一般工作在全占空比 n a z 码 半占空比 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1 5 3 超短脉冲光源目前有多种技术 其 中主动锁模环形光纤激光器是目前最有潜力的一种 其它的技术还包括增益开关 半导体激光器技术和连续半导体激光器 电吸收调制器技术 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 也就是傅里叶变换极限 t r a n s f o r m l i m i t e d 谱宽 另一部分则是由于光脉冲的频率啁啾所引起的谱宽展宽部分 根据非线性光纤光 天津人学硕i 学位论文 学的理论1 2 6 1 当光源无啁啾 c h i r p 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f 情况下 啁瞅越大的光脉冲 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脉宽r 越窄 则其谱宽a m 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g v d 影响最小 所以 对于高速光纤通信系统而占 信号源 的质量好坏将直接影响整个系统性能 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 幅度调 制或相位调制 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问 建立固定的频率间隔和位相关系 从而产生峰值功率极高 脉宽极窄 可达到飞 秒量级 的相干超短光脉冲 其中利用锁模技术的主动锁模光纤环形激光器可以 产生高重复频率 可调谐 p s 脉宽 无啁啾的变换极限脉冲 并且具有易于同步 输出功率大等特性 目前 许多国外的光纤通信实验系统已经开始采用锁模光纤 激光器作为光信号源 但是其实用化仍然面临着许多困难 主要是它所存在的噪 声和稳定性的问题 世界各国科技工作者相继提出多种方案 1 2 2 1 1 以设计出较为合 理的腔构以产生输出脉冲重复频率高 质量好的光脉冲 2 主动锁模光纤激光器的稳定技术 主动锁模光纤激光器由于腔长较长 通常为几十到几百米 当外界环境条 件发生变化时 容易受机械震动及温度变化的影响 引起锁模激光器的腔长漂移 及腔内光偏振态的变化 所以 如何稳定腔长成为锁模光纤激光器稳定工作的一 个必须解决的问题 当锁模激光器的脉冲重复速率非常高时脉冲序列的时间抖动 以及脉冲之间的干扰也会造成输出信号的不稳定性 对于长度达几十甚至数百米的光纤谐振腔 光纤的长度及折射率将随环境温 度的变化而发生漂移 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 在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 天津大学颂i 学位论文 另外 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 为了克服前述的各种不稳定因素 目前已经提出了多神方案 比如通过采用 再生锁模的办法可以有效的克服由于腔长的漂移所导致的模式失锁i i2 j 通过采用 全保偏腔可以有效的克服偏振噪声 1 3 克服超模噪声目前有如下几种方式 如使 用p z t 对掺铒光纤进行l d i z 量级的扰动 1 4 在腔内加入f a b r y p e r o t 滤波器 1 5 l 复合腔结构抑制超模噪声 1 6 1 以及利用光纤的非线性偏振旋转效应 n p r 结合 偏振控制器构成反饱和吸收体 1 7 1 对于主动锁模光纤激光器当腔长发生微小漂移的情况下 光信号经过调制器 时与调制信号之间存在一相位差 由于腔长的漂移量总是处于不断的变化之中 则该相位差也在不断的变化 导致输出脉冲序列中产生相位噪声 相位噪声的大 小与腔长的漂移量成正比 因此通过对输出光脉冲的相位与外调制信号的相位进 行比较 可以得到误差信号 用此信号驱动腔长调节机构以调节腔长 再生锁模技术是克服锁模光纤激光器的调制频率与腔长不匹配所造成的输 出波形的不稳定性的一种有效办法 1 2 l 再生锁模技术是通过自拍信号的反馈来校 正调制频率 维持腔长与调制频率的匹配状态 从而保证激光器长时间稳定运转 其的基本原理是 光纤环路中包含有纵模的各种谐波分量 从光纤环路中取出光 信号 经过光电变换后 在经过电滤波器提取出需要的谐波分量 经过放大后提 供给电光调制器进行器进行强度调制 由于此时的调制信号直接取自于激光器的 谐波分量 当环形腔的长度发生变化时 其基频的谐波分量相应的发生变化 调 制器的频率也相应的发生变化 从而保证了调制频率与谐波分量的匹配 当然 再生锁模技术也有其自身的缺点 主要是在没有采用腔长稳定措施的自由运转的 天津犬学坝i 二学位论文 情况下 其重复频率会随着时间而漂移 最近 在此基础上又提出了重复频率和 腔长双稳定的方案 j 在进行再生锁模的同时 设计一个腔长稳定模块 利用从 腔中提取的电时钟信号与频率合成器的标准输出进行比较 利用得到的低频误差 信号通过比例放大或积分电路产生出相应的控制信号反馈到腔长控制器件 压电 陶瓷器件或光可变延时线 微调腔长使其稳定 这种再生锁模光纤激光器的优 点是环行腔可以由非保偏光纤构成 因而成本较低 另外 如果采用压电陶瓷时 其响应速度快 能跟踪较快的频率漂移 但是压电陶瓷的缺点是伸缩量不够大 难以在长时间工作情况下 补偿较大的腔长漂移 此外 由压电陶瓷伸缩给光纤 所造成的应力容易引起腔内偏振态的扰动 采用这种再生锁模方案较为复杂 另外通过检测输出脉冲的相位噪声也可以实现腔长的长期稳定 3 在主动锁 模光纤激光器的腔长发生微小漂移的情况下 光信号经过调制器时与调制信号之 间将存在一相位差 由于腔长的漂移量总是处于不断的变化之中 则该相位差在 不断的变化 导致输出脉冲序列中产生相位噪声 相位噪声的大小与腔长的漂移 量成正比 因此通过对输出光脉冲的相位与外调制信号的相位进行比较 可以得 到误差信号 用此信号驱动腔长调节机构以调节腔长 但是 该方案需要使用高 速的光检测器 如p i n 对输出光脉冲进行检测 并且需要采用高速电路进行电 信号之间的相位比较 实现起来较为复杂 并且成本较高 超模噪声是谐波锁模激光器的固有噪声 由于谐波锁模光纤激光器的模式被 分为n 组超模 超模间的竞争将产生超模噪声 对于超模噪声的抑制目前已经 提出的方案由多种 一种是在腔内加入f a b r y p e r o t 滤波器的方法 i5 1 f p 滤波 器由两个镀有高反射膜且相互平行的反射面构成 调节f p 滤波器间隙距离 使 其自由光谱区 f r e es p e c t r u mr a n g e f s r 与调制频率相等就可达到选频目的 当 腔内有n 组超模时 只有谐振频率与f p 滤波器的峰值频率相一致的 组超模 才能在腔内振荡 而另外n 1 组超模被有效地抑制了 在主动锁模光纤激光器中也可以利用腔内非线性偏振旋转效应形成饱和吸 收体和饱和透射体实现超模噪声的抑制及脉冲的压窄i 当光场经过起偏器和偏 天津大学硕十学位论文 振控制器以线偏振光进入 段光纤时 通常选用d s f 由于光纤内的双折射现 象 光场会由线偏振光演变为椭圆偏振光 同时因这段光纤内光强一般很强 存 在着较强的k e r r 效应 光场的两个本征偏振态将受到非线性相位调制 这样 光场经过k e r r 介质后就会产生非线性偏振旋转 旋转角度的大小与光强有关 当光场再次经过起偏振器时 光场偏振态的旋转变为其透过率的改变 由于偏振 态的旋转与光强有关 因而透过率也随入射光强而变化 通过调节偏振控制器 可使强光透过率大 弱光的透过率小 也就是在腔内形成等效的可饱和吸收体 当光脉冲经过可饱和吸收体时 中心部分透过率大 而前后沿的透过率小 从而 压窄脉冲 这一技术最早应用于被动锁模光纤激光器中 同样 在主动锁模光纤 激光器中 利用光脉冲在光纤中的非线性偏振旋转效应 并适当控制随后的偏振 元件的的偏振选择方向 可以使强光的透过率小而弱光的透过率大 就形成了一 种等效的可饱和透射体 这种等效的可饱和透射体可以起到抑制光脉冲幅度抖动 的作用 从而提高主动锁模光纤激光器的稳定性 i 璺i1 1 采用非线性偏振旋转效应的主动锁模环形激光器 因此 在主动锁模光纤激光器中 适当调节腔内的偏振元件的偏振选择方向 可以使脉冲的中心部分由于非线性偏振旋转效应导致饱和透射 在脉冲的前后沿 则表现为饱和吸收 此时脉冲顶部的的幅度抖动因饱和透射而得到抑制 其前后 沿由于饱和吸收而使脉冲压窄 这意味着当腔内光脉冲的幅度因驰豫震荡或超模 嘲 天津大学硕上学位论文 噪声等因素而发生抖动时 饱和透射体 能够起到抑制该抖动的作用 试验表明 在主动锁模光纤激光器中插入由一个起偏器 一个偏振控制器和 一段色散位移光纤 d s f 组成的等效可饱和吸收体和可饱和透射体时 可以同时 实现脉冲压窄及抑制超模竞争引起的抖动 该装置如图1 1 所示 上图中 非线性偏振旋转效应主要发生在位于e d f a 后的d s f 中 偏振控制 器p c i p c 2 和偏振器的作用是利用非线性偏振旋转效应在腔内形成等效的可饱 和吸收体与可饱和透射体 然而 这种直接在腔内设置一个可饱和吸收体与可饱 和透射体方法将使得谐振腔内运行脉冲会受到多重调制 因而会在一定程度上削 弱主动锁模机制 并且腔内采用了多个偏振控制器 因而导致态调节复杂 另外一种抑制超模噪声的理论是由m n a k a z a w a 等提出来的利用自相位调制 和频谱滤波效应实现超模噪声的抑制i7 1 在主动锁模光纤激光器中通过采用较长 的腔 1 0 0 米以上 并结合带通滤波器可以实现超模噪声的抑制 在幅度调制的 锁模过程中 随着脉冲峰值功率的增加 将产生自相位调制并且脉冲的两翼将带 有频率啁啾 然而 时域中脉冲两翼频率啁啾所对应的频谱分量在通过光滤波器 时被滤掉 这样由s p m 和滤波器相结合 可以消除啁啾 从而压窄脉冲 同时 滤波器也限制了脉冲的谱宽 因此 具有较高光功率和较窄脉冲宽度的脉冲峰值 强度被限制在滤波器带宽内 也就是脉冲的部分能量从脉冲中心转移到脉冲两翼 并最终被滤波器滤掉 当脉冲谱宽与滤波器带宽相比达到的一定比值时 脉冲强 度被钳制在某一稳定的强度等级 该过程起到了与光脉冲强度相关的增益限制或 损耗增加的作用 这种情况下 如果脉冲宽度由于扰动而进一步增加 则额外的脉冲能量由于 滤波器与额外的s p m 相结合而被消除 另一方面 如果脉冲幅度减小 脉冲能 量由于通过滤波器和受到较小的s p m 而增加 较小的频谱宽度在经过滤波器时 受到较小的损耗 小幅度的脉冲可以通过e d f a 自动建立起来并且在s p m 起作 用时通过a m 调制器而被压窄 这样就存在幅度固定的稳态条件 也就是超模噪 声将被抑制掉 当s p m 足够强时 锁模光纤激光器将稳定工作 因此 在光脉 天津人学坝i j 学位论义 冲的峰值功率一定时 应该使腔长足够长以产生足够的s p m 同样的光功率 当腔长较短时 例如1 0 0 米 将出现超模噪声 如果光脉冲的峰值强度加倍 则对超模噪声的抑制的效果与腔长较长 如2 2 0 米腔长 时的超模噪声的抑制效 果类似 也就是说非线性相移在在抑制超模噪声方面有重要作用 同时 滤波器 在限制脉冲能量及稳定脉冲方面也具有重要作用 仅仅采用较长的腔长不能完全 实现该目的 幅度很强的主纵模可引起s p m 因此在频域中 由于s p m 所引起的四波混 频而在主纵模的频谱两侧产生新的边带 当产生边带时 边带将自注入锁定原先 已经存在于边带波长处的各纵模 这样 由于四波混频而引起的边带相位锁定将 产生脉冲幅度恒定的稳定锁模 研究表明 无论在反常色散 零色散及j 下常色散区域 前述的方案对于超模 噪声抑制并没有显著的变化 严格的说 在反常色散区使用滤波器可以实现脉冲 的孤子标准化 得到更好的稳定性 在正常色散区 如果脉冲宽度比孤子宽并且 峰值强度比孤子低 则噪声抑制效果将弱得多 然而 只要脉冲的峰值强度足够 产生s p m 就能够对噪声进行抑制 色散管理的概念也可以应用到于主动锁模光纤激光器的设计中 通过对锁模 光纤激光器内色散进行合理的设计 我们可以得到符合要求的光脉冲输出 在采 用适当色散管理的情况下 可以明显的减小脉冲输出的时间抖动 2 4 1 通过采用色 散管理技术 可以有效的克服主动锁模掺铒光纤激光器可能存在的的脉冲丢失及 脉冲竞争问题口卯 此外 采用色散补偿技术 利用光纤的色散和光纤的非线性的 相互作用我们可以对激光器的输出光脉冲进行脉冲压窄及消啁啾 得到变换极限 的光脉冲 另外 以k h z 的频率对铒光纤进行扰动的办法也可以在某种程度上克服偏振 噪声 1 4 1 在该方案中将掺铒光纤被缠绕在压电陶瓷 p z t 上 用一误差电信号 控制p z t 以调节掺铒光纤的长度 如果将一个k h z 的音频信号与该误差电信号 混合在一起加到p z t 上可以抑制超模噪声 天律人学硕l 学位论文 对于偏振模噪声 采用全保偏腔结构可以有效的克服 1 9 9 3 年 采用全保偏 腔的光纤激光器可以产生脉冲宽度为6 p s 重复频率高达4 0 g h z 的光脉冲 并且 波长可调范围为4 0 到5 0 n m l 2 8 1 此外 形腔的结构设计也可以以提高光纤激光 器的环境稳定性 2 9 1 图1 2 为a 形腔方案的结构图 浚方案包含两部分 包含 l i n b 0 3 强度调制器的和输出耦合器的由保偏光纤所构成的环路及一个由普通的 图1 2 采用o 形腔的谐波锁模光纤激光器的方案 非保偏光纤构成的直线段部分 环路通过一个偏振分束器与直线段部分耦合 直 线部分的另一端连接一个法拉第旋光镜 f a r a d a ym i r r o r 法拉第旋光镜在反射 端产生正交的偏振光 结果 所有的双折射效应在直线段中来回一次后被完全补 偿 直线段部分采用了色散管理的办法 其中加入了一段色散补偿光纤 d c f 以降低腔内的平均群速度色散 g r o u p v e l o c i t y d i s p e r s i o n g v d 另外 由于在 直线段末端部分使用了法拉第旋光镜 o 形腔在功能上等效于一个环形腔 在1 9 9 6 年的一项实验中 o 一形腔的光纤激光器通过孤子整形效应产生了脉冲 宽度为1 3 p s 重复频率为1 0 g h z 的脉冲序列 并且具有可忽略的脉冲丢失率和 很低的噪声 脉冲形状在中心点接近于高斯形 但在脉冲的两翼更加符合s e c h 形 符合色散管理孤子 d i s p e r s i o n m a n a g e d s o l i t i o n d ms o l i t o n 的特性 对于o 形腔结构的光纤激光器的稳定方案是在其腔中的直线部分插入一个 灭律人学硕l 学位论文 压电陶瓷转换器以精细的调整腔长 3 0 1 腔内还包含一个光带通滤波器 该方案采 取了色散管理的办法来产生孤子脉冲 通过对于a 形腔结构的光纤激光器稳定特 性的精细分析表明 采用该方案的o 形腔激光器将产生脉冲丢失率可以忽略 低 噪声 低时间抖动的超短光脉冲序列 因此 采用色散管理可以显著的改进激光 器的性能 它有助于减小脉冲序列中锁模脉冲的时阳j 抖动 第三节本论文研究的主要内容 本论文是结合两项国家自然基金资助项目 用于通信的新型超高速光脉冲 源的研究 从5 g h z 4 信号中得至u 5 g h z 时钟的全光时钟提取技术 以及华为 基金项目 主动锁模光纤激光器的稳定技术 围绕着主动锁模环形光纤激光 器的稳定技术 做了以下几个方面一些工作 1 主动锁模环形光纤激光器的输出特性的理论分析 重点研究了主动锁模环形光纤激光器在稳态下的脉冲输出的特性 首先阐述了主动锁模激光器的基本原理 并采用a b c d 法分析并数值模拟了 主动锁模光纤环形激光器的输出脉冲特性 其中给出了调制器 光滤波器 光纤 色散与非线性效应等主动锁模光纤环形激光器腔内的主要因素的a b c d 矩阵 在 忽略或考虑光纤非线性效应时 得出了主动锁模光纤环形激光器的输出脉冲的脉 宽和啁啾特性随腔内元器件参数变化的关系 将计算所得的结果与同样条件下的测量结果相对比 其结果表明 用以上方 法得到的激光器模型参数与实际基本相符 2 色散腔波长可调主动锁模光纤环形激光器特性的研究 研究了大色散腔波长可调主动锁模光纤环形激光器 分析其在减小噪声 提 高稳定性方面的优良性能 并通过实验 研究了大色散腔波长可调主动锁模光纤 环形激光器在抑制腔长不稳定性及腔内光波偏振态变化等因素引起的噪声方面 的作用 得到了比用普通单模光纤组成的锁模激光器输出脉冲清晰得多的示波器 测试波形 显示出在降噪及提高稳定性方面的极佳特性 其输出脉冲经过普通单 天津人学顺i 学位论义 模光纤补偿啁啾后 得到脉宽为7 6 p s 的变换极限双曲 f 割脉冲 3 主动锁模光纤激光器的噪声性能的分析 分析了主动锁模光纤激光器由于环境的变化及激光器所固有的噪声 包括腔 长的漂移 偏振模噪声 超模噪声 弛豫振荡和相位噪声等 对于各种噪声的机 理进行了阐述 并对各种噪声的抑制方案进行了分析和比较 4 腔长稳定的偏振不敏感主动锁模光纤激光器研究 首次提出了使用波长锁定器配合光可变延时线以稳定腔长 并且在主动锁模 环形激光器的调制器前端取消偏振控制器 采用功率稳定型e d f a 起偏器 部分 保偏腔的锁模光纤激光器稳定方案 该方案与采用全保偏方案或使用多个偏振控 制器抑制噪声的办法相比 在保证稳定工作的同时降低了成本 实现起来更容易 5 本论文的创新之处t 1 实验并分析了大色散光纤环形锁模激光器对抑制激光器噪声提高稳定性的 作用 输出脉冲经普通单模光纤补偿后得到7 6 p s 变换极限双曲正割脉冲 2 首次提出了在主动锁模环形激光器的调制器前端取消了偏振控制器 采用了 功率稳定型e d f a 起偏器 部分保偏腔的方案 实现了主动锁模光纤激光器的长 t 时间稳定工作 3 首次提出在主动锁模环形激光器中采用波长锁定器 配合光可变延时线可以 实现腔长的稳定 参考文献 1 r s s a n f e r r a r e t e r r e s t r i a ll i g h t w a v es y s t e m a t tt e c h j v 0 1 6 6 n o 1 p p 9 5 1 0 7 1 0 8 7 2 t m o r i o k a h t a k a r a s k a w a n i s h i o k a m a t a n i k t a k i g u c h i k u c h i y a m a m s a r u w a t a r i ht a k i g u c h i k u c h i y a m a t k a n a m o r ia n dh o n o 1 0 0 g b s 1 0 c h a n n e lo t d m w d mt r a n s m i s s i o n u s i n g a s i n g l es u p e r c o n t i n u mw d m 天津人学坝i 学位论文 s o u r c e o f c 9 6 p p 4 1 1 4 1 4 1 9 9 6 3 3 k a t s u m ie m u r a m u l t i t e r a b i t sd w d m t e c h n o l o g i e sa n d p e r s p e c t i v e s o f c 2 0 0 1 m l l 4 a f a e r b e r te ta 1 7t b s 1 7 6 4 0g b s b i d i r e c t i o n a li n t e r l e a v e dt r a n s m i s s i o n w i t h5 0g h zc h a n n e ls p a c i n g p o s t d e a d l i n ep a p e r p r o c o fe c o c2 0 0 0 5 s k a w a n i s h i y m i y a m o t o h t a k a r a m y o n e y a m a k u c h i y a m a i s h a k e y y a m a b a y a s h i 1 2 0 g b so t d ms y s t e mp r o t o t y p e e c o e 9 8 v 0 1 3 p p 4 1 4 5 1 9 9 8 6 a r i c h t e r h b o c k w f i s c h l e r p l e i s c h i n g p m k r u m m r i c h a m a y e r r e n e u h a u s e r j p e l b e r s c g l i n g e n e r g e r m a n y w i d ed w d m f i e l dt r i a l t r a n s p a r e n tc o n n e c t i o no fal o n gh a u l l i n ka n dam u l t i c l i e n tm e t r on e t w o r k o f c 2 0 0 1 m l 3 1 a r c h r a p l y v y a n d r w t k a c h t e r a b i f f s e c o n d t r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n t s i e e ej q e v 0 1 3 4 n o 1l p p 2 1 0 3 2 1 0 8 1 9 9 8 7 k h h a n h k i m a n dy c c h u n g m u l t i p u r p o s ef i b e r o p t i c a c c e s s n e t w o r k m f a n o f c 2 0 0 1 w n 4 一l 8 b n d e s a i n j f r i g o a s m i l j a n i c k c r e i c h m a n n p p i a n n o n e r s r o m a n a n o p t i c a li m p l e m e n t a t i o no fap a c k e t b a s e d e t h e m e t m a ci n aw d m p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ko v e r l a y o f c 2 0 0 1 w n 5 一l 9 j m p d e l a v a u x g c w i l s o n c h u l l i n b n e y r e t a n dc b e t h e a q a m p o n a n ds u p e rp o nf o ra c c e s sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s w n 2 1 1 0 l b e r t h e l o n p b o n n o a b i s s o n o a u d o u i n c d d o n o r o f i d a l e g r a r d d h u ib o n h o a j c h a u v i n m m o r i n e r i n g o o t m a n a g e d 2 r r e g e n e r a t e d t r a n s p a r e n to p t i c a ln e t w o r k i n gf i e l dt r i a ls p a n n i n gc o r ea n da c c e s s o f c 2 0 0 1 w n l 1 1 1 c h a n g j o o nc h a e h e e s a n gp a r k a n dj o n g h o o ne o m an e wa t m p o n s y s t e ms u i t a b l e f o rl o c a la c c e s sa n dl o c a lp f i v a t en e t w o r k i n gs e r v i c e s 0 f c 2 0 0 1 w u 4 1 1 2 m n a k a z a w a e y o s h i d aa n dk t a m u r a i d e a lp h a s e l o c k e d l o o p p l l o p e r a t i o no fa10 g h ze r b i u m d o p e df i b e rl a s e ru s i n gr e g e n e r a t i v em o d e l o c k i n g a sa o p t i c a lv o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r e l e c t r o n l e t t 1 9 9 7 v 0 1 3 3 p p l 3 1 8 1 3 2 0 1 3 一 一 一 天津人学颂i 学位论文 13 n a k a z a w a m y o s h i d a e a n dk i m u r a y u l t r a s t a b l eh a r m o n i c a l l ya n d r e g e n e r a t i v e l ym o d e l o c k e dp o l a r i z a t i o nm a i n t a i ne r b i u mf i b e rl a s e r e l e c t r o n l e t t 1 9 9 4 v 0 1 3 0 p p l 6 0 3 1 6 0 5 1 4 x s h a ha n dd m s p i r i t n o v e lm e t h o dt os u p p r e s sn o i s ei nh a r m o n i c a l l y m o d e l o c k e de r b i u mf i b e rl a s e r s e l e c t r o n l e t t 1 9 9 3 v 0 1 2 9 n o 1 1 p p 9 7 9 9 8 1 1 5 g t h a r v e ya n dl f m o l l e n u a u e r h a r m o n i c a l l ym o d el o c k e df i b e rr i n g l a s e rw i t ha ni n t e r n a l f a b r y p e r o ts t a b i l i z e rf o rs o l i t o nt r a n s m i s s i o n o p t l e t t 1 9 9 3v 0 1 1 8 n o 2 p p l 0 7 1 0 9 1 6 n o n o d e r a s u p e r m o d e b e a t s u p p r e s s i o n i n h a r m o n i c a l l y m o d e l o c k e d e r b i u m d o p e df i b e rr i n g l a s e rw i t hc o m p o s i t e c a v i t ys t r u c t u r e e l e c t r o n l e t t 1 9 9 7 v 0 1 3 3n o 11 p p 9 6 1 1 7 l iy u h u a l o uc a i y u n e ta