基于SOA主动锁模光纤激光器的特性研究_图文(精)

Y 901828

单位代码!Q!堑 学 号S2Q!!§Z9 函南虫学 硕士学位论文

基于SOA主动锁模光纤激光器的特性研究 论文作者:江光裕 指导教师:吴正茂教授 学科专业:光学

研究方向:激光与光纤通信 提交论文日期:2006年4月 论文答辩日期:2006年5月 学位授予单位:西南大学 中国・重庆 2006年4月

基于SOA主动锁模光纤激光器的特性研究 光学专业硕士研究生:江光裕 指导教师:吴正茂教授 摘 要

高重复频率.波长可调谐的超短光脉冲源是光波分复用/时分复用(w咖/0TDM高速率 光纤通信系统、全光处理、全光网络中的重要组成部分。半导体光放大器(s0A具有体积 小、增益谱宽、非线性系数高、功耗低和易于集成等优点在锁模光纤激光器中起到重要的 作用。近年来,基于sOA的主动锁模激光器由于能够产生高

重复频率的近变换极限超短光 脉冲,而倍受人们的广泛关注。但人们对其1:作特性进行了理论研究,大多数都忽略s0A的 端面剩余反射率及非线性偏振旋转效应。而在实际应瑚中。虽然人们采用各种方法减少或 降低其端面剩余反射率及非线性偏振旋转效席,但是总存在剩余反射率和非线性偏振旋转 效应。因此,有必要对s0A的端面剩余反射率及非线性偏振旋转效应进行研究。

soA对光脉冲的影响可通过含有增益压缩及增髓非对称分布的速率方程描述。光纤对脉 冲的影响可通过薛定谔方程描述.基于自再现理论,通过数值求解可得到稳定时的锁模脉 冲波形.从而可对其输出脉冲的峰值功率以及脉冲宽度等进行研究。基于此,本文建立了 基于s0A的谐波锁模光纤环行激光器的理论模型。利用该模型,研究了soA的端面剩余反 射率对输出脉冲的波形、峰值功率及其脉冲宽度的影响。数值模拟结果表明:SOA的端面剩 余反射率对锁模脉冲影响较大:随着端面剩余反射率的增大,峰值功率逐渐增加,脉冲宽 度逐渐变宽。

另外,本文建立了基于soA非线性偏振旋转效应的谐波锁模光纤环行激光器理论模型, 研究了在不同s0A注入电流情况下.SOA非线性偏振旋转效应对睹波锁模光纤环行激光器输 出脉冲的波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。研究结果表明:随着s0A注入电流增加,脉 冲光场分量TE、TM模经过不同的增益变化,脉冲峰值功率增加,脉冲宽度变宽,而输出脉 冲前沿变得陡峭,后沿变得平缓,且理论模拟与已有的实验结果相吻合。

该论文的研究结果对高重复频率、高峰值功率的超短脉冲的获取以及基于SoA主动锁模 光纤激光器的设计具有一定的指导意义。

关键词:半导体光放大器锁模激光器剩余反射率非线性偏振旋转 Characteristic study on the actively mode—locked fiber laser based on SoA Major:optics

Ad“sOr:ProC Zhengmao Wu

Author:Guangyu Jiang(S2003579 Abstract

Ultra_shon optical pulse sources w砧hig|l repetition rate and the turIable cen仃训wavelength p】ay蚰important mIe in the wavelengtll diVision mulIlplexin幽pticaltime diVision multiplexing (wD~“OTDMhigh-speed叩tical行ber communication system,alI-0ptical舡孤saction aIld aII.0pticaI nenⅣork.Semiconductor optical a|Ilpli6er(SoAhaS some adVantages such as the broad gain spec仃1Jm,higll nonlinear coefficienL low power penalty and e丛ily inte四嘣ed, mereforc it Lal(es import柚t e髓clin the mode-10cked nber laser.Recently,actively mode-lockcd ^ng 1aSers taking s0A as t}le gain medium haVe attracted much anention for generating higll

repetition rate,uI仃a-short aIld订彻sfb皿・limited oplicaI pulses.Ho、veveL we have noticed th她in

the reIaljVe cheoretical model desc曲.ng t|le sOA based actjvely mode—locked—ng】舾erS,t|Ie facet residuaI renectivity卸d t|le nonline盯polarization m诫ion ofthe SOA are usually neglect酣 for sjmplici吼Althoug|I ttle fket residul renectiVity and the nonlinear p01arization rotation can be decreased by adopnng all sorts of methods,t11ey always e【ist.The陀fore it is necessary t0 irlvestigate the innuences of t11e fhcet residu面rcnectivity and血e nonlinear polarization rotation 0n ttle characCe—stics ofmode-】ocked ring 1asers based on SOA,

In this PapeL after

conside^ng廿1e facet re妇ectjvj砂of the SOA,using the rate equa“on including gain comprcssion and the gain asymme奸fc d{s研bution to describe t11e in玎uence of SoA on the optical pul∞and adopting the Schr6dinger equation to

desc曲e the pulse枷pIItlIde evolution in the nbeL a theorctical model of山e ha丌nonic mode-10cked行ber ring l踮er based on SOA has been esta悯jshed,Bascd on t11js model卸d self-reproducIjOn nleo吼the mode-lockcd pulse shape can be 0btained through numerical simulation.Therefore lhe innucnce of the fket residual renectivity on t|le shape,peaI【poweL and pulse widtll of me pulse output f如m the ha兀nonic mode—10cked矗ber ring 1鹊er c皿be investigated.The results show that the f犯et res.duaI renectivity wi¨a丘色ct greatly the mode_locked pulse,with me increase of the f如et rcs.dual re门ectiV咄the peal(power will incre酗e and tIle mode-Iocked puIse will be wideL

After cOllsidering t11e nonlinear pol耐zation rotation证SOA,a t11eOretical model of tIle h删onic

mode-Iocked nber—ng IaSerh船b∞n established in tllis p印ef Bas酣on tIIis model,it haS been inVestjgated that the innuence ofthe nonlinear p01积zation mtation in SOA on the shape,

堕童查兰堡主兰垡堡苎

peaJ‘powe‘跚d pulse widt|l of tIle pulse output疗om ttIe ha丌rIonic mode-Iocked nber ring l笛eL The resu№show thak wit}l t11e jncrease of the b;as currenI ofⅡle SOA,tlle TE柚d TM Of tIle }“put optical fieId髑veIops tIfIde噻o-the

di&f￡m g如v撕aIioIl,tlle Ieading edge of the mode・Iocked pulse is quIIe steep but the埘ling edge is mlatiVeIy n巩the mode-lockcd pulse peaI【 power and puIse width w川increase graduaIly

The rese盯ch代sults are help如l for obtaining uI廿a—short optical puIse wi山high repetition

rates,high peal(power龃d desigrIing t}le h删onic mode-10cked

6ber^ng l∞er b触ed on t|le SOA.

Key words:Semiconductor o曲cal Ampli丘er(SoA Face￡renec石vi哆 N叫i嘲r p0捌∞ rotation II

独创性声明

学位论文题目:基王§Q△圭塑黛搓左红邀光墨曲持性班窥

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 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的 地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不 包含为获得西南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谢意。

学位论文作者:工必袷 签字日期:i州年5月旧日 学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的 规定,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, 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

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(保密的学位论文在解密后适用本授权书,本论文:曰不保密, 口保密期限至 年 月止。

学位论文作者签名:正光洽 签字日期:上oo‘年亭月,8日 学位论文作者毕业后去向:工作单位:

通讯地址: 导师签名:级1r致 签字日期:妒。f年r月心日 电话 邮编

§1.1光纤通信技术的发展趋势 第一章绪论

光纤通信技术是通过光学纤维传输信息的通信技术。在发信端.信息被转换和处理成 易于传输的电信号,电信号控制一光源.使发出的光信号具有所要传输的信号的特点,从 而实现信号的电一光转换、发信端发出的光信号通过光纤传输出到远方的收信端,经光电 二极管等转换成电信号,从而实现信号的光一电转换。电信号再经过处理和转换而恢复为 原发信端相同的信息…。光纤通信最直接、最基本的优点是。41:(1频率资源丰富、传输 容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8—9个数量级。因此所开发的容量 很大。(2衰减小、中继距离长且误码率小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴 电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。(3重量轻、体积小。光纤重量很轻.直径很小。 即使做成光缆,在芯数相同的条件下,其重量还是比电缆轻得多,体积也小得多:同时便 于施工和运输。(4防干扰性能强、保密性能好。光纤由电绝缘的石英材料制成,因此光 纤通信线路不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰。抗电磁脉冲能力也很强,保密性 好。(5节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或锚等有色金属。光纤本身是 非金属,光纤通信技术的发展将为国家节约大量有色金属。(6成奉低。总之.光纤通信 不仅在技术上具有很大的优越性,而且在经济上具有巨人的竞争能力.因此光纤通信在信 息社会中将发挥越来越重要的作用。

近年来,随着光纤通信技术的不断创新,光纤通信管理体制的不断完善以及光纤通信 市场的全面开放.光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面,正因如此光纤通信技 术将进入更高水平的发展阶段。

§1.1.1向超高速系统的发展13

随着网络化时代的到来.网络容量的需求和传输速率的提高成为超高速系统发展的主 要矛盾。目前商用系统已从45Mbps增加到10Gbps,其速率在20年时间里增加了2000倍. 比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量. 而且也为各种各样的新业务,特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。另外10Gbps系 统己开始大批量装备网络,全世界安装的终端和中继器己超过5000个,主要在北美,在欧 洲、日本和澳大利亚也己开始大量应用。我国也将在近期开始现场试验。同时不少的电信 公司实验已经开发出40Gb/s的系统。但是采用电的时分复用来提高传输容量的作法已经接 近硅和镓砷技术的极限,此外电的40GbDs系统在性能价格比其在实用中是否能成功还是个 未知因素.因而更现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种,但目前只有波分

复用(wDM方式进入大规模商用阶段,而其它方式尚处于试验研究阶段。 §1.I.2向超丈容量复用系统的发展卜2。l

如前所述.采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽。然而光纤的200nm可用带宽资源 仅仅利用了不到l%,99%的资源尚待发掘。复用技术的主要目的是扩充容量.光复用主要 有三种技术,即光波分复用(OwDM、光时分复用(01IM以及正处于研究阶段的光码分 复用(ocDMA。

1.波分复用技术(owDM

如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送,则可大大增加光纤 的信息传输容景,这就是波分复用(wDM的基本思路。现在主要采用的是密集 wDM(DwDM系统,即波长信道个数多(4~40个波长信道或者说,波长分布间隔密的 wDM系统。DwDM技术可以充分利用光纤的巨人带宽资源,节约大量光纤和设备资源, 引入宽带新业务。几乎所有DwDM系统均工作在1550nm的低衰耗窗口波长区间。DwDM 系统的光源一般采用在1550nm波段的高分辨率或窄带激光器。窄带发射激光器允许细密的 信道间隔,并且最大限度地减少其它信号损伤的影响(如

色散。光复用和分接采用薄膜电介 质滤波器和各种类型的光栅等技术,用于DwDM系统的不同波长发送信号的混合和接收信 号的分解。光放大器可以同时放大一根光纤的所有波长的信号,采用掺铒光纤放大器,掺 铒光纤放大器有宽的平坦带宽增益。如今,DwDM技术向更多信道数和每个信道更大容量 的方向发展,Lucent、Ciena、Alcatel等厂家的40x2,5Gb,S产品已经商用化。Phli和马可 尼也都推出了32x2,5Gb,s的产品。另外,随着新光纤的使用,基于10Gb,s的wDM将逐 渐成为产品的主流。其中北电已经推出了32×Io Gb,s的商用化产品并投入应用。每信道容 量为20Gb,s、40Gb/S的系统和拥有80或更多信道的系统正在研制和试验。

2.光时分复用技术(0TDM

oTDM指利用高速光开关把多路光信号复用到一路上传输。利用oTDM技术可以克服 EDFA增益不平坦、四波混频伊wM非线性效应等诸多因素限制,而且可解决复用端口的竞 争.增加全光网络的灵活性。虽然,01DM有以上的优点,但由于其关键技术(高重复率超 短光脉冲源、超短光脉冲传输技术、时钟提取技术和时分解复用技术比较复杂,实现这些 技术的器件特别昂贵,而且制作和实现均很困难,所以这项技术迟迟没有得到很大的发展 和应用。但是,光时分多址,光时分复用(01DM^『oTMD全光网络具有更大的发展前途,因 为与DwDMn^,DM全光网络相比,具有更高的频谱利用率,更容易实现信道的动态分配、 2

更高的系统容罱、易于组网、易于多种数据速率和业务种类的接入等优点.其交换方式采 用灵活的光时分交换方式。

3.光码分复用技术(ocDMA

光码分多址技术(oCDMA利用光纤的巨大带宽和高速的光信息处理技术.将数据比特 扩频成光脉冲序列,经光纤传输后,利用光学相关技术实现数据恢复。OCDMA系统采用 地址码寻址方式.具有很大的灵活性。它的编/解码器采用光信号处理技术,可以实现无延 迟异步接入,并且网络控制简单,业务透明性好,是未来接入网和高速LAN的最佳方案之 一。ocDMA技术也可以应用干其他共用总线领域,如舰船或飞行器的传感器总线及其他 对保密性要求较高的场合。完成实际ocDMA系

统,将面对很大的技术挑战。oCDMA实 用化的主要障碍是为ocDMA寻找最佳的编解码器结构和最优的光正交码方面,国内外虽 己进行了大罱的研究,取得了一些成果,但是尚未有突破性的进展。可以认为近两年来超 大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程砷。不仅彻底开发了无穷 无尽的光传输链路的弈最,而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活 光节点的基础。

§1.1.3向全光网方向的发展

波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量,但基本上是以点到点通信为基础的系统, 其灵活性和可靠性还不够理想。如果在广域格型网的节点上配置光交叉连接(Oxc设备, 在本地环行网的节点上配置光分插复用(OADM设备,直接进行光路调度,完成光路的 倒换、转接,不仅可使高新传输技术得到组网应用,而且对提高网络运行效率、提高可靠 性、降低节点成本、组建全光通信网都是必小可少的。如果说DxC、ATM技术的应用提高 了通信网络的灵活性和生存性.是通信技术的重大发展的话,应该说Oxc、OADM技术带 给网络的是技术革命。这是从电子技术向光子技术的转变,从依靠传统技术进步到使用全 新技术的飞跃全新技术的飞跃。在传输线路的速率总量增大之后,转接节点上的吞吐量巨 大,采用电子电路的方式进行交叉连接和分插复用,软硬件实现难度高,即使能实现,节 点成本猛增,抵消大容量高速传输带来的效益。因此.Oxc/oADM技术是光网络技术中的 关键。

实现Oxc,oADM,有空分(sD、波分(wD等几种方式。sD以网上的光纤线路为单位, 一根光纤为一条光通道,适用于光纤众多的网络上的转接。wD是普遍使用wDM传输方 式的情况下,以规定的光波长为一条通道.在多个波长通道之问进行倒换转接的最佳方式。 将来的交叉连接系统,不一定采用其中的某种方式,更多的将是几种方式的组合,在sD方

式的基础上使用、vD方式,甚至加上电子电路的TD方式,按需要形成不同的层次.OxC, oADM需要的主要技术包括制作N×N的矩阵开关、光滤波器、衍射光栅等器件技术。补偿 能量损失的阵列半导体光放大器技术,监制控制技术及监控信号传输技术等。

§1.I.4解决全光网瓶颈的手段——光接入剐”

光纤接入网指业务提供点与用户之间是以光纤为传输媒介的接入网,但用户接入网仍 保留着旧的铜缆网,不能适应信息业务特别是Intemet业务爆炸性增长的需要。两者在技术 上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全网进一步发展的瓶颈。目前尽管出现了一系列 解决这一瓶颈问题的技术手段,如双绞线上的xDsL系统,同轴电缆上的HFc系统.宽带 无线接入系统,但都只能算是一些过渡性解决方案,唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问 鹿的长远技术手段是光接入网。接入网中采用光接入网的主要目的是:减少维护管理费用 和故障率:开发新设备,增加新收入:配合本地网络结构的调整,减少节点.扩大覆盖:充分利用光纤化所带来的一系列好处i建设透明光网络,迎接多媒体时代。这些需求必将 促进在接入网中大最使用光纤,促进光纤用户接入网的发展,加速光纤到户伊m1.Fibert0 the Home的实现。所谓光接入网从广义上可以包括光数字环路载波系统(oDLc和无源 光网络(PON两类。数字环路载波系统DLc不是一种新技术,但结合了开放接口vs.1厂v5.2。 并在光纤上传输综合的DLC(IDLc,显示了很大的生命力,以美国为例,目前的1.3亿用 户线中,DLC/IDLC己占据3600万线.其中IDLc【々2700万线。特别是新增用户线中50 %为IDLc.每年约500万线。无源光网络技术主要是在德国和日本受到重视。德国在1996年底以前共敷设了约230万线光接入网系统,其中PON作为网络光纤化的主要技术.通过 技术发展,将无源光网络成本降至与铜缆双绞线成本相当的水平,并在1998年全面启动无 源光接入网建设,计划于2005年基本普及光纤到家。PON可以提高带宽利用率,便于采用 wDM方式扩展下行带宽,预计2010年将达到6000万线。EPoN以其高带宽、低成本、易 安装、易维护、可扩展、标准化和广泛的商用软硬兼施件支持特点有可能最终成为压倒一 切的2层技术。作为这两种技术的结合一EPoN技术被认为是下一代网络(NGN中主要的宽 带接人技术。而PoN的趋势是向宽带APON方向发展。在无源光网络的发展进程中.近来 又出现了一种以AIM为基础的宽带无源光网络技术(APoN。这种技术将ATM和PclN的 优势相互结合,传输速率可达622,155MbDs,可以提供一个经济高效的多媒体业务传送平台. 并有效地利用网络资源,代表了多媒体时代接入网发展的一个重要战略方向,目前国

际电 联已经基本完成了标准化工作。APON将成为面向21世纪的宽带接入技术的主要发展方向。

§1.1.5下一代全光网络发展趋势陆24 4

西南大学硕士学位论文

近年来,随着囡特网的迅猛发展,IP业务星爆炸式增长。预测表明,IP将承载包括话 音、图像、数据等在内的多种业务.构成未来信息网络的基础。同时.以wDM为核心、 以智能化光网络(IoN为目标的光传送网将控制信令引入光层,满足了未来网络对多粒度信 息交换的需求,提高了资源利用率和组网应片】的灵活性,因此如何构建能有效支持IP业务 的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点。与传统的业务类型相比,IP业务具有显著的 自相似性、收发数据小对称性和服务器拥塞等特点,闪此对承找的光网络而言,面临的主 要问题是不仅要求超太容量和宽带接入等,还需要光层的智能性更高,能在光节点上实现 光交换,目的是通过光层与IP层的适配和融合。建立经济高效、炙活扩展及支持业务Qos 等的光网络.以满足IP业务对信息传输和交换系统的要求。

智能化光网络吸取了IP网的智能化特点。在现有的光传送网上增加了一层控制平面, 用于为用户建立连接、提供服务和对底层网络进行控制.它具有高可靠性、可扩展性和高 有效性等突出特点,支持不同的技术方案和业务需求,代表了下一代光网络的发展方向。 研究表明.随着IP业务爆发性增长,电信业和IT业正处于融合与冲突的“洗牌”阶段,新 技术呼之欲出。随着软件控制(“软光”技术的使用,今天的光网络将逐步演进为智能化的 光网络,它使运营者能更有效地自动配置业务和管理业务罱.同时还能提供良好的恢复机 制,支持带有不同Qos需求的业务,使运营者能建设和管理炙活的光网络.开腱一些新业 务,包括带宽租赁、波长业务、光层组网、光虚拟专用网(ovPN∞。高速增长的IP业务对 带宽的需求很大,wDM传输技术能提供超大容罱带宽资源,冈此传统光网络向适用丁二传输 IP业务的新一代光网络演进势在必行。

从光纤通信的发展现状与趋势来看,完全有理由认为光纤通信进入了又一次蓬勃发展 的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广,技术更新更难,影响力和影响面也更宽. 势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决 定电信网和信息业的未来大格局,也将对下一世纪的社会经济发展产生巨大影响。

§lf 2锁模光纤激光器在光通信系统中的重要影响

发展高速、人容量光纤通信是当前国际上光通信研究的主要方向,光时分复用(OTDM 和波分复用(WDM是克服光、电子器件瓶颈,提高光通信容景的有效途径。其中帅M光通信 技术日趋成熟.井已有实现132×20Gb/s WDM光通信的报导。然而单纯增加波分复用路数 将增加技术复杂程度和成本。所以提高波分复用单信道速率是继续增加容量的必然趋势。 国际上对OTDH技术的研究就开始于1982年。1987年R.S.Tucker等人,在实验室完 成了两个信道OTDM传输实验,其传输速率为8Gb/s,工作波长为i.3Um。1988年又 报导了一个四信道的OTDM传输系统,各信道的工作速率为5Gb/s,通过光复用够达到 20Gb/s。1993年,贝尔实验室用光时分复用方法将2.5Gb/s的信号提高到10Gb/s,再用

0TDM技术实现20Gb/s的光传输实验。1994年,日本进行了光时分复用传输实验,每个信 道的传输速率为6.3Gb/s.16个这样的光信道经过光时分复用成100Gb/s。日本NTTl996年 报导了采用l『DM/oTDM方法进行4×100Gb/s信号的无中继传输距离100kⅢ的传输实验。目 前这项技术的研究正向着增大复用路数和更高的传输方向发展,并加速实用化研究。oTDM 技术可有效提高单信道率.减少波长信道数目,充分利用已有石英光纤低损耗窗口是优先 考虑的研究方向,而超短脉冲技术和超连续(sc光源的发展,为实现低成本的Tb/s传输提 供可能的解决方案。产生高比特率传输的超短光脉冲是oTDM的关键技术之一,通常0TDM 系统的传输速率高达几十或数百Gb/s,光脉冲的宽度为皮秒或亚皮秒量级。主动锁模激光 器由丁具有高重复频率、波跃可调谐、可输出变换极限光脉冲、易于同步、输出功率大等 特点,是未来的超高速大容量光纤通信系统,尤其是0TDM/wDM光纤通信系统的理想光源 “…1。在加州阿纳海姆举行的激光电光学会议上(cLE0’96clack—MxR公司的_T程

师展示 了一种波长为1550nlII的二二极管泵浦的商品化锁模铒光纤激光振荡器.输出脉宽短于 100fs,1550nlⅡ波长是高数据率通信的重要波长。该ErF激光器输出50mw近衍射极限的优质 激光功率。对此高平均脉冲能量振荡光束倍频后可产生飞秒脉冲,适合作为峰增益(~ 7.75nm处钛蓝宝li再生放大器的光脉冲。同时.主动锁模光纤激光器可以直接产生高重复 频率、高功率、高质量窄脉宽的光脉冲源是全光信号处理、全光网络技术的重要纽成部分。 由丁熟知的增益开关半导体激光器或锁模光纤激光器都只能产生某一波长的近变换极限超 短光脉冲,通常依靠选取特定波长的几个D阳激光器作为0TDM/wDM通信光源会给iI:作带 来很多不便。因此在锁模光纤激光器输出高重复率的、能在宽光谱范围内同时选择出多个 波长的皮秒(亚皮秒光脉冲。利用在适当长度色散位移光纤(DsF中的光谱超连续

(supercontinuuln.sc展宽,获得宽度~50nm的sC光谱,经可调谐滤波器滤波后得到不同 波长、脉宽与泵浦光相似(仍为~2ps的近变换极限超短光脉冲…1。这种超连续的超短光脉 冲源被认为是oTDM/WDM混合光纤通信系统的理想光源。

OTDM超窄脉冲激光源要求所产生的光脉冲的脉宽尽可能地窄.常用的方法有增益开 关法、啁啾光纤光栅法、电吸收连续光选通调制法等。近年来随着光孤子通信技术的迅速 发展。加之光孤子通信的自身特点(如长距离、无中继、误码率低和抗干扰能力强,用超 窄光孤子脉冲作为0TDM源己成为一个新的亮点。目前己研制成特性优趣、种类繁多的光 孤子源m”l,有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺铒光纤孤子激光器、增益开关半导 体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。在众多的超窄光孤子脉冲激光器的研制中,全 光纤主动锁模孤子激光器由于具有输出脉冲重复频率高、频率可调谐、高消光比、低抖动 的高质量孤子形脉冲的特点而倍受青睐。1980年,Bellcore的M01lenauer使用1.55uⅢ 的锁模色心激光器和低损耗光纤,首次在实验室观测到光孤子。1989年,又利用单模光纤 的受激拉曼分布放大进行能量补偿,采用光纤循环结构模拟长距离传输系统,实现55ps的 孤于在42km的光纤环中稳定传输6000kⅢ。1994年,Nakazawa等人利用主动锁模掺铒光纤

6

环形激光器成功地获得了重复频率10GHz、脉宽7ps的稳定的孤子脉冲序列,并进行了距 离超过1×106公里的孤子传输实验。最后,尽管主动锁模孤子激光器要真正实用化尚需解 决一系列具体问题,但人们相信在不久的将来这一技术一定会被推,“和应用。

总之,随着通信容最和传输速率的日益提高,超短脉冲光纤激光器.特别是锁模光纤 激光器必将在未来的光纤通信系统中发挥越来越大的作j}j。

§lj本论文的主要工作及意义

目前广泛使用的光纤通信系统,包括都市网络系统、局域网络系统和使用光纤传输信 号的各种设备系统等都需要使用大量的、#导体分布反馈激光器作发射光源,这增加了网络 和系统的复杂性和成本。随着都市光纤通信网络、各种局域网和光纤信号传输设备仪器的 广泛使用,这一问题就更加明显。锁模激光器是时域应用方面产生超短脉冲的重要工具, 同时其实用化仍然存在着一些问题,基n宣些.木论文立足于光纤通信系统的发展现状、 趋势及研究熟点,结合国内外的先进科研成果.着眼于超短光脉冲源的发展前景,以主动 锁模光纤激光器为出发点,对其作以下儿方面的研究:

详细分析了锁模光纤激光器的基本原理。

建立了基于sOA的谐波锁模光纤环行激光器的理论模型。利用该模型,研究了sOA 的端面剩余反射率对输出脉冲的波形、峰值功率及其脉冲宽度的影响。数值模拟结果表明: SOA的端面剩余反射率对锁模脉冲影响较大;随着端面剩余反射率的增大,峰值功率逐渐 增加,脉冲宽度逐渐变宽。

建立了基于sOA非线性偏振旋转效应的谐波锁模光纤环行激光器理论模型,研究了在 不同s0A注入电流情况下,s0A非线性偏振旋转效应对谐波锁模光纤环行激光器输出脉冲的 波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。研究结果表明:随着SoA注入电流增加,脉冲光场分 量TE、删模经过不同的增益变化,脉冲峰值功率增加,脉冲宽

度变宽,而输出脉冲前沿变 得陡峭,后沿变得平缓,且理论模拟与已有的实验结果相吻合。

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9

西南大学硕士学位论文

第二章主动锁模光纤激光器的工作原理 §2.1锁模光纤激光器的进展“3

超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电于学,以及激光光谱学等学科对客观世 界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。自从六十年代首次实现激光器锁模以来.由 于激光锁模技术的发展,激光脉冲宽度从纳秒、皮秒领域进入到飞秒领域,其发展过程主 要经历以下几个发展阶段:

20世纪60年代,以红宝石、Nd:glass、Nd:YAG等固体材料作为主要激光增益介质的 锁模激光器。能够产生了100ps的光脉冲。第一代超快激光脉冲产生的特征为在各种锁模 理论的建立和各种锁模方法的实验探索基础上,使各种锁模方法和理论,如主动锁模、被 动锁模、同步泵浦锁模等逐渐趋于成熟,并在物理和化学领域开展了皮秒级的初步应用。 20世纪70年代,cw染料激光器的出现导致了第::代锁模激光器的产生,其主要特征 为超快激光脉冲宽度进入飞秒领域。第二代锁模激光器是以对撞锁模染料激光器为代表。 对撞锁模染料激光器就其基牟锁模原理而言,仍属于被动锁模范畴,由于脉冲对撞效廊使 得该激光器能够稳定地T作在E秒越级。对碰撞锁樟染料激光器进行深入的理论和实验研 究.导致19fs光脉冲的直接产生,并利用腔外压缩技术产生了6fs的光脉冲。

20世纪80年代,cw锁模飞秒固体激光器是以宽带固体增益介质,新的非线性被动锁 模技术为特征。正是由‘丁新的宽增益频带的同体激光工作介质和新的非线性被动锁模技术 的出现,才导致了第三代锁模固体激光器产生。

随着锁模技术的不断发展,20世纪90年代出现了加成脉冲锁模(APM或耦合腔锁模 (CCM、自锁模(self∞de—locking或克尔透镜锁模(Kerr一1ensmode—locking,KLM””1。 Spence等人在1991年首次在Ti:Al zO。激光器上实现了自锁模,获得了60fs的光脉冲。自 锁模利用增益介质中Kerr自聚焦效应引起锁模,其行为类

似于快饱和吸收体,因此也称之 为克尔透镜锁模(KLM。自锁模是利用增益介质的非共振Kerr效应.因此可以在相当大的 波长范围内实现锁模,它可以充分利用同体介质的增益带宽,以获得最短的超短光脉冲。 并先后在Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:glass、Nace:0H、cr:LiSAF、cr:LicAF、Cr:Torsterjte,cr:YAG 等固体激光器上实现了自锁模。迄今由自锁模Ti:Al舢激光器直接产生了6.5fs的最短光脉 冲,经腔外压缩后产生了短于5fs的光脉冲。虽然锁模技术取得了非常可喜的成就,但是 人们在超快领域的研究己经进入了阿秒(10。18s范畴。

§2.2镄模原理

§2.2.1锁模的物理机制“” 10

西南大学硕士学位论文

对于通常的激光器,小管其跃迁谱线的加宽类型如何,~般总呈现为多个纵模的同时 振荡.由丁不同的振荡模皆由不同的自发辐射噪声光子经由介质中的受激辐射放大而形成. 因此,各个模式的振幅、初始相位一般均无确定关系,它们之间互不相干。激光器的输出 则由下各振荡模的非相干叠加而呈现为随时间的无规则起伏。利用锁模技术对激光柬进行 特殊的调制,使不同的振荡模之间具有确定的相位关系.诸多模相干叠加可得到超短脉冲。 锁模激光脉冲宽度可达1o_“~1o_“s,相应地具有很高的峰值功率。

我们知道激光器在高激发水平下运转时.如果不加纵模选择措施,总是有一系列等频 率间隔的纵模发生振荡,它们位于激光谱线的增益带宽2内,设谐振腔为平行平面腔.在 忽略色散引起的频率牵引的情况下t则每个纵模的角频率q可以表示为 q=2碍=g石c/工(q为整数,其中~为第q个模的频率,L为腔长。相邻两纵模之间 的角频率问隔为Q=q一%一l=万c/上a设峨为这些纵模的中心频率r且有(2n+1个纵模 激发并产生振荡.纰=‰+fQ,g=吼+f(f_O,±l,±2…..,士n,则第q个模的电场 可以?;为

毛(,=‘cos(%7+% (2—1 其中‘和%分别表示第q个模的振幅和初相位。激光的电场￡(,为各纵模的电场之和・ 即

E(r=∑Egcos(%,+九=∑三。cos(‰f+fQr+谚 (2~2 口=‰一H fw

多纵模如果不进行模式锁定,各纵模的初相位%是彼此独立的.对大量的纵模来讲・每个 纵模的仍在o~2厅之间随机分布,E(r也随时间随机起伏。由于光强,(r与电场E(f的 平方成止比,所以瞬时光强,(,可以表示为

,(f∞E2(f (2—3 当jH响应时间为f,的探测器来测量这个光强时,某一时刻f实际测得的光强是(2—3式中 ,(,在,~,+‘这段时间内的平均值-因此实际测得的光强t(r为

以归挣2(,冲 (2—4 对(2—4式进行积分,并假设备纵模的振幅都为昂.则 ≯m+1譬 (2-s 式(2~5是未锁模状态下激光器的输出光强。如果使激光器工作在锁模状态下,就是使多 纵模激光器各自独立振荡的纵模在时间上有序,即相邻两纵模的初始相位差为一固定值, |l

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即岛=霞一砚一1。设激光增益带宽内有(2n+1个纵模t其振幅均为岛,中心频率%处纵模

￡(,=∑‘cos(%H以=∑E,cos(‰H般,+‰+瞩 (2—8

。肌吲:加…慨刚胪堕竺::竖竺生 浯。, cos卢+cos(2,+……+cos(N卢=——兰————_LL————j (2—9 sin(;∥

￡O=月Ok‘(州+%’ (2一lo 。i。垒竺!!迪!鱼! 州f-岛■疆盘厂 ∽…

s访掣(Q+岛 3‘“j(口+岛

率为%的单色波受到因子毛sin2芋1(Q,+岛/sin÷(nf+钆的调制。此时激光的光强为

sin z【掣㈣+岛】

,。(r∞———孚_———~曰 (2一13 sin2【三(Q+岛】 2

西南大学硕士学位论文 酗2.12n+127时,(,~,的关系曲线

图2.1给出2n+1=7时,(,~,的关系曲线,这说明有3个纵模被同时锁住。I呈I中仅画 出两个脉冲,随着时间的推移,可出现一系列脉冲,而且随着2n+l的增大,脉冲变窄。峰 值功率变大,两脉冲之间的本底趋,消必,这样的脉冲被称为锁模脉冲或超短光脉冲。 下面讨论模式锁定时脉冲的特性,从方程(2一11表示的场强A(t,只有当分母等 于0时才有可能为蛙大值(为了计算简便.令岛=0,由sin(n/2=O,可得到两个相 邻最大值之间的时问间隔为:

r:,,一fl:堡:上:丝 (2一14 一 ‘ ￡2△v c

t恰好是一个光脉冲在腔内往返一次所jf】的时间,所以锁模振荡也可以理解为只有一 个脉冲在腔内来同传播,一个输出脉冲到一个输出脉冲的时间间隔为常数t=兰。

每个脉冲的宽度可由脉冲峰值与紧靠此峰值的场强为0的时间间隔△f来求出。A2(t

的半功率点问的宽度近似为△r.经运算可得

△r:。三车:,!;上丝 (2一15 △r2研2面司石面面了 “1副 由于光强正比于A2(t,所以在t=0和t=2L/c时的极大值,称为主脉冲。在两个相邻 主脉冲之间,共有2N个零点,并有(2N一1个次极大值,称为次脉冲。由于在锁模激光器 中,一般被锁定的纵模数量很多,所以次脉冲的值通常可忽略不计。

可见.锁模是因多个纵模相干叠加,使其能量聚集在一个峰值较高的波包中,形成锁 模脉冲,脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2n+1倍。锁模脉冲具有这样一些性质:

(1当晒+岛=2m万(m=O,1,2...时,光强最大,最大光强(脉冲峰值光强为

L=(2H+12E;,而自由运转的激光器的平均功率正比于(2\"+1霹。因此由于锁模,峰 值功率增大了(2”+1倍。由此可知.被锁住的纵模数越多.脉冲峰值光强‘值越太。 (2相邻脉冲峰值问的时间间隔T满足Q(,+r+岛一(Q,+岛=2石,即r=2上/c,可见, 脉冲的周期等于光波在腔内往返一周的时间。

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(3对于锁模脉冲宽度“,我们可以近似的认为是脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时 间间隔,所以可得到

r。。丢:—三L:上 (2—16 吒4亘五2面丽2石 他。1∞ 2

即锁模脉冲宽度与激光的带宽△v成反比,激光的带宽△v越宽,则所获得的脉冲宽度越窄。 (4多模(‰+qA%激光器相位锁定的结果-实现了%+l一%=常数,导致输出一个峰值 功率高、脉冲宽度窄的序列脉冲。因此多纵模撒光器锁模后,各振荡模发生功率耦合而不 再独立,每个模的功率应看成是所有振荡模提供的。

§2.2.2主动锁模的建立过程

主动锁模是在激光谐振腔内插入一个主动调制器件.对光波进行振幅或相位调制,使 多个纵模的相位被锁定在一起,实现主动锁模。下面以强度调制的主动锁模为例,介绍一 F锁模的建立过程川。

弋 八f八 /器 j /l A j f Ti耻

图2.2通过调制腔损耗而进行的主动锁模示意图

首先从时域上了解锁模脉冲的形成过程,如图2.2所示。在激光器腔内接入主动强度 调制器.腔损耗被以频率&卅调制。由于激光器在损耗最低时发射较强的光,激光在腔内往 复传播,这个细微的强度差别不断增强,产生脉冲序列。不过,要想得到稳定锁模脉冲, 只有当调制频率‘等于相邻两纵模之间的角频率间隔Q或者是它的整数倍时,才能得到稳 定的锁模脉冲输出。

我们知道掺铒光纤是均匀加宽激光介质.对于这种均匀加宽激光器。全部粒子以同一 方式对外场产生响应.因此在增益带宽内的任一频率光子的发射都将导致蹙个增益曲线的 下降.即满足阈值条件的各纵模在振荡过程中相互竞争,结果经常是在增益最大处角频率 为%的模在竞争中占优势,形成稳定振荡,而其它振荡模都被抑制而湮灭。因此,在理想

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情况下,均匀加宽激光器稳态建立过程中由于模式竞争将导致激光器以单纵模运转。当采 取锁模技术时.例如在激光腔内加在激光器腔内接入主动强度调制器,对腔内光场进行调 制,则优势模钵的电场强度可表示为:

￡0(,=毛(1+Mcos‰fcos(%H-%

=岛cos(&V+%+半岛cos【(吼+%f+%】

+等晶cos【(%一%,+%】 (2一17 式中M为调制系数.nk为调制频率。 该式表明角频率为鳓的模经过损耗调制后,除了原有的频率为%的振动外,还在附近 激发了两个边频振动,其频率分别为‰+&k和&b一%,-它们与频率为‰的模有相同的 初始相位。如果使调制频率d■等于纵模间隔,则两个边频lE好对应嘞邻近的两个纵横。 同样.这两个边频经过调制器后义会进一步产生以它们为中心的另外两对边频,如此继续 下去,就可以将增益带宽之内的所有纵模都耦台激发起来。一般增益带宽越宽则获得的锁 模脉冲的峰值功率越高.而且其脉宽也越窄。

由此看来,均匀加宽激光器的锁模过程就是由模式竞争中获胜的优势模通过调制器的 作用,将其能量耦合到其它纵模上去,因所有纵模都是由优势模给予激发的,所以它们彼 此间都保持着相位的同步,并经相干叠加,形成锁模脉冲。调制器的作用非常重要,它所 提供的周期性的损耗把增益带宽内的各个纵模都关联起来,强迫腔内各振荡模的位相同步。 对调制器的作用更形象的解释,可以将其比喻为一个快门,泵浦系统在抽运过程中,快门 关闭,此时谐振腔处于高损耗状态,激光的闽值很高,在泵浦系统的作用下,反转粒子数 1i断积累。当快门打开时.谐振腔的损耗突然降低,于是激光介质的单程增益远远超过此 时的振荡闽值,受激发射过程在瞬间内完成,而且调制器的作用使得各振荡纵模的受激发 射过程同步进行。由于快门打开的时间是很短的,以致腔内任一单纵模处于低损耗的时间 都非常短,所以任~单纵模都不能在腔内形成稳定振荡。同理,在这种情况下,对于其它 具有任意相位关系的多纵模跃迁也不可能振荡起来。所以,只有那些相位被锁定的纵模在 调制器的作用下通过彼此的功率耦合作_Efj,才能在腔内形成稳定的振荡脉冲序列,从而产 生脉宽窄、峰值功率高的锁模脉冲。

§2.3实现锁模的方法

锁模最早是在He—Ne激光器内用声光调制器实现的,后在氢离子、二氧化碳、红宝石、 忆铝石榴石等其他激光器中都用内调制方法实现了锁模。以后又出现了可饱和吸收染料锁 模。随着锁模技术的发展,推动了超短脉冲测试技术的发展,后来又推动了锁模技术的发

展。因为激光模式分为纵模和横模,所以1968年又开始了横模锁定以及纵横模同时锁定的 研究。70年代后发展了主动加被动、双锁模(损耗调制加相位调制、锁模加调Q及同步锁 模等技术,后来X实现了碰撞锁模,自锁模等。

§2.3.1主动锁模‘22

主动锁模又可分为振幅调制锁模和被动调制锁模。振幅调制锁模通过调制增益介质或腔 内损耗.可使激光振幅得到调制,如果调制频率白啦L’(角频率o=n c盯,可实现锁模。相 位调制又称为频率调制。除了在相位调制函数极值时通过调制器的那部分光不产生频移外, 其它时刻通过调制器的光信号均受到不同程度的频移。如果调制周期与光在腔内运行的周 期一致,则经受频移的光信号每经过调制器一次都要经受额移,最后移出增益曲线而猝灭。 只有那些调制函数极值时通过调制器的光信号才能形成振荡,产生超短脉冲序列。

1.利用调制器的主动锓模光纤激光器

图2.3楚一个典型的主动锁横环形光纤激光器结构图。掺铒光纤(EDF提供腔内的增 益,腔内主动锁模器件是LiNbQ调制器(modulator,它对光波豹调制方式有两种:一是 振幅调制(损耗调制;另一种是相位调制。调制器在射频信号(RF driver驱动下产生 周期性的损耗或是周期性的相位变化,这种周期性的变化与腔内循环的脉冲相互作用导致 了锁模脉冲序列的产生。偏振控制器(Pc用来控制光场的偏振态,滤波器(Tunablefilter 的作用是调节激光的中心波长,光隔离器(IsO_}{{来确保主动锁模光纤激光器处于单向运 转,它也可消除某些光学元件上产生的反射波带给调制器的不利影响。延迟线(Delay 1ine 可精确调节腔长,使其与调制频率相匹配,并可有效豹抑制超模噪声。腔内运行的锁模脉 冲经光纤耦合器(c输出。

图23主动锁模环形光纤激光器结构图

2.用半导体激光器作调制嚣的主动镘模光纤激光器 6

D、C.日1as

I皇】2.4用半导体激光器作调制器的主动镄模光纤激光器的结构图

基于半导体激光器的主动锁模光纤激光器是用工作在阈值以下的半导体激光器取代调 制器.如图2.4所示。半导体激光器通过环行器插入环形腔。在RF信号驱动下.激光器的 载流子密度发生周期性变化,从而折射率被调制.对环形腔内的振荡光场起到强度调制器 的作用,使各个纵模被锁定。1999年,香港中文大学K.T.ch∞研究小组用2.5GHz的驱 动频率.得到了20GHz的8阶有理数谐波锁模脉冲删。2000年,他们的:【作又取得了新的 进展。获得了10GHz的谐波锁模脉冲,脉冲的超模噪声低,而且功率很稳定”“。

3.注入型主动镪模光纤激光器

注入型主动锁模光纤激光器陋26‰全光通信系统中可被用来提取时钟脉冲,主要有两 种类型。一种是利用行波半导体光放大器(sOA作为环形腔的增益介质,由腔外增益开关半 导体激光器向腔内注入锁模脉冲.使半导体光放大器的增益被调制,产生增益饱和,锁定 腔内各个纵模,从而产生锁模脉冲,实验装置如图2.5所示。这个结构中的soA既起到增益 介质的作用,又起到调制器的作用。1999

年,H.AvHmoDoulos的研究小组报道了用10GHz 注入脉冲产生了20GHz锁模脉冲.激光波长在16rIIll范围内可调㈣。2000年,他们报道了 能同时输出10个波长锁模脉冲的注入型主动锁模光纤激光器口”,脉冲重复频率为30GHz。 脉宽为7ps。在当年的0Fc会议上.他们研制的锁模光纤激光器的性能提高到重复频率 40GHz,调谐范围20m㈣。

17

西南大学硕士学位论文 皿F^曲F^

圈2.5基于SOA的注入型主动锁模光纤激光器结构图

第二种注入型主动锁模是利用光纤的交叉相位调制(xPM效应进行主动锁模,实验装置 如图2.6所示.工作原理是用腔内的一段单模光纤作为一个相位调制器.当向腔内注入波 K为^。的光脉冲序列时.该波长的光与光纤环形腔中波长为A.的信号光相互作用.形成交 叉相位调制,由此对信号光五.产生周期性的相位调制,从而实现激光器的主动锁模。目前, 利用这种结构已成功地从40Gb/S的信号脉冲中提取光时钟㈣。

Svit ch Fiber

图2.6基于光纤中x阳的注入型主动锁模光纤激光器结构图 §2.3.2被动锁模…151

被动锁模是一种全光非线性技术,能在腔内不_I=}】调制器之类的任何有源器件的情况下 实现超短脉冲输出。图2.7为利用可饱和吸收体锁模的光纤激光器,其原理是。利用非线性 器件对输入脉冲的强度依赖性,得到与输入脉冲相比更窄的脉冲。常采用以下方法来产生 高重复率输出脉冲:一是把可饱和吸收体放在激光谐振腔内实现的。可饱和吸收体是一种非 线性介质.对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的,当光场较弱时对光吸收很强,因此 光透过率很低:随着激光强度增加吸收减少,当达到一特定值时吸收饱和透过率达100%,使 强度最大的激光脉冲经受最小的损耗.从而得到很强的锁模脉冲。它类似于被动0开关. 但又有区别,被动锁模要求可饱和吸收体的上能级寿命特别短。

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b r 愍 吕 嗍 凿 一 譬 l口 ~晕 产舞咖 西南大学硕士学位论文 9

图2.7利用可饱和吸收体锁模的光纤激光{}{}

由于在光纤激光器中使用半导体可饱和吸收体的不利之处:破坏了其全光纤结构。因 此,利用非线性光纤放大环境(sagnac干涉仪,也无须外加电调制信号或外界注入脉冲. 可以产生被动锁模脉冲。此结构的光纤激光器形状类似8字而被称为“8”字腔锁模激光器。 其结构简单,同时也充分利用掺铒光纤的增益带宽.理论上讲可直接产生fs光脉冲。但它 的不足之处是输出脉冲重复频率的稳定度差,不能外界调控。被动锁模的一种代表结构为 非线性光纤放大环腔结构,如图2.8

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图2,8“8”字型被动锁模激光器

另外。被动锁模光纤激光器是利用插入腔中的非线性元件(饱和吸收体或非线性光纤 放大环境产生锁模脉冲的。光纤的非线性偏振旋转在环形光纤锁模激光器中可以起到饱 和吸收体的作用,其工作原理如图2.9所示。可以用x蹦效应来解释。当两束或更多束光 波同时在光纤中传输时,它们将通过光纤中的非线性发生相互作用。xPM效应的产生是因为 一光波的有效折射率不仅与此光波的强度有关,而且与另外一些同时传播的光波的强度有 关。图2.9中,从隔离器出来的光被Pc。变为椭圆偏振光,它在x方向和Y方向有不同的光 强.这束椭圆偏振光经过光纤。由于光纤的X蹦效应.沿x方向的偏振分量和沿Y方向的 偏振分量经过相同长度的光纤产生的相移却不同,这就使椭圆偏振光的偏振态发生旋转。 另外,光纤本身的双折射也使在光纤中传播的光的偏振态发生旋转。适当选择Pc2的位置, 使某个偏振态的光的损耗最小.能再次通过隔离器.继续振荡,这样就可以利用偏振选择 来实现被动锁模。

9

西南大学硕士学位论文 嘶一 §z,3.3对撞脉冲锁模‘…21

图2.9被动锁模光纤激光器

对撞脉冲锁模也称脉冲碰撞锁模,简称C蹦,这种锁模技术不仅在激光脉冲宽度的压缩 E是一次突破,而且也提高了锁模脉冲的输出功率和1:作稳定性。碰撞脉冲锁模激光器与 被动锁模激光器…样,也是通过可饱和吸收体实现锁模的。因此,它的腔内必备元件是放 大介质和可饱和吸收体。在被动锁模中,由于可饱和吸收体对入射光脉冲产生了饱和吸收, 等效于腔内一个难复频率f=c/2L的光开关在实行损耗调制,而在碰撞脉冲锁摸中,主要依 靠在可饱和吸收体内形成空间光栅作片j实现锁摸:当腔内的光增益达到阐值水平之后,腔 内便形成两列相向传播的光波脉冲,并在可饱和吸收体处会合。如果光强迭加的结果能使 可饱和吸收体得到一定程度的漂白(使可饱和吸收体饱和称为漂白,由于两脉冲所得增益 相同,两脉冲相互依存发展的结果终将在腔内形成两个同步且等强度的行波脉冲。继之。 由于两个脉冲的相干性,便会在可饱和吸收体处形成光强的空间调制.这种光强调制的起 因可以理解为两列同步的相向行进的行波在可饱和吸收介质处相撞时形成驻波。处于驻波 波腹处的吸收介质粒子吸收光子能量后跃迁到它的上能级,而在驻波波节处的吸收介质粒 子则因未得到光子能量而仍留在基态。这样就形成了可饱和吸收介质上下能级粒子数的空 间周期性分布,进而导致可饱和吸收介质折射率的空间周期性分布。这就等效于一个光栅, 称之为粒子数分布光栅。在形成光栅的过程中。两脉冲能量的前沿被吸收,这和普通被动 锁模过程中脉冲前沿被压缩是等效的。由于两脉冲共同作用.光栅可以很快地建立起来, 且脉冲的峰值功率越高,光栅的建立越快。可饱和吸收介质的弛豫时间较脉冲本身持续时 间要长碍多.因此,脉冲后沿通过可饱和吸收介质时,光栅尚未消失,脉冲后沿便会受到 后向散射而压缩。可见,腔中两等强光脉冲在可饱和吸收介质处的相干叠加所形成的光栅, 将使脉冲宽度的压缩过程加快。对撞锁模的谐振腔型式有环形腔、托振环(ARR式腔和平面 平行腔等多种型式。晟早报导用碰撞脉冲锁模技术实现短脉冲的是美国贝尔实验室 R.L.Fork等人,他们采用的环形腔结构由饱和吸收体、染料盒、平面镜、球面镜等组成(图 2.10。利用这种结构,他们得到了稳定连续的脉冲串,脉宽为90ps.自相关半宽为0.14ps,

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对于一个3%的耦合器,平均输出功率为50lnw。 §2.3.4自锁模…。

图2,10碰撞脉冲锁模环形激光器结构示意图

自锁模是不需外加主动或被动调制元件,仅依靠激活介质自身的非线性效应产生振荡 光束的强度调制,相位锁定,从而产生超短脉冲的锁模技术。目前昔遍认为自锁模的物理 机制与晶体的非线性效应,特别是Kerr透镜效应有荚,所以自锁模也被称为Kerr透镜锁 模“LM。自锁模的一种代表结构为钛宝石飞秒激光器,如图2.1l。当激光束通过腔内Kerr 介质(可以是激光增益介质,也可以是插入腔内的光学介质时,会引起介质折射率的变 化,即克尔透镜自聚焦。这种自聚焦效应将使振荡光束的模式或参数随着激光功率(峰值功 率变化。如果谐振腔内存在某种硬边或软边光阑,那么激光束参数的变化必然引起腔内净 增益的变化。只要谐振腔设计合理.光阑位置正确,大的峰值功率将使腔内净增益变大(平 均功率不变。这样激光器就尝运转在自锁模状态而非连纯状态。由于自锁模激光器结构简 单,操作方便,这种锁模方法被迅速应用到其他固体激光介质上・相继在 Cr“:LisAF,cr”:F0rsterite,Cr“:YAG,YLF等固体激光介质中实现了自锁模运转.并得到了 飞秒激光脉冲。但是,利用激活介质自身的非线性达到自锁是不容易的,要锁定许多纵模 使之达到实用要求就显得更不容易。自锁往往不稳定,各种环境漂移因素常使自锁条件破 坏并使锁定状态瓦解。对于某些不要求锁模运转的激光器,自发的锁模反而成为一个有害 因素。必须设法避免。1991年实现了掺钛蓝宝石激光器自锁模后,锁模脉冲宽度不断得到 压缩。在国外,1992年,美国华盛顿州立大学的研究人员研制了脉冲宽度为17fs的自锁模 掺钛蓝宝石激光器,打破了几年前美国Bell Laboratory利用碰撞脉冲锁模染料激光器得 到的27fs的超短激光脉冲。

西南大学硕士学位论文 §2.3.5同步泵浦锁模…‘571 图2.儿自镄模钛宝石飞秒激光器

主动锁模最常用方法是应用振幅或频率(或相位调制器对激光器腔内光场进行调制, 调制的频率一般为纵模间隔或其整倍数,分别称为振幅调制(删或频率调制(FM。已采用的 调制器有电光调制器、F—P腔半导体激光器(LD、半导体光放大器和应用xPM非线性效应调 制激光相位等。如果要通过周期性地调制谐振腔的增益米实现锁模,则可以采用一台主动 锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得,这种方式就是同步泵浦锁模。同步泵浦 锁模EDFL实验装置如图2.12所示。实现同步泵浦锁模的荚键是.使被泵浦激光器的谐振 腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或是它的整数倍。在一定的条件下,增益受到调制, 其调制周期等于光在谐振腔的循环周期。与损耗调制类似,在最大增益时域内形成一短脉 冲.这种方法的优点在于周期性泵浦时可以获得比泵浦脉冲宽度小得多的脉冲。此外,在 同步泵浦染料激光器中,产生的超短脉冲的频率在一定的波长范围内是连续可调的。这种 技术最初应用于染料激光器来产生短的激光脉冲,也有用于钛宝石激光器的。

0:10 Oupier OutplIt RF

图2.12同步泉浦锬模EDFL实验装置

锁模既可以通过周期性地调制谐振腔的损耗,也可以通过周期性地调制谐振腔的增益来 实现。同步泵浦是一种调制增益的锁模技术。即调节泵浦光的重复频率使之等于激光器纵模 间隔的整倍数。在一定条件下,增益就在时间上得到调制。与内部损耗调制时的情况相似,此

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时在虽大增益时域内形成一短脉冲,即实现了同步泵浦。仔细调整加在LD上的交流电流的 额率f玉。当调制频率为腔基频k。的整数倍时,即6tF=m毛。,腔内

将有m个脉冲在腔内往复循 环.同时得到泵浦光的加强,在输出端得到重复频率为fb的谐波锁模脉冲。当调制频率失谐 k√n时,脉冲在腔内循环n周后,腔内将有rIrn+1个脉冲受到相同的泵浦光加强。产生n倍于调 制频率的输出脉冲序列,对应丁有理数谐波锁模状态。

§z.4谐波锁模光纤激光器”“

有理谐波锁模在近几年成为主动锁模光纤激光器的一个研究热点。因为激光器传统锁 模产生的脉冲重复频率等于调制频率,但是调制频率通常受到微波驱动电路及调制器响应 速度的限制:而有理谐波锁模这项技术只需略加调节调制频率或腔长,即可实现输出光脉冲 重复频率的倍增(等于调制频率的整数倍,这对产生高重复频率的超短脉冲无疑具有重要 的意义。

§2.4.1基于EDFA的谐波锁模光纤激光器

目前,为了克服掺铒光纤激光器输出脉冲最高重复频率受调制器和信号源上限截J上频率 限制的不足,常采用以下三种方法来产生高重复率输出脉冲:一是通过有理数谐波锁模 (RHML技术;二是利.【}jLiNb03光调制器的非线性,通过给调制器加上适当偏压和射频(RF驱 动电压来获取某次高阶锁模脉冲;三是利用光纤激光器中的sPM和群速度色散(GvD效应使 激光系统的稳态受到调制来产生高重复率输出脉冲。采用第一种调制方法的有理数谐波锁 模光纤激光器结构图如图2.13所示。该环行光纤激光器包括一个LiN03强度调制器晟大调 制频率为500M11z、一个98嘶m泵浦的EDFA、两个隔离器、一个偏振控制器、一个90:10的耦合器组成整个光纤环长26.50m。90:10耦合器输出的脉冲光由lns光电转换器接受并输 入到惠普54610B型的500Mllz示波器观测脉冲波形其输出光谱用ExFO的IQ.5240光谱分析 仪来探测。

I霉一 2. 合

图2.13基于EDFA的谐波镄摸光纤激光器实验装置 西南大学硕士学位论文

§2.4.1基于s0A的谐波锁模光纤激光器

幅度稳定,时间抖动小的高重复频率超短光脉冲源是光APD转换阻及光通信系统中的关 键器件之一。增益开关分布反馈(DFB激光器虽结构简单。重复频率可调,但输出脉冲较宽, 且有较大的时间抖动和频率啁啾。光纤锁模激光器因可直接产生性能良好的皮秒超短光脉 冲,时间抖动小,无啁啾而受到普遍的关注。通常一个主动锁模光纤激光器主要由强度调制 器、增益介质及滤波器构成。由掺铒光纤放人器(EDFA提供信号增益的环腔锁模激光器 有输出功率犬的优点,但因其环腔长,稳定性差.超模噪卢大,要获得稳定实用的超短光脉冲 需要有较为复杂的反馈结构。sOA非线性环镜作为锁模器件.同时也充当脉冲振幅平化器 件。基于激光脉冲自开关效应。环镜有效减小了脉冲的波动起伏。具有平化振幅的光脉冲 以高达11.8GHz的重复率被持续产生。因此,玑w.Tang等人考虑到半导体光放大器(s0A 的响应速度快,稳定性好,易于集成等优点,提出了用一个SOA既作调制器又作增益介质的 谐波锁模光纤激光器的方案,结构如图2.14所示。soA被连接到3一DB耦合器的输出端口 构成非线性环镜,并且是非对称地安装在光纤环中。控制脉冲被一个分布反馈激光二极管 驱动。偏振控制器(Pcl设定信号初始的线性的反射特征。光学环形调制器的入口朋光环 行器和一个再循环路径相连。一个掺铒光纤放大器(EDFA和两个可调F.P滤波器沿路径 依次安装。滤波器扮演了去除控制脉冲和来自于EDFA放大了的自发辐射噪音(AsE,以 及决定激光器的输出波长的角色。

图2.14基于SOA的谐波锁模光纤激光器的结构削

从时域上看。有理数谐波锁模技术产生高阶锁模脉冲输出的物理机制是腔内循环脉冲 与调制器周期性损耗相互均衡作用所致。当调制频率‘与激光器谐振腔基频五不匹配,即 存在一个失谐量啦/p时,它对腔内运行脉冲的影响表现为引入了一个附加相移2q厅,p-这相当于对腔内所有振荡脉冲引入一个与损耗有关的延时g瓦,p,其中乙为调制器的调制 周期。因此,有理数谐波锁模不像普通谐波锁模那样是腔内振

荡脉冲与调制频率引起的周 期性损耗完全同步的状态,而是处于一种非同步状态,各个脉冲都不能在调制器损耗最小 点通过调制器。如果设其中一个脉冲在调制器的调制相位为矽时通过调制器.则下一个脉

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冲将在调制器的调制相位为妒+29万/p时通过调制器,第3个脉冲将在调制器的调制相位 为≯+49石/p时通过调制器,……。当这些脉冲循环一圈后会再次通过调制器.但第1个 脉冲通过调制器时调制相位己经变为(伊+2m丌+29石/p,第2个脉冲通过调制器时调制 相位已经变为(妒+2m万+49厅/J口时通过调制器.……,依此类推,可以想象出脉冲在腔 内受到损耗的情况。单从脉冲循环一圈来看,腔内各个脉冲所受到的损耗各不相同。但当 脉冲在腔内循环p圈后.尽管各个脉冲所经历的p次损耗的先后顺序不同.但它们受到的 总的损耗效果是相同的。或者也可以将有理数谐波锁模的谐振腔进行拓展.想象成一个里 面包含p个调制器的大环形腔.腔内同时运转着mp+母个脉冲,这些脉冲在大环形腔内运 转一圈后受到的损耗是相同的。所以在给调制器加频率为(m+g/p正的射频信号时,可 以获得重复频率为(\"妒+g正的锁模脉冲序列。

从频域上看,在谐波锁模情况下,因为调制信号的频率是纵模间隔的m倍,所以调制 产生的调制边带与∞±2卅石Z,∞±4卅丌正,……等纵模相重合,可以达到锁定这些纵模 相位的目的。这时的频谱在经过傅立叶逆变换后得到的时域信号即为重复频率为疗旷的谐波 锁模信号。而在有理数谐波锁模情况下,调制信号是纵模间隔的(m+g/∞倍,因此调制 产生的调制边带和纵模重合的位置在甜±2(,即+g万正.脚±4(,,p+q丌正,……等处, 只有这些纵模的相位可以被锁定。这时的频谱在经过傅直叶逆变换后就可以得到重复频率 为(\"妒+g工的有理数谐波锁模的时域信号了。

从时域、频域分析可以看出.有理数谐波锁模的结果实际上是一个平均结果,因此与 利用其它可获得数倍于调制频率的脉冲序列的方法(例如:利用调制器的非线性等相比较, 有理数谐波锁模脉冲序列的稳定性要好。但采用有理谐波锁模获得的光

脉冲幅度、宽度及 间隔不一致,主要是因为超模噪声和幅度噪声等,这是该类器件的不足之处。超模噪声来源于 增益介质的非均匀性和非稳态的弛豫振荡,可以通过抖动腔长、自相位调制等来抑制。幅度 噪声在有理谐波锁模光纤激光器中是不可避免的,必须进行腔外整形。如何实现有理谐波锁 模得到的光脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和脉冲幅度一致,也是该技术实用化的关键和目前研 究的热点。

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第三章soA反射率对谐波锁模光纤激光器的影响 §3.1引言

soA具有增益谱宽、非线性系数高、功耗低和易丁集成的优点,将成为朱来超高速、 大容量全光网中的关键器件【ll。目前。基于soA的锁模光纤环行激光器因其能得到高质量、 高踅复率的光脉冲而倍受人们的青睐,人们对其T作特性进行了理论和实验研究口“。在描 述基于soA的锁模光纤环行激光器的理论模型中,为了简化,大多忽略了SOA的端面剩 余反射率。而在实际应用中,虽然人们采用在sOA的两端面镀制减反射膜以降低其端面反 射率.但总存在一定的剩余反射率。因此,有必要研究端面的剩余反射率对基于soA的谐 波锁模光纤环行激光器的锁模脉冲的影响。本章在考虑了sOA端面剩余反射率的情况下, 建立了基丁s0A的谐波锁模光纤环行激光器理论模型,数值模拟了sOA端面剩余反射率 对锁模光脉冲特性的影响,该研究结果对喈波锁模光纤环行激光器的设计具有一定的指导 意义。

§3.2理论模型

基于sOA的谐波锁模光纤环行激光器的结构如图3.1所示口J。分布反馈激光..:极管 (DFB.LD输出的调制光信号脉冲,通过一个偏振控制器(Pc和一个耦含比为50:50的光纤耦合器l(ocl进入调制soA rh Pc是用来控制光场的偏振态。利用调制soA 中的交叉增益效应实现对信号的调制.增益sOA提供增益以克服脉冲在腔内传输时的损耗, 环路中的光隔离器用以保证光单向传输,锁模脉冲从光纤耦合器2(Oc2(其耦合比为5: 95输出。调节DFB.LD产生的调制信号光脉冲的频率^,当￡=N￡(fo为环行腔的基频, N为整数时,即满足激光器实现谐波锁模的条件,最终从耦台器的输出端输出重复频率为 ￡的稳定的谐波锁模光脉冲。

0utput

剖3.1基于sOA的谐波锁模光纤环行激光器的结构图 光脉冲的复振幅一可表示为:

30

西南大学硕士学位论文 爿=√尸exp(却I

瓦甲,,驴分荆为脉开明尤功翠羽J彳目位。任SoA‘尸粘有光懦椭阴刀l司・田j‘仔征赏龈军吕耵, 因此载流子密度是不断变化的。为了更准确地模拟光脉冲在调制sOA中的传输特性,采用 分段模型进行处理。在调制soA的不同位置.载流jf密度及光功率满足以F的微分方程15州:学=专一半一t鼍詈巧+蹦等砑 ㈤

8T qy te

1hv。A…。4”hv|A…““

!!!!!;!差;蔓旦=一[rg。.,(z,71一口。]巴.,(:,r (3 !!!!!!i;蔓!=[I。¨(z,r一口。】e,(z,, (4 警一圭‰∽丁, ㈩ 警=一圭‰亿丁 ㈤

式中,下标/表示soA中的第/段.下标,和m分别表征锁模和调制光脉冲,Ⅳ为载流子 数密度,Jp为光功率,州=f珈B,vg为soA中的群速度足在随脉冲运动的参照系中所测得的 时间,,是调制soA的注入电流,y为soA有源区体积-e足电子电是t r￡(2 (AN+BN 2+CN3~,爿、B和c分别表征1}:辐射复合、自发辐射、俄歇复合过程为 载流子寿命,屏为线宽增强因子.加为光子能最,s为有源区横截面积,口。为soA的 内部损耗,≯f.,为第j段的平均光功率,其表达式为:

巧=壶怎‰删坻c咿叫枇2蹀揣高岩‰ m, 瓦=壶。胁一州吲咿啦肛等鬻葛岩叱一一 ∞, 式中r为模式限制因子,d￡是调制soA的每一小段的长度,只,】是soA中第,1段的输 出的锁模脉冲光功率,P。川是sOA中第,+1段的输出的调制脉冲光功率,g州和g“分别 代表调制和锁模脉冲所获得的增益系数,可表示为16】:

岛,:坐型生掣害婆霉生丝 (8a “。

l+5(只,,+异.,

一 口1(■一Ⅳ0一吒(丑一九2+q(^一~3 l+占(异.,+匕,,

(8b 式中,d,是微分增益系数.%是透明载流子密度,。2和吼分别用来表示增益带宽和增益

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的币对称性-￡为增益压缩田子.k和山分别为调制和锁模脉冲的中心波长t‰是跟载流 子密度有关的增益峰值波长,可表示为\"l:

五Ⅳ=九一口4(Ⅳ,一Ⅳ0 (9 式中,^o为sOA透明时的增益峰值波长,口.川米表示增益峰值波长随腔内载流f密度的 漂移。

考虑sOA端面剩余反射率,光场￡在soA的端面处满足以下的边界条件Is】: ￡,(0,f=√而-4,(o'fe顽fq,+佤群(o,rexp(-f%,

∥(厶r=√ji妒(厶rex“蛔f+Ⅱ二ji‰ex“一f%, (10 乜。(厶,=√l—心E7(厶r+√R以。““fqf

式中L标,和6分别表示前向波和后向波,R,、岛分别对应sOA的前、后端面剩余反射率, 一。o为从DFB-LD输出的调制光脉冲的慢变场振幅,￡为sOA有源区长度.∞为光脉冲的 中心频率。

假定光脉冲通过耦合器时.仅使脉冲的能茸衰减。光脉冲在增益sOA中的传输与在调 制SOA中的传输类似,只需令与调制光脉冲州关的备项为O即可。而脉冲在光纤中的传输 满足以下的:作线性薛定谔方程191

髫+主屈筹叫川阳 … 式中一是光脉冲的复振幅,芦?为群速度色散(GVD参量,y为1}线性系数。

因此,当已知DFB—LD所产生的调制信号光脉冲的形状爿,D以及两个sOA的各个参量. 假定一个初始的锁模脉冲形状,采用四.五阶变步长龙格库塔法对方程(1_(10进行数值求 解,即可得到光脉冲通过两个sOA后的脉冲分弁,再根据方程(11,利用快速傅立叶变 换,即可得到光脉冲在环行腔中传播一周后的脉冲形状。如果不能实现自再现。把传输一 周后的脉冲分布作为新的入射脉冲,重新技上面的步骤进行计算,直到脉冲能实现自再现, 则此时的输出光脉冲即为锁模光脉冲。

§3.3结果与讨论

§3.3.1端面剩余反射率对输出脉冲波形的影响

图3.2给出了端面剩余反射率R(=R.=R2取不同值时,输出脉冲的波形。模拟过程 中soA被分成10等份.并忽略光纤对脉冲传输的影响,所用的其它数据为:厂=0.3,q。。=20 aII一, 三=500¨m,5三O.4“m2,矾=2.5×lO。20m2,血=7.4×1018m~,血=3155×1025m一,函=3×10。32m4,爿

=2.5×108s~,JB=l×10’16m3s~,(≥O.94×1040m6s,^6=1.5×1024m一,P=1.6×lO‘19C,

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c=3×10。眺,如=1605珊.e=0.2w’1,调制sOA的电流^=76.5埘A,增益soA的电流 12=185删At由DFB-LD产生的光脉冲假定为厶庐I爿。。I 2=8×10’3【l+o.9cos(2n石t】 们=2GHz。从图2中可以看出,锁模脉冲前沿较陡峭.后沿较为平缓.脉冲的上升时间明 显小丁下降时问,这是由于sOA的增益饱和效应引起的㈣;另外,R的人小对锁模脉冲的 形状影响很人.在|口]样的情况下,考虑端面剩余反射率后得到的锁模脉冲宽度远人于把soA 理想化(R=0时的模拟结果。因此,即使soA的反射率||!常小(,104,也不能币考虑端 面剩余反射率的影响。

目32端面剩余反射率月(=R。=R2取不问值时,输出脉冲的波形 §3.3.2端面剩余反射率对脉冲输出功率、脉冲宽度的影响 Re日eclMtv R

I芏|33脉冲的输出功率、脉冲宽度随端面剩余反射率尺(=拧,=岛的变化曲线 图3.3给出了脉冲的输出功率、脉冲宽度随端面剩余反射率月(=R,=凡的变化曲线。 由图3.3可知:当soA的端面剩余反射率逐渐增大时,锁模脉冲的峰值功率和脉冲宽度都

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将逐渐增人。这是因为随着sOA端面剩余反射率R增大。从DFB.LD输出的调制信号通过 sOA的前端面反射直接进入到光路中的能景就会增多,相当干降低了整个锁模光纤激光器 的闽值:另一方面.随着R的增大,soA对脉冲的增益会下降【l…。锁模脉冲的峰值功率和 脉冲宽度随R的变化规律是两种因素共同作用的结果。在我们讨论的范围内(104(R<10“, 前一种因素的影响占主要,即照看R的增加,腔内环行惆的小信号增益将增加,这就直 接导致脉冲的峰值功率的增加;而小信号增益的增加,同时还会导致脉冲在一个更大的时 间范围内都能得到放人,即脉冲宽度的增加。

§3.4本章结论

在考虑s0A的端面剩余反射率情况下.建立了基于soA谐波锁模光纤环行激光器的 理论模型,着重研究了sOA的端面剩余反射率对锁模脉冲的波形、峰值功率及其脉冲宽度 等的影响。研究结果表明:sOA的端而剩余反射牢极大地影响锁模脉冲的形状,即便sOA 的端而剩余反射率很小(~104,所得结果也与理想的行波放人器(R=0相差很大。所以 为了正确模拟基于soA谐波锁模光纤环行激光器的行为,必须考虑soA端面剩余反射率 的影响。另外随着R的增大,峰值功率逐渐增加,脉冲宽度逐渐变宽。冈此,为了得到窄 的锁模脉冲,应该使sOA的偏置电流小丁采jij行波放人器模型所得的结果。需要指出的是, 尽管奉章的1=作只是一种理论探索,但是所得结果就物理上而言是有其合理性的,相关的 实验研究将是我们下一步的工作。

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第四章基于SoA非线性偏振旋转效应的谐波锁模光纤环行激光器 §4.1引言 高质量、高重复率、波长可调的窄光脉冲源是未来光时分复川(OTDM/波分复刚(wDM 高速光纤通信系统中最要的组成部分…。主动锁模光纤激光器可以输出高重复频率的近变换 极限的超短光脉冲,因而成为高速光通信系统中的首选光源之一。在摹丁.sOA的谐波锁模 光纤环行激光器中,s0A作为光纤锁模激光器的调制器件,人们主要利用soA的交叉增益 调制(xGM、交叉相位调制(xPM和自相位调制(xPM效应,对锁模激光器进行调 制,得到高重复率、波长可调谐的窄光脉冲输出。但近几年来,soA的非线性偏振旋转效 应问题越来越引起人们的注意,它对soA应用的影响也已经被实验和理论研究所揭示。92年首次提出利用非线性偏振旋转效应作为等效可饱和吸收体实现锁模,收到良好的效果。 这种锁模方式背后的物理机制与Kerr光开关是相似的。从概念的角度讲,它与“8”字型腔 相同,只不过是同一脉冲的两个相互垂直的分堵代替了相向传输的两束光波。从实用的角 度讲,这种被动锁模方法可以在1个此纤环内实现,结构简单12】。03年,千肇颖等利川这 种方法得到丫:作线性偏振旋转效应锁模激光器的机理,实验得到平均输出功率0.313mw、 重复频率13.9MHz的自起振稳定被动锁模输出,中心波长1562.3nm,脉冲、F极人全宽度 (FwHM1.5psp J。后来,x.Yang等利用soA的非线性偏振旋转效应锁模激光器的

机理, 得到平均输出功率0.2mw、重复频率14MHz的被动锁模输出,中心波长1552nm,脉冲半 极大全宽度(FwHMo.8ps【”。基丁此,奉章建立了基于sOA非线性偏振旋转效应的谐波 锁模光纤环行激光器理论模型,数值模拟了在不同soA注入电流情况下,soA的非线性偏 振旋转效应对输出脉冲的波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。

§4.2理论模型

基于SOA非线性偏振旋转敏应的谐波锁模光纤环行激光器结构如图4l所示pj,该谐 波锁模光纤环行激光器由充当增益介质的sOA,一个偏振控制器Pcl,一个可调谐滤波器 及偏振器组成。偏振控制器的作用是改变从sOA输出光脉冲的偏振态。隔离器为了使腔内 的脉冲单向传输,最后锁模脉冲从耦合器oc2(其耦含比为90:10输出。调节DFB.LD产 生的信号光脉冲的频率石,当^=蝴∞为环形腔的基频,.v为整数时,即满足激光器实现谐 波锁模的条件,在激光腔内的脉冲才能每次经过sOA时都能获得最大的透过率,脉冲不断 地被压窄,虽终从耦合器的输出端输出重复频率为而的稳定的谐波锁模光脉冲。

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§4.3理论分析 幽4.I特波镄模光纤环行激光器示意图 drjr●r

将入射soA任意光场可以分解成两个相互雄.随的分母:同波导层平行的x偏振分景 (TE模和同波导层难直的y偏振分龄(TM模。这两个偏振分角在soA中沿z方向传 输。实际上,在sOA中除了TE模和TM模通过载流于发生间接作用外,这两个偏振模相 互独立传输。由于建立该模型是为了描述sOA的偏振行为,其脉冲的频率仅有几十G把, 由于不涉及超快动态过程,因此采用相对简单的传输和速率方程,在soA中TE模和TM 模的慢变振幅满足以下微分方程【6l:

(昙+u≯竹列=三严(1砌‰~,,A~,f一圭口孑A%,f (1 皤+∥A~,f=三r~

嘲…g~'fA~,f一吉口孑A~,f(2 其中,TE、TM分别表示横电场和横磁场分量.一出,,j

表示在时问和空问上光场的慢变复 振幅,唯为SOA中的群速度,r为模式限制冈子,g伍p为增益函数,口为相位调制参数, 口。,为sOA的内部损耗,为了便于计算,将TE模和TM模的复振幅A(己t分解成光脉冲 强度和相位两个部分:

A陋(z,f=√s陋(z,f弦。,(=¨A刑(z,r=√sⅢo,f弦’,m(叫 (3 其中,s(4、≯(z,t分别表示光脉冲的强度和相位,TE模和TM模的增益函数g(z’1 可表示为:

g”(z,,=f 7。k。(乙,+吼(z,,一.vo】 (4a 37 西南大学硕士学位论文

g“(z,f=毒“k。(z,,+q(z,,一Ⅳ。](4b 其中,善为增益系数.H。(z,f为导带中的电子数,H,(z,,、疗,(:,r分别表示在x和y方 向上的空穴数,Ⅳ。为在光脉冲传输方向上的总电子态数。在高强度的光脉冲情况下。由于 载流子加热引起增箍饱和,TE模和TM模的增益系数相应地表示为:

r疆 r 7M

善”2荐知善”2南 (5

其中,古。为小信号微分增益系数,s在soA中每个光子的典型值为10~。假设在soA中 的总空穴数等下总电子数.则有:

,了。(z,f=盯,(z,f+一。(z,f (6 将(6式代入(4,可以得到:

g”(z,f=掌7百【2以(z,,+~(z,,一.v。](7a 占7”(z,,=f“[2~(z,,+以(‘,一Ⅳo】 (7b 在x和y方向上的空穴数所满足以下速率方稗:

锄,(z,f 研 n,(z,,一”,n,(=,f一办,(z,r 一g腰(z,rS 75(z,r (8a

皇!之竽:一!毕一!兰!垒!!掣一gw(。,fsw(:,,(8b af Z L 口 、’7、’7

其中-”,和”。是由sOA注入电流决定的平均空穴数,乃为空穴一电子的复合时问.乃为 空穴一空穴的弛豫时间,(8a、(8b式Zi边强后一项考虑了受激耦合。因为空穴一空穴的 弛豫时间乃(~loofs比电子~空穴的复合时间r,(一350ps短得多,由于不涉及超快动 态过程,因此n,和n。满足

n,(z,,=力。(2,f (9 对无张应变块状材料中.其增益是各向同性的即户l,在引入张应变的情况下,可使TM模 的增益大于TE模即产1,因此,与(9式一毁稳态值可表示为:

i:卫 瓦:旦 (10 %2奇 b 2两 ¨∞

其中,”=二Tl,,为soA的注入电流,P为电子电最,/为空穴数非平衡因子。 在sOA中,TM模和TE模的光功率Jpm7M与光强s7们M的关系可以用下面的公式表示:∥”=等南

n珊￡……’

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其中,^为普朗克常数,∞为光脉冲的中心频率,￡为sOA有源区长度。1M模和TE模的

相位传输方程为:地:上竺!!墨!堕2 az 2蜉 a庐7M(z,f l口7Mr 7M97M(z,, 岔 2uy

阗此,从偏振控制器Pc.输出光的复振幅可表示为 “。,.,:√西∥”,+√西∥“,

式中,s焉:s。cos 2口.P(’”s”一。孟“7妒,s嚣:s。sIn 2口.e(7“g“一。0x‘7∥

可调滤波器的传输函数可表示为“I: 丁c班唧卜管, (12 (13 (14 (15

其中,面是脉冲与滤波器的中心频率之差,△∞。与滤波器的3dB带宽的关系可表示为:△%2志蚴M “6’ 假定光脉冲通过耦合器时,仅使脉冲的能茸衰减,而脉冲在光纤中的传输满足以F的非 线性薛定谔方程18l:

芸+圭晟豢叫肌 …, 式中一是光脉冲的复振幅,口?为群速度色散(GVD参量,y为非线性系数。

采用四-五阶变步长龙格库塔法对方程(1.(16进行数值计算,即可得到光脉冲通过sOA 后的脉冲分布,再根据方程(17,利用快速傅立叶变换,即可得到光脉冲在环行腔中传播 一周后的脉冲形状。如果不能实现自再现,把传输一周后的脉冲分布作为新的入射脉冲, 重新按上面的步骤进行计算,直到脉冲能实现自再现,则此时的输出光脉冲即为锁模光脉 冲。

§4.4结果与讨论

图4.2给出了不同sOA注入电流情况下,输出脉冲的波形。在模拟过程中,忽略光纤 对光脉冲传输的影响,所用的其它数据如下:厂俺=O.2,厂7峋.14,d。,7。印,卅7Ⅳ=o.27pm~. 舻108,P=1.6x10.19c.%7k%虬100prn,ps,卿.1ps,乃=500ps,口旭邗虬5,手口&7.o×10—ps~,善07‰.5×lo—ps~,仁800pm.f_o.5,臼=45。,由DFB.LD产生的光脉冲可表示为|p=8

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×10。【1+09cos(2Ⅱ石t】∽=2GHz。图4.2(a・(i中s0A注入电流分别为102Ⅱ认,103n1A, 104rnA,105mA,106n认,107InA.108mA,109mA,110mA。从图中可以看出.当soA注入电 流取102mA时,输出脉冲的宽度最窄,而且脉冲形状对称性较好。随着sOA注入电流的 增加,输出脉冲前沿变得陡峭,后沿变得平缓.并且脉冲后

沿发生了扭曲,脉冲呈现不对 称性.这是因为偏振旋转的作用。脉冲前沿的弱基鹰被抑制,前沿较陡,而由于TE、1M 模的饱和增益差,脉冲后沿有较长的拖尾。

圈4.2在不旧sOA注入电流情况F输出脉冲的波形

图4.3给出了在不同sOA注入Lb流情况下输jl 5功率及脉冲宽度。从圈中可以看出,随 着sOA注入电流的增加,输出功率增加,脉冲宽度变宽,这是崮为随着sOA注入电流的 增加,载流予数密度增人,脉冲峰值功率增加;脉冲经过sOA时,TE、TM模迅速使得sOA 饱和,使得脉冲前沿获得增益比后沿多,且TE、TM模饱和增益筹也相应地增加,脉冲宽 度变宽。

图4.3在不同sOA注人电流情况下输m功率及脉冲宽度

图44在sOA注入电流分别取102mA和106mA时的输入脉冲与输出脉冲。比较图4.4 (a、(b可以看出,在低电流条件下,输出脉冲的宽度更窄,脉冲形状的对称性较好, 其原因是在高注入电流下,正弦调制信号引起的SOA中的交叉增益调制更强.载流子浓度

40

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变化幅度较大.TE、TM模增益变化较人,使得脉冲宽度变宽且不对称。 、、Ill //、\\ / | /\\, \\/\\/, \\/j

? 1』 \\, \\7f \\/\\ 』 \\/| \\/、 \\\\//

\\\\//J , jj/j:i7:j、. 扩

I \\圈4.4在sOA注入电流取102mA和106mA蚶的输入脉冲与输出脉冲 图45是激光器输出锁模脉冲的演变波形图。此时sOA注入电流为102mA,从图中可 以看出,住给定的条件下.经过儿千嗣后能够实现f1再现。

§4.5本章结论

图4.5激光器输¨j锁模脉冲的演变波形图

本章考虑了sOA的非线性偏振旋转效应,井建立了基于SOA非线性偏振旋转效应的谐 波锁模光纤环行激光器理论模型,研究了在不同soA注入电流情况下。sOA非线性偏振旋转 效应对谐波锁模光纤环行激光器输出脉冲的波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。研究结果 表明:随着soA注入电流增加,脉冲光场分量TE、州模经

过小同的增益变化,脉冲峰值功 率增加,脉冲宽度变宽,而输出脉冲前沿变得陡峭,后沿变得平缓。

参考文献

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两南大学硕士学位论文 第五章总结与展望

随着信息化时代的到来,信息窑量的需求和传输速率的提高成为超高速系统发展的主 要矛盾。人们充分利用光通信系统的巨大带宽资源和相对低廉的制造成本,将光传送网作 为朱米宽带逋信网的主要发展重点。而JP将承载包括话音、幽像、数据等在幽的多种业务, 它以wDM为核心、以智能化光网络(ION为目标的光传送网将控制信令引入光层.满足了 朱来网络对多粒度信息交换的需求.提高了资源利_I{j率和纽网廊j}j的灵活性,并H带动』_各种光纤器件的发展。OTDM技术的提出,可以克服电,器件的“电f瓶颈”,这就人大提 高了光通信系统地传输能力。而基于s0A的主动锁模光纤激光器可以直接产生高重复频率、 高功率、高质景窄脉宽的超短光脉冲源。同时具有宽度可调谐的特点,是全光信号处理、 全光网络技术的重要组成部分。因此对s0A的特性在主动锁模光纤激光器中的呕要作用进 行详细地研究是非常必要的。本论文以短脉冲光源技术为主要研究对象,主要进行了以下 几个方面的,J:作:

从光纤通信技术的发展方向及趋势出发,结合锁模光纤激光器在光纤通信系统中的重 要影响,详细分折了锁模光纤激光器的锁模物理机制及其锁模建立过程,『司时指出了锁模 技术在来米光通信具有广泛的应川前景。

建立J,塾丁soA的谐波锁模光纤环行激光器的理论模型。利用该模型,研究了sOA 的端面剩余反射率对输出脉冲的波形、峰值功率及其脉冲宽度的影响。数值

模拟结果表明: soA的端面剩余反射率对锁模脉冲影响较大:随着端面剩余反射率的增大,峰值功率逐渐 增加,脉冲宽度逐渐变宽。

建立了基于s0^非线性偏振旋转效应的谐波锁模光纤环行激光器理论模型。研究了在 不同sOA注入电流情况下,s0A非线性偏振旋转效应对谐波锁模光纤环行激光器输出脉冲的 波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。研究结果表明:随着SOA注入电流增加,脉冲光场分 景TE、TM模经过不同的增益变化,脉冲峰值功率增加,脉冲宽度变宽,而输出脉冲前沿变 得陡峭,后沿变得平缓,且理论模拟与已有的实验结果相吻合。

虽然我仃j对锁模光纤激光器的上述特性进行了研究。但是锁模光纤激光器中的各个器 件及其相互间的关系错综复杂,加之本人对锁模光纤激光器的理解和认识不够深入及时间 仓促,闪此锁模光纤激光器的部分问题研究有待进一步深入,如基于sOA的主动锁模光纤 激光器抑制超模噪声的机理的研究;可以利用s0A的非线性效应实现被动锁模的研究;如 何实现有理数谐波锁模得到的光脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和脉冲幅度一致:为了获得更 窄的脉冲,如何将主被动锁模技术相结合等方面的研究。

西南大学硕士学位论文 在读期间发表和录用论文

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致谢

本文是在导师昊正茂教授的悉心指导下完成的。在研究生的三年学习期问, 吴正茂教授给予了我孜孜不倦的教诲和无微不至的关怀,导师渊博的学识,严谨 的治学态度和高尚的为人使我受益匪浅,井将永远的鞭策、教诲、激励着我,使 我在学习和工作中保持着严谨、执着的良好科研态度。在此谨向吴正茂教授致以 衷心的感谢!

在三年的研究生学习中,夏光琼教授的言传身教以及学业上自始至终的指导 和关怀,才使我尽快地步入这一领域,也为我今后独立开展科研工作奠定了良好 的基础,在此谨向夏光琼教授表达我的尊敬与谢意!

感谢物理学院光电技术研究所的博士生导师刘德森教授给予我学习上的指 导和生活上的关心!

感谢物理学院李竹英书记、陈洪院长、郑瑞伦教授、詹炳玉老师、林晓东老 师、王世元老师等给予我的关心和帮助!感谢西南科技大学理学院的范云霞老师、 涪陵师范学院的李松柏老师给予我的关心和帮助!感谢所有关心和帮助过我的老 师们。

感谢师姐周寒青、杨文艳、师兄刘木林、昊建伟、陈海涛、王飞、邓涛、贾 新鸿、张毅、钟东洲硕士给予我生活和学习上的帮助、支持和有益的讨论!有幸 和吴加贵、姜广东、柏熙同窗三年,足慰平生!怀念同师弟田剑锋、何玉平、谢 瑛珂和师妹孔慧君相处的幸福时光!

感谢文国知、李天涯、张大友、肖建勇、张超阳等学友三年来互助互爱,携 手进步,真挚的友情必将伴我继续前行。

深深感谢我的父母和家人,在漫长的求学生涯中他们给予我始终如一的关 心、支持和鼓励,他们的爱和关怀将鞭策舜口鼓励我不断奋发进取。

江光裕

二零零六年四月于西南大学杏园