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被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究
湖南大学 硕士学位论文 被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究 姓名：张华 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：傅喜泉
被动锁模掺银光纤激光器中泵浦滞后和波Ｋ调谐的研究摘要由于具有速率高、容量大的优点，光纤通信技术在社会的信息化过程中起到 了举足轻重的作用。而基于非线性偏振旋转技术的光纤激光器由于在ＤＷＤＭ、 ＯＴＤＭ等光纤通信传输系统中作为经济、稳定通信光源的潜在应用，近年来吸引 了很多注意。在基于非线性偏振旋转技术的光纤激光器中，泵浦功率滞后现象影 响激光器输出重复率的稳定性。而波长调谐特性对通信光源而言其重要性不言而 喻。本文对光纤激光器中泵浦功率滞后和波长调谐的机理进行了理论和实验研究， 并对泵浦功率滞后的分析结果进行了模拟验证，取得的主要成果如下： 第一，用非线性传输模型对泵浦功率滞后的机理进行了分析，结果表明，此 激光器中的泵浦滞后现象起因于激光腔的非线性损耗特性，且腔内孤子数目越多 泵浦功率滞后越明显。对非线性偏振旋转光纤激光器中的泵浦功率滞后现象进行 了数值模拟和实验验证，结果与非线性传输模型分析的结论一致，并清楚显示了 泵浦滞后现象不仅在连续光锁模产生孤子时存在，在锁模态下新孤子的产生过程中仍然存在。第二，对波长调谐的机理进行了理论和实验研究。在实验中，断开隔离器后 增大泵浦功率至３２５ｍｗ测得掺铒光纤的自发辐射谱中心波长位于１５３２ｎｍ，接上 隔离器，在保持泵浦功率不变的情况下调节偏振控制器，长波长边的功率逐渐增 加，激光器进入双波长输出工作态。继续调节偏振控制器，激光器进入孤子工作 态，我们发现光纤激光器中孤子谱中心波长位于１５５８ｎｍ，且孤子谱在１５５８ｎｍ至ｌ ５７０ｎｍ范围内连续可调。利用非线性传输模型对光纤激光器中波长调谐的机理进行了分析，研究表明，波长调谐的形成机理是光纤双折射、光纤非线性、腔内滤波器共同作用的结果。关键词：光纤激光器；非线性偏振旋转；被动锁模；泵浦功率滞后；放大自发辐射硕ｌ：学位论丈ＡｂｓｔｒａｃｔＦｉｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｌａｙａｎＶｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｉｎｆ．ｏｍａｔｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｏｆ ｓｏｃｉａｌｔｙ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｕｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｄｒａｗ ｌｏｔｓ ｏｆ 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ｆｉｂｅｒｂｉｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ，ｆｉｂｅｒ ｎｏｎ．１ｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｃａｖｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ．ＩＩＩ被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波Ｋ调潴的研究ｌ（ｅｙＷｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｉｏｎ；ｐａｓｓｉＶｅ ｍｏｄｅ―ｌｏｃｋｉｎｇ；ｐｕｍｐｐｏｗｅｒ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ；ａｍｐｌｉ ｆｉｎｇ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｒａｄｉ ａｔｉｏｎＩＶ硕Ｉｊ学位论文插图索引图２．１光纤结构图……………………………………………………………………………．．１ Ｏ图２．２椭圆偏振光示意图……………………………………………………………………．．１ ５图２．３偏振椭圆的旋转………………………………………………………………………１ ７ 图３．１非线性偏振旋转被动锁模环形掺铒光纤激光器………………………２３ 图３．２光在锁模系统中偏振态示意图…………………………………………………２４ 图３．３泵浦功率滞后中功率传输系数与总相位延迟的关系………………ｊ…．２６ 图３．４孤子数与泵浦强度的关系………………………………………………２７ 图３．５典型孤子频谱图…………………………………………………………………………２８ 图３．６输出功率与泵浦功率的关系…………………………………………．．２８ 图４．１非线性偏振旋转被动锁模环形掺铒光纤激光器………………………３ｌ 图４．２自发辐射谱和调节偏振控制器过程中的频谱图………………………．．３２ 图４．３泵浦功率为３２５ｍｗ时波长调谐频谱图………………………………．３２ 图４．４孤子激光器的传输系数随着两个正交成分总相位延迟的变化………．．３４图４．５波长调谐中功率传输系数与总相位延迟的关系……………………………．．３５ＶＩＩ湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。＼ｌ＞ ，，ｎ作者签名：税久绰日期：力勿丫年气月ｆＪ日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部 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 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 １．保密口，／在 年解密后适用本授权书。２．不保密日。（请在以上相应方框内打＂√＂）作者签名：衣欠华日期：矽体乡月／Ｊ日 ２日 导师签名：了学磊鞑日。期。 叩年夕月 ｌ硕十学位论文第１章１．１引言绪论随着音频、视频等多媒体高带宽业务的普及，带宽的需求呈指数级增长，这对 通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要求。密集波分复用（ＤＷＤＭ）技术的成 熟应用极大的提高了光纤传输系统的容量，成为光纤传输网络增容的主要技术手 段。ＤｗＤＭ技术的光传输网需要更多的信道，信道数目的增多，使得ＤｗＤＭ的光源的工作波长范围的也要相应的增宽。由于掺铒光纤具有很宽增益谱，且结构简单，价格低廉，维护方便，其作为 ＤｗＤＭ光源的潜在应用吸引了很多研究人员的关注。掺铒光纤具有特别简单的结 构，采用１４８０ｎｍ大功率ＬＤ泵浦铒纤，在环形腔内通过一定的选频装置，在铒 纤的放大的自发辐射（ＡＳＥ）谱中选取一点形成激射，就可实现相应波长的激光 输出。其调谐范围取决于铒纤的ＡＳＥ谱宽度以及环形腔内损耗，采用普通的铒纤， 其ＡＳＥ谱在Ｃ带（１５３０―１５６０ｎｍ）川或者Ｌ带（１５７０．１６１０ｎｍ）【２１。新型铋基掺铒光纤， 由于其掺杂浓度要远高于普通铒纤，可以获得比普通铒纤更宽的ＡＳＥ谱，这为 增大可调谐光纤激光器的调谐范围在理论上提供了可能【３。４】。传统的调谐方式多为 光纤光栅的轴向拉伸调谐【５１、轴向压缩调谐【６１、悬臂梁（简支梁）调谐【７】等，调谐 范围有限。采用基于旋转ＦＰ（法布罩一珀罗）滤波片的可调谐滤波器做波长调谐 装置，辅以带通滤波器作为激光激射窗口选择装置进行选频后，得到从１５２３一１６２３ｎｍ的１００ｎｍ的调谐范围。１．２光纤激光器发展简介最早的光纤激光器是６０年代研制的钕玻璃光纤激光器【８１。７０年代以来，随 着光纤制备技术以及谐振腔结构的改进，光纤激光器有了很大的发展，特别是８０ 年代中期英国南安普顿大学掺毋¨光纤的突破【９１，光纤激光器的实用化成为可能，并显示出十分诱人的应用Ｉｊ｛『帚，获得了人们的广泛重视。随着高速通信的发展，以及量子通信的提出，人们对超短光脉冲激光器的研 究兴趣越来越大。目前Ｔｉ宝石激光器是应用最广泛，研究最多的激光器。但因其 波长在Ｏ．８ｕｍ附近，不适宜在光通信中应用。适宜于通信应用的固体激光器是 Ｄ”：ＹＡＧ激光器，其输出波长为１．３一１．６ｕｍ，符合通信中的低损耗波长要求，但这种激光器结构比较复杂、工艺要求高、与光纤耦合有一定困难。掺铒光纤激光器结构简单，调谐范围宽，工作波长位于１．５ｕｍ长波长通信窗口，因此作为可靠 的短脉冲光源，在光纤通信中的应用受到人们的广泛关注。采用主动锁模必须使被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调许的研究用有源调制器，使带有锁模装置的掺铒光纤激光器结构复杂。要想获得更短的光纤脉冲就需要采用被动锁模。被动锁模掺铒光纤激光器利用光纤或者其它元件中的非线性效应进行锁模工作，一般分为两类：可饱和吸收体锁模和非线性光纤环镜 锁模。利用光纤环镜锁模，结构简单，与光纤耦合容易，并且在一定的条件下， 激光器可以实现自启动锁模工作。 １９９１年Ａｂｒａｌｌａｎ等人应用多量子阱放大器进行被动锁模的研究，产生了皮秒量级的脉冲。Ｄｅ Ｓｏｕｚａ等人利用掺铒偏振保持光纤得到３２０ｆｓ，重复率为７ｌＭＨｚ的脉冲输出加入棱镜对以后得到１７ｌｆｓ的脉冲，此外他们认识到饱和吸收体是激光器自启动的原因。利用非线性偏振旋转的被动锁模光纤激光器具有简单、快响应的特点。１９９４ 年Ｔａ吼ｕｒａ等人利用非线性偏振旋转被动锁模技术得到了脉宽１００ｆｓ的环形腔孤子 激光器。１９９５年美国麻省理工学院．Ｐ．Ｉｐｐｅｎ小组提出了这样的一个技术方案：利用９８０ ｎｍ半导体激光振荡与放大器，在环形腔内采用大色散量的正负色散光纤，交替对光脉冲进行展宽与压缩，输出脉宽为９０矗，平均功率９０ｍＷ，最大脉冲能量２．５ｍＪ，重复率４０ＭＨｚ。同年，Ｆｅｍａｎｎ等人采用插入啁啾光纤光栅作为腔内色散调节元件的方案。啁啾光纤光栅的引入使激光器在腔内非线性保持不变的情况 下，增大了色散量，从而得到了大能量超短激光脉冲输出，最大平均功率为 １７０ｍｗ，脉宽４ｐｓ，单脉冲能量达１０ｎＪ。１９９６年ｚｈａｏ等人报道了采用光纤光栅的耦合腔全光纤激光器。１９９９年台湾Ｄｉｎｇ．ｗｅｉ Ｈｕａｎｇ等人利用光纤光栅作为耦合器和反射器，研制出自匹配加成被动锁模光纤激光器，得到了９３０ ｆｓ的半极大宽 度。２０００年ＯＥＣＣ会议上Ｄｕｇ报道采用９０ｍｗ波长为９８０ｎｍ的半导体激光器泵浦，在色散不平衡的非线性光纤环形镜中利用分立色散元件获得了３２７ｆＳ的脉冲序列，中心波长１５６０ｎｍ，重复频率１．４ＭＨｚ，平均功率为７．４ｍＷ。 在过去的十年被动锁模光纤激光器在超短脉冲源方面的应用被广泛的研究 ｆｌｏ】。在激光器中使用脉冲整形技术我们可以稳定地输出亚皮秒脉冲。各种各样的 被动锁模技术，象非线性环镜方法，非线性偏振旋转技术以及半导体饱和吸收体 方法被用来锁模。无论什么锁模技术，我们发现所有激光器孤子工作显示了一些 共同的特性，即在强泵浦情况下，多孤子脉冲总是可以产生的，而且在稳态所有 的孤子具有相同的脉冲特性：当他们分离的足够远时具有相同的脉冲能量和脉冲 宽度。后一个特性我们称之为“孤子能量量子化效应＂。多孤子的产生和孤子能量 量子化效应限制了高脉冲能量、窄脉冲宽度光脉冲的产生。因此，为了进一步改 善激光器的性能对上述问题机理的研究是非常重要的。有一种观点认为，孤子能 量量子化是激光器孤子的本质特性，由于光纤激光器中的孤子本质上是损耗的孤 子，孤子内部能量平衡的需要最终决定了孤子的能量。然而，这种观点不能解释 激光腔内多孤子的形成。实际上，多脉冲的产生在其它类型的孤子激光器中也被２硕ｆｊ学位论文观察到，例如，Ｌｅｄｅｒｅｒ等人报道了灌输金属半导体饱和吸收体镜锁模的钛宝石激 光器的多脉冲工作，Ｓｐｉｅｌｍ觚ｎ等人报道了在克尔棱镜锁模的钛宝石激光器中单 脉冲分裂成多脉冲的情况。在理论上，Ｋａｎｎｅｒ等人提出了孤子激光器中单脉冲分裂成多脉冲的机理。他们认为，当脉冲变的很窄的时候，由于有效的增益带宽限制，增益不能放大脉冲，而是对其加入了一个额外的损耗，随后一个脉冲分裂成 两个脉宽更宽的脉冲。Ａ掣ａｗａｌ数值模拟了单个脉冲在强泵浦增益介质中传输时 多个脉冲的形成。然而，他的模拟显示多脉冲的形成机制和Ｋａｒｔｎｅｒ等人的描叙的相同的。最近有科学家提出利用多个光纤激光器耦合从而产生高强度激光的想法，如 能实现可将光纤激光器的应用拓展到强光领域，赋予了光纤激光器新的使命。对 被动锁模环形掺铒光纤激光器的一些研究成果也能应用到强光上，因此，对波长 可调的超短脉冲被动锁模环形掺铒光纤激光器的研究是非常重要的。１．３光纤激光器的特点和用途１．３．１光纤激光器的特点传统的固体激光器存在体积大、质量大、结构松、可靠性差等缺点。而光纤 激光器有以下特点：（１）增益介质长，能方便地延长增益长度使抽运光充分吸收，光一光转换效率超过６０％；（２）光纤激光器表面积体积比大，其工作物质的热负荷相当小，光纤中的场主要约束在纤芯内，使纤芯中的场强很大，加之光纤的低损耗又使这种高光强可以保持很长距离，能产生超高亮度和超高峰值功率； （３）易实现单模、单频运转和超短脉冲（ｆＳ）；（４）光纤激光器体积小且结构简单，工作 物质为柔性介质，使用方便；（５）激光器可在很宽光谱范围内（４５５～３５００ ｎｍ）设 计与运行，使光纤激光器可调。由于光纤激光器具有以上特点，因此采用光纤作 为振荡器产生超短脉冲激光比传统激光器更具优势…】。１．３．２光纤激光器的用途光纤激光器以其特有的操作简单、结构紧凑、输出功率高、光束集中等优势 在民用、工业、军事、医疗等领域都具有广泛的应用。１．３．２．１在光纤通信领域中的应用在光纤通信窗口１．５∥聊附近，特别需要低噪声、高功率、窄线宽的光源。由 于可以放大宽波段信号的拉曼放大器需要大功率的泵浦源，光纤激光器的层叠腔 技术为其提供良好的技术基础。光纤激光器是目Ｉｊ｛『光纤通信领域最为活跃的研究 课题之一，它不仅能产生连续光输出，而且能够实现超短脉冲的产生，在ＤｗＤＭ系统、ｏＴＤＭ中有广阔的应用前景。３被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调潴的研究１．３．２．２在工业加工领域中的应用光纤激光器已被应用于汽车、船舶及航空制造业、精密激光焊接、石油矿产 资源探测、金属快速成型加工、精细金属加工、激光微加工、空间技术、打孔及 热处理等领域。由于光纤激光器具有优良的光束质量和准确的定位精度，可使标 刻图像具有更高的清晰度，目前已被应用于微米量级半导体、包装、塑料及金属打标中，且打标效率极高。 １．３．２．３在医疗上的应用光纤激光器以其固有的体积小巧、免维护、精确的组织切割等特性，可用于 显微外科手术、换肤、泌尿科、眼科临床等方面。目前，掺Ｔｍ３＋及掺Ｅｒ３＋光纤 激光器在显微外科手术中具有不可替代的作用，因为其输出波长在２．Ｏｕｍ左右， 用该波段激光进行手术时，激光照射部位血液迅速凝结，手术创面小，止血性好，而且该波段激光对人眼安全。另外在诊断成像、癌症治疗等方面，双包层光纤激光器逐渐取代染料激光器的趋势。１．３．２．４在军事上的应用光纤激光器以其固有的效率高、输出功率密度高、免维护、体积小、稳定性 好、可在各种环境条件下运转、所需能源供给系统小等特性，在高能武器、军事 雷达、激光测距等方面具有不可估量的应用价值。高功率光纤激光器作为武器的 输出光功率密度可达Ｍｗ／ｃｍ２，足以摧毁任何坚固的目标，目前，美国、日本等 国家正在致力于千瓦级光纤激光武器的研究。１．４光纤激光器分类光纤激光器的分类方法有很多种，可以分别按照增益介质、谐振腔结构、光 纤结构、输出波长和输出激光等进行分类。按照增益介质划分，光纤激光器主要 有两大类：掺稀土元素激光器和非线性效应激光器（受激拉曼散射激光器和受激布里渊散射激光器）；按照谐振腔结构，光纤激光器的腔形有线形腔、环行腔和“８’’字形腔等；按照光纤内部结构划分，它可以分为单包层和双包层两种；按照输出 波长数目的多少，又可以分为单波长和多波长光纤激光器；按照输出激光的时域特性可以分为连续和脉冲光纤激光器两大类。对于各种不同类型的光纤激光器，我们需要考虑的几个相同的指标是阈值低、效率高和输入输出功率线性好等。下面对目前比较热门的几种光纤激光器技术加以介绍。１．４．１双包层光纤激光器双包层光纤激光器最早是在８０年代术期提出的，它采用双包层光纤代替普通光纤作为增益介质，利用包层泵浦效应得到了高功率的激光输出。这种光纤由纤４硕Ｉ：学位论文芯（芯径约为几个∥朋）、内包层（直径为十几个∥肌到几十个∥＿ｒ，ｌ左右）和外包层组成。由于内包层具有较大的数值孔径和截面积，它能以较高的泵浦效率吸收高功率的多模泵浦光，这就克服了单模单包层光纤只能接受单模激光二极管泵浦的缺陷。而且当泵浦光在内包层中传播时，它能反复穿越纤芯对其中的掺杂介质进行 抽运，将掺杂原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，再经滤波器的 选频作用和谐振腔的正反馈作用得到激光输出。 采用这种包层泵浦技术能使光纤激光器具有高功率、宽泵浦波长范围、效率 高和高可靠性等优点。正是由于它显著的优越性，经过十几年的研究发展，包层 泵浦技术越来越成熟，并逐渐走向实用化。１９９９年，Ｖ．Ｄｏｍｉｎｉｃ等人报道了一连 续激光输出的高功率掺Ｙｂ３＋双包层光纤激光器，采用了四个４５ ｗ的半导体激光二极管阵列作为泵浦源，在１１２０ ｎｍ处得到的输出功率高达１１０ Ｗ。在产品技 术方面，美国的一家公司已开发出了功率为７００ Ｗ的掺Ｙｂ３＋双包层光纤激光器。１．４．２多波长光纤激光器随着光通信网络向大容量和高速率发展，特别是波分复用和密集波分复用技 术的同益成熟，需要发展多波长而且波长间隔可调的激光光源，掺铒光纤因具有 增益谱宽、掺杂离子寿命较长和稳定性好等优点，特别适合用于制作这种多波长 光纤激光器。目前实现光纤激光器的多波长同时振荡的方法有很多种，从多波长的产生机理来看可以分成三类：第一类是在腔内加上选模器件，它起着梳状滤波器的作用；第二类是在腔外放置选择性反馈器件（如光纤光栅等）；第三类是利用 非线性效应（布里渊散射和受激拉曼散射）。其中前两种技术运用的较为广泛，下 面将对它们做详细讨论【１２】。 １．４．２．１腔内选模选模器件置于腔内，它相当于梳状滤波器的作用，允许多个波长在谐振腔内同时振荡，最后在输出端输出。早期的研究是在腔内放置法布里一珀罗（Ｆ―Ｐ）。标准具或马赫．曾德尔干涉仪作为梳状滤波器在腔内进行选模。但是由于在室温下 掺铒光纤属于均匀加宽增益介质，在谐振腔内存在着严重的模式竞争，当一个模式获得稳定振荡后，其它模式将受到抑制而不能得到稳定振荡。所以这两种方法均需要用液氮对掺铒光纤进行冷却，来降低它均匀加宽的线宽，从而减小模式竞 争。这给实用带来了不便，于是研究者希望能采取其它技术来降低常温下均匀加宽的线宽。 室温下，在线型的单模掺铒光纤腔中连接一段多模光纤，依靠多模光纤中导模的空间模式跳动与激光谐振腔中的偏振烧孔共同作用，可以有效抑制模式竞争， 实现窄线宽多波长的同时受激辐射。由于采用半导体光波导和光纤环形镜组成了 光纤激光器的反射腔镜，多模光纤在波长１１５５∥肌附近的归一化频率Ｖ≈２１８，所５被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调许的研究以可被激发的模式只有ＬＰｏｌ和ＬＰＩＩ。当激光在腔镜之间不断反射时，因为单模 光纤中的ＬＰｏＩ模和多模光纤中的ＬＰｏＩ和ＬＰＩｌ模之间的耦合损耗是不同的，所以在腔中将形成与波长有关的传输系数。选择多模光纤的长度为跳模长度的整数倍， 就可以形成了与波长有关的梳状滤波器效应，对输出激光进行选模。而在半导体 光波导和光纤环形镜中偏振控制器的共同调节下，可以增强腔内的偏振非均匀性， 减少均匀加宽的宽度，从而抑制模式竞争，稳定多波长激光输出。 通过减小掺铒光纤均匀加宽的线宽，在室温下实现稳定的多波长输出的报道 还有很多。由两个光纤圈构成反射腔镜的光纤激光器，利用光纤圈反射系数随波 长的周期性变化以及Ｆ―Ｐ标准具的滤波效应来产生多波长；还可以采用多量子 阱光波导（ＭＱｗ）作为等效反射腔镜，这样可以增强腔内光的偏振非均匀性，并获得了间隔为１９ ｎｍ的ｌＯ个波长的稳定激射；还有研究者采用双芯掺铒光纤作为增益介质设计光纤激光器，得到３―８个波长的激光输出。 １．４．２．２腔外选模 这种方法一般是将光纤光栅作为选择性反馈器置于腔外，可以通过串接多个 不同波长的光纤光栅，也可以只接一个多反射峰光纤光栅。在盯形腔光纤激光器 实验中，采用不同的多反射峰光纤光栅，可以分别获得４波长和８波长的激射，其单波长线宽约为１０ｌ啪。在制作多反射峰光纤光栅时，可以控制其输出波长间隔为１１６ｎｍ，使它符合ＷＤＭ光纤通信系统的波长标准。１．４．３锁模光纤激光器光时分复用（ｏＴＤＭ）和波分复用技术结合是未来高速、大容量光纤通信的发 展趋势，而超短脉冲的产生又成为这项技术实现的关键。通常有两种技术可用于 产生短脉冲：调Ｑ技术和锁模技术。但是，光纤激光器中采用调Ｑ技术得到的 光脉冲脉宽一般较宽，约１００ｎｓ左右，而锁模技术可以得到短于１００ ｆｓ的光脉冲， 所以目前研究得更多的是利用锁模技术来产生短脉冲。光纤激光器中采用的锁模 技术常分为三种：主动锁模、被动锁模和混合锁模，下面分别对它们进行介绍。 １．４．３．１主动锁模 光纤激光器中最常用的主动锁模技术是利用振幅或相位调制器【ｌ ３１。但大多数调制器的尺寸较大，而且耦合损耗很大，不适合用于光纤激光器中。而波导型ＬｉＮｂ０３电光调制器不同，它尺寸小，耦合损耗较低，所以锁模光纤激光器通常 采用ＬｉＮｂ０３调制器，在腔内采用ＬｉＮｂ０３调制器的主动锁模激光器虽然结构简 单，但是调制器的使用不仅导致了附加损耗，而且也引入了非光纤元件。可利用 交叉相位调制（ＸＰＭ）来制成全光纤锁模，泵浦脉冲通过ｗＤＭ耦合器进入该光纤 产生ｘＰＭ效应进行相位调制。如果泵浦脉冲的重复频率是纵模间隔的整数倍，６硕．１：学位论文则ＸＰＭ光纤相当于一相位调制器对信号光进行调制，再调节偏振控制器，在输出端便可得到锁模脉冲。采用这种装置可以得到重复频率为４０ ＧＨｚ，脉宽小于 １０ｐｓ的输出脉冲。还有一种新型的主动锁模光纤激光器。利用Ｆ―Ｐ腔的激光二极管作为调制 器件。把Ｆ―Ｐ腔激光二极管上加有直流偏置（ＤＣ）和高频调制信号（ＲＦ），它工作 在增益开关状态【１４】。在ＲＦ信号的作用下，激光二极管有源区内载流子浓度发生 周期性变化，它相当于一个强度调制器，向环形腔内注入光脉冲，同时Ｆ―Ｐ腔 内折射率的变化导致相位也被调制。而且Ｆ―Ｐ腔激光二极管具有宽带多模特性， 可以把它看作为一个插入损耗极小的梳状滤波器。通过偏振控制器改变入射到激 光二极管腔内的光偏振态，从而调节环形腔内的增益，可以得到波长大范围可调谐的锁模激光，其脉冲宽度约为４８ ｐｓ，重复频率为２ ＧＨｚ。可以看出主动锁模激光器具有可调谐、可输出变换极限的光脉冲、高重复频 率和易于同步等优点。但是，光纤腔长和折射率容易受到外界环境的影响而导致 的腔内失谐，以及超模竞争和弛豫振荡造成的脉冲抖动产生的不稳定性限制了主动锁模激光器的应用。所以，如何使主动锁模激光器稳定工作是目前研究得较多的技术难点。通常用以下三种方法来减少腔长扰动所引起的工作不稳定性： ①采用再生锁模技术，直接从谐振腔中提取反映外界环境波动的物理量，经反馈来控制腔长或调制频率，使两者同步变化；②采用同步锁模调制装置，即用同一信号源驱动相位调制器和振幅调制器， 使两者相互制约进行锁模； ③采用预激光技术，在激光脉冲发射前通过调Ｑ开关产生预激光。在预激光控制下产生锁模脉冲。 其中再生锁模技术是现在用的最多的一种，它是利用反馈的误差信号来控制调制器的频率或调节腔长，从而使两者达到匹配状态。一般可利用输出光脉冲和 调制信号的相位差作为误差信号来进行反馈，比如弛豫震荡的频率分量，超模竞 争引起的拍频分量，还可以利用输出脉冲和调制信号的混频输出信号。这种光纤 激光器形成锁模脉冲有一个自启动过程，因为掺铒光纤具有较低的闽值，而且通 常工作于反常色散区，所以容易出现调制不稳定性而产生光脉冲序列。１．４．３．２被动锁模被动锁模是一种全光非线性技术，能在腔内不用调制器之类的任何有源器件 的情况下实现超短脉冲输出。它利用非线性器件对输入脉冲的强度依赖性，可以得到与输入脉冲相比更窄的脉冲【ｌ５１。采用被动锁模技术制作的光纤激光器因具有价格低廉、结构紧凑等优点，因而在皮秒级和飞秒级光源方面有着广泛的应用。用来实现被动锁模的方法通常有两种：在谐振腔内加入半导体饱和吸收体，或采用７被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究加成脉冲锁模技术。后者一般是在腔内加入非线性光纤环形镜（ＮｏＬＭ）或非线性放大光纤环形镜（ＮＡＬＭ）【１６】，利用光纤的克尔非线性效应形成快速丌关使激光器 处于锁模运转状态；或通过偏振控制，利用非线性偏转旋转效应产生自脉冲。但 是采用加成脉冲锁模技术得到的脉冲重复频率不稳定，而且锁模过程常受到外界 环境的影响。下面先介绍的是采用可饱和吸收体的被动锁模技术。 早在２０世纪７０年代，可饱和吸收效应就已用于被动锁模。它的锁模机制可表述如下：当强光脉冲通过吸收体时（脉冲强度可使吸收体达到饱和状态），其边缘部分的损耗大于中央部分，结果使脉冲得到窄化【ｒ７１。光纤激光器中常用的可饱 和吸收材料是半导体吸收介质（如ＩｎＧａＡｓＰ等），可以采用单层或多层量子阱结 构制成。还可以把半导体激光放大器用做可饱和吸收体，但要求它工作时的偏置 电流必须低于阈值。这种方法产生的脉宽为皮秒级和飞秒级，它的优点是容易实 现激光脉冲的自启动，而且脉冲的重复频率较稳定。但是这种激光器不是全光纤 结构。激光腔由掺镱光纤、宽带反射镜、波分复用器以及光纤光栅构成，实验采 用光谱分析仪、ＰＩＮ光电二极管以及数字示波器来观察和测量脉冲的输出情况ｌＩ引。 在抽运光功率达到一定值时，选择合适长度的掺镱光纤，可以使其中一段因为没 有完全抽运而成为激光的饱和吸收体，从而产生自锁模现象。而用光纤光栅作为 反射腔镜，不仅可以限定激光带宽，还能使自锁模稳定并限制脉宽的进一步变窄。 利用这种装置可以得到稳定的纳秒级脉冲序列，脉冲的最大平均输出功率为３ｍＷ，重复频率为２５ ＭＨｚ，能量转换效率为５％。采用非线性放大环形镜（ＮＡＬＭ）的被动锁模光纤激光器，其腔形通常为“８” 字形。在右侧的ＮＡＬＭ坏中，两列传播方向相反的光波在其中往返一次后可获得 不同的非线性相移，而且相位差不是常数，而是随脉冲的色散形状而变化。调节 ＮＡＬＭ使脉冲的中央部分相移接近万，则脉冲这部分能量几乎完全透射，而边沿 部分由于功率低．相移较小，从而被反射，所以从ＮＡＬＭ环中输出的脉冲要比输 入脉冲窄。而利用非线性偏振旋转效应的光纤激光器通常只用一个光纤环形腔就 可以实现被动锁模。它采用的原理是非线性双折射效应：当脉冲的两正交偏振分量在光纤中传输时，ＳＰＭ和ＸＰＭ效应将引起强度依赖的偏振念变化。这种锁模 技术本质上其实与ＮＡＬＭ锁模是类似的，它只是用两正交偏振分量代替了两列 反向传输的光波。 １．４．３．３混合锁模混合锁模是在同一激光腔内结合主动锁模和被动锁模两种技术。最直接的方 法是将一振幅或相位调制器置于被动锁模光纤激光器中。其中调制器的作用是提供周期性的时隙以产生规则的脉冲序列，而被动锁模技术可使脉冲更加窄化。这 种结构的光纤激光器工作的重复频率最高可达１０ＧＨｚ，而脉冲宽度最窄可小于ｌ８硕一ｌ：学位论文ｐｓ。混合锁模技术以其优越的性能得到了研究者的广泛重视，９０年代初期就有相关的报道，随着新型光器件的出现，近期又有了新的进展。另一种方法是采用色散不平衡环形镜（ＮＩＬＭ）作为被动锁模器件，和ＬｉＮｂ０３调制器共同作用产生了重复频率为ｌＯＧＨｚ，脉宽窄于３１１ ｐｓ的稳定的脉冲序列。 ＮＩＬＭ也是～种非线性环形镜，它由一段高色散光纤和一段低色散光纤组成。在谐振腔中，它的作用和ＮＡＬＭ一样，相当于一个非线性光开关。而且在下面的 结构当中，ＮＩＬＭ不仅可用作脉冲压缩器，对带宽内的ＡＳＥ噪声还有滤波作用。 实验证明：调节ＮＩＬＭ中色散位移光纤（ＤＳＦ）的长度可以改变光脉冲的宽度，当 ＤｓＦ的长度为８００ｍ将窄于３ｐｓ，但这又将使激光器受到长期不稳定性的影响。选 择合适长度的ＤｓＦ，将可以使激光器的工作性能在稳定性和窄脉宽之间得到一个折衷的结果。９被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调浒的研究第２章光纤激光器的影响因素及运转态２．１光在光纤中传输的主要影响因素光在光纤中传输会受到很多因素的影响，其中比较重要的有单模光纤，光纤色散，光纤的偏振态，自相位调制，交叉相位调制等。２．１．１单模光纤光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比 包层稍高，损耗比包层低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用，光纤的结构如图ｌ所示。设纤芯和包层的折射率分别为ｎ１和ｎ２，光能量在光纤中传输的必要条件是ｎｌ＞ｎ２。纤芯和包 层的相对折射率差△ｎ＝（ｎ１．ｎ２）／ｎｌ的典型值，一般单模光纤为０．３％～Ｏ．６％，多模 光纤为１％～２％。△ｎ越大，纤芯束缚光能量的能力越强。图２．１光纤结构图单模光纤的纤芯直径只有８～１０ｕｍ，光线沿纤芯中轴线方向传播。因为这种 ．光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 按照零色散波长和截止波长位移的不同可将单模光纤分为５种，分别是常规单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤、色 散补偿单模光纤。２．１．１．１常规单模光纤 常规单模光纤的性能特点是：（１）在１３ｌＯｎｍ波长处的色散为零；（２）在波长为１５５０衄附近衰减系数最小，约为Ｏ．２２ｄＢ／ｋｍ，但在１５５０ｎｍ附近其具有最大色散系数，为１７ｐｓ／（ｎｍ?ｋｍ）。（３）这种光纤工作波长即可选在１３ｌＯｎｍ波长区域，又可选在１５５０ｎｍ波长区域，它的最佳工作波长在１３１０咖区域。这种光纤常称为１０硕十学位论文“常规’’或“标准＂单模光纤。它是当前使用最为广泛的光纤。迄今为止，其在全世界各地累计铺设数量已超过７千万公里。 今天，绝大多数光通信传输系统都选用常规单模光纤。这些系统包括在１３ｌＯ衄和１５５０ｎｍ工作窗口的高速数字通信系统和ＣＡＴＶ（ＣａｂＩｅＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）模拟系统。然而，在１５５０Ｉｕｎ波长处的大色散成为高速系统中这种光纤进一步增大中 继距离的“瓶颈＂。利用常规单模光纤进行速率大于２．５Ｇｂｉｔ／ｓ的信号长途传输时， 必须采取色散补偿措施进行色散补偿，并需引入更多的掺铒光纤放大器来补偿由引入色散补偿产生的损耗。２．１．１．２色散位移单模光纤色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将最小零色散点从１３１０ｎｍ位移到１５５０ｎｍ，实现１５５０啪处最低衰减和零色散波长一致，并且在掺铒光纤放大器１５３０～１５６５ｎｍ工作波长区域内。这 种光纤非常适合于长距离单信道高速光放大系统，可把这种光纤直接用于２０Ｇｂｉｔ／ｓ系统，不需要采取任何色散补偿措施。虽然色散位移光纤适用于单信道通信系统，但该光纤在传输波分复用信号时， 存在的问题是在１５５０ｎｍ波长区的零色散产生了四波混频非线性效应。一种解决方案是将色散位移单模光纤的工作波长选在大于或小于１５５０ｎｍ的非零色散区， 从而减下四波混频非线性效应的影响。 ２．１．１．３截止波长位移单模光纤１５５０嘞截止波长位移单模光纤是非色散位移光纤，其零色散波长在１３ｌＯｎｍ附近，截止波长移到了长波长，在１５５０ｎｍ波长区域衰减极小，最佳工作波长范 围为１５００～１６００ｎｍ。 获得低衰减光纤的方法是使用纯石英玻璃作为纤芯和掺氟的凹陷包层，并以长截止波长来减小光纤对弯曲附加损耗的敏感。由于这种光纤制造特别困难，最 低衰减光纤十分昂贵，且很少使用。它们主要应用在传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统 ２．１．１．４非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤是在１９９４年美国朗讯专门为新一代带有光纤放大器 的波分复用传输系统设计和制造的新型光纤。这种光纤是在色散位移单模光纤的基础上通过改变折射剖面结构的方法来使得光纤在１５５０ｎｍ波长色散不为零，故其被称为“非零色散位移”单模光纤。 非零色散位移单模光纤的基本设计思想是１５５０ｎｍ波长区域具有合理的低色 散，足以支持ｌＯＧｂｉｔ／ｓ的长距离传输而无需色散补偿；同时，其色散值又必须保被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究持非零特性来抑制四波混频和交叉相位调制等非线性效应的影响，以求非零色散 位移单模光纤适宜同时满足时分复用和密集波分复用系统的需要。为此，人们先 后研发出了第一代、第二代非零色散位移单模光纤。 为使非零色散位移单模光纤在１５５０ｎｍ附近工作波长区呈现出非零色散特 性，通过改变光纤折射率剖面形状，即以改变其波导色散的方式来使得零色散点移向短波长侧或长波长侧，进而制得Ｊ下色散非零色散光纤和负色散非零色散光纤。 在两种零色散点不同偏移方向的非零色散位移单模光纤中，具有正色散的非零色散位移单模光纤的主要优点是可以补偿其一阶和二阶色散。另外，在１５５０衄附近色散为正，可利用自相位调制技术来扩大色散受限传输距离乃至实现光弧子传输。具有负色散的非零色散位移单模光纤的主要优点是不存调制不稳定性问题， 眼图清楚，对交叉相位调制的影响不敏感，由此产生的性能劣化较小；缺点是不 能利用自相位调制来扩大色散受限传输距离，也不支持光弧子通信。另外，在光 纤制造工艺相同和折射率剖面形状类似的条件下，零色散波长较长的光纤要求有 较大的波导色散，因而纤芯包层折射率差较大，从而往往使损耗较大而有效面积较小。２．１．１．５色散补偿单模光纤色散补偿单模光纤是一种在１５５０ｎｍ波长处有很大的负色散的单模光纤，当前实验色散补偿单模光纤的色散系数为５０～．５４８ｐｓ／（ｍｎ?ｋｍ），衰减一般为Ｏ．５～１．０ｄＢ／ｋｍ。当常规单模光纤系统工作波长由１３ｌＯｎｍ升级扩容至１５５０ｎｍ波长工作区时，其总色散呈Ｊ下色散值，通过在该系统中加入一段负色散光纤，即可抵消 几十公里常规单模光纤在１５５０ｎｍ处的正色散，从而实现己安装使用的常规单模 光纤工作波长由１３ｌＯｎｍ升级扩容至１５５０ｎｍ，进而实现高速率、远距离、大容量 的传输。至于色散补偿光纤加入给系统带来的衰减完全可由光纤放大器予以补偿。２．１．２光纤色散光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是 说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。在光纤中传输的光信号 的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生 信号失真，这种现象称为光纤色散【１９】。它表明折射率ｎ细）对频率的依赖关系。一 般来说，色散的起源与介质通过保守电子的振荡吸收电磁辐射的特征谐振频率有 关。光纤的色散主要由模式色散、材料色散和波导色散组成。其中，材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为色度色散。一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：模式色散＞材料色散＞波导色散。对于多模光纤，其总色散等于三者相１２硕十学位论文加。对于多模光纤在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响 很小。对于单模光纤，因为只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为 材料色散和波导色散之和。 模式色散出现在多模光纤中，因为其中传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，到达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。在同一条光纤上，最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这 段光纤产生的脉冲展宽。影响光纤时延差的因素有两个：纤芯一包层相对折射率差和光纤的长度。光纤的时延差与纤芯一包层相对折射率差成正比。相对折射率 差越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越宽。从减小光纤时延差的观点上看， 希望相对折射率差较小为好，把这种光纤称为弱导光纤。目前通信用光纤都是弱 导光纤。另外，光纤越长，时延差也越大，色散也越大。多模光纤在长途光通信 中已经不再使用，但因其价格低廉在短距离光传输中如局域网或城域网还有应用。 材料色散是由光纤材料自身特性造成的。严格来说，石英玻璃的折射率并不 是一个固定的常数，对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发 出的光，并不是只有理想的单一波长，而是具有一定的频谱宽度。当光在折射率 为ｎ的介质中传播时，其速度ｖ与空气中的光速ｃ之问的关系为ｖ＝ｃ／ｎ，光的波长 不同，折射率ｎ就不同，光传输的速度也就不同。因此，当具有一定光谱宽度的 光源发出的光脉冲入射到光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。光纤的第三类色散是波导色散。由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内 传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波 谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同， 所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越 长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由 光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。由于不同的频谱分量对应于不同的脉冲传输速度，因而色散在短脉冲传输中 起关键作用。然而，在数学上很少知道跟色散有关的传输常数∥的准确函数形式，所以通常是在中心频率‰处把∥展丌成泰勒级数来解决＾、１．∥（国）＝以（∞）丢＝风＋届（缈一‰）＋寺履（国一‰）２＋人 乙二（２．１）这里腿＿（现：％（，，ｌ＝Ｏ，１，２，…）（２．２）１３被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调许的研究参量屈，历和折射率ｎ有关，它们的关系可由下面的式子得到～屈：鱼：上：！ｆ，ｌ＋国鱼１ｃＫｃ＼ｄ缈／（２．３）～厉：！ＩｃＬ２塑＋缈２ １ｄ缈（２．４）ｄ缈‘／式（２．３）中，疗。是群折射率，屹是群速度，脉冲包络以群速度运动。式（２．４）中 参量ｐ２表示群速度色散（ｇｒｏｕｐｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ＧＶＤ）参量，和脉冲展宽有关。在实际的光学测量中，通常用色散参量Ｄ来代替及，它们之间的关系为Ｄ＝筹一等屐一鲁鲁（２．５）值得注意的是，在熔石英中历在波长１．２７ｐｍ附近趋于零，对更长的波长则 变为负值。压＝Ｏ处的波长称为零色散波长厶。然而，还应该注意的是，在名＝厶 附近的脉冲传输要求在方程中包含有三次项甚至更高次项，系数展称为三阶色散（ｔｈｉｒｄ ｏｒｄｅｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ＴｏＤ）参量。这些高阶色散效应能引起超短光脉冲的畸变，但通常只有在脉冲波长五趋近于厶且差别只有几纳米时才需要考虑。但是在研究ＰＣＦ中脉冲传输时，因为ＰＣＦ特殊的色散特性，高阶色散项就不能被忽略，有时 甚至需要考察到七阶色散。根据色散参量历或Ｄ的符号，光纤中的非线性效应表现出显著不同的特征。若波长五＜厶，光纤表现出『Ｆ常色散（屈＞Ｏ）。在正常色 散区，光脉冲高频（蓝移）分量比低频（红移）分量传输得慢。在反常色散区情 况（及＜Ｏ）正好相反，高频分量要比低频分量快，这时的光波长超过零色散波 长（五＞厶）。由于在反常色散区通过色散和非线性效应之问的平衡，光纤能维持 光孤子，使得人们在非线性效应的研究中，对反常色散区特别感兴趣。 除了上面提到的三种色散类型之外，还有～种色散类型就是偏振模色散。由 于偏振模色散不是本文研究的重点，这里只给出简单的介绍。我们知道单模光纤 能够维持沿两证交方向偏振的简并模，因而通常所说的单模光纤也并非真正的单 模。在光纤的形状为严格的圆柱形、材料为各向同性的理想条件下，光纤横截面 ｘ方向偏振念的模式不会与正交的ｙ方向偏振态的模耦合。然而，由于其实际形 状略偏离圆柱形以及材料各向异性的微小起伏，破坏了模式简并，导致了两个偏 振态的混合。在数学上，表现为在ｘ，ｙ方向偏振模式的传输常数∥略有不同，光 纤的这个性质称为模式双折射。通常由于纤芯形状和应力导致各向异性，结果进入光纤的线偏振光很快变成无规偏振光。偏振态的改变通常对连续光无害，这是因为大部分光探测器不会对入射光偏振态的改变产生响应：但对于长距离、短脉冲传输的光通信系统，这一问题就不得不考虑了。若入射脉冲激发两种偏振成分，由于群速度色散，这两种成分以不同的速率在光纤中传输。由于光纤双折射的变 化是随机的，群速度也随机变化，因此脉冲在光纤输出端变宽，这种现象称为偏１４硕ｆ：学位论文振模色散（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ＰＭＤ）。一般来说，ＰＭＤ引起的脉冲展宽比ＧＶＤ效应引起的展宽相对要小。然而对于目前大容量超高速的光纤通信系统来 说，ＰＭＤ已成为一个重要的限制因素。２．１．３光纤的偏振态在光纤中或自由空间中传输的偏振光可以用与光传播方向正交的相互垂直的电场和磁场表示光的，而偏振是根电场的函数进行定义的。根据光的两个正交偏 振成分的相位差的不同，光可以划分为以下的三种偏振态：线偏振或平面偏振（ＬＰ）； 圆偏振光； 椭圆偏振光。通常情况下，光是椭圆偏振的，线偏振和园偏振是极端的情况。椭圆偏振光， 图２．２提供了一种非常方便的描述光偏振态的方法。图中椭圆显示了与光传播方向垂直横截面上的电场矢量的焦点和方向。图２．２椭圆偏振光示意图如图２．２所示，偏振光可以在数学上表示成ＸＹ坐标系中Ｘ轴和Ｙ轴上的两 个正交的分量。Ｂ（ｚ，ｆ）＝厶ｃｏｓ（研一屈＋矽１）＝厶ｃｏｓ（ｆ＋≯１）易（ｚ，ｆ）＝易ｃｏｓ（研一∥２＋矽２）＝Ｅ匆ｃｏｓ（ｆ＋矽２）成分可以用下式表示： Ｅ’ｒ（ｚ，ｆ）＝口ｃｏｓ（ｆ＋≯ｏ） Ｅ’，（ｚ，ｆ）＝±６ｓｉｎ（ｆ＋矽ｏ）（２．６） （２．７）我们定义刎一犀＝ｆ，≯ｚ一≯ｔ＝矽。在旋转后的Ｘ’Ｙ’坐标系中，光的两个偏振（２．８） （２．９）１５被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调ｉ卉的研究式中ａ和ｂ是两个正数，且口≥６，根据光矢量旋转方向，式中Ｅ’ｙ（ｚ，ｆ）的符号取值不同。下面的这个矩阵表示从ＸＹ坐标系向Ｘ’Ｙ?坐标系的转换矩阵。彳＿｛＝０嚣）【一ｓｍｙ ｃｏｓ少Ｊ亿埘使用转换矩阵，可以得到 口ｃｏｓｒｃｏｓ≯。一口ｓｉｎｆｓｉｎ痧。２ Ｅ。ｘｃｏｓ沙ｃｏｓｆＣｏｓ矽ｒＥ。ｘｃｏｓ沙ｓｉｎｆｓｍ矽１＋五｜ｏｙｓｉｎｌ沙ｃｏｓ ｚ－ｃｏｓ痧２一Ｅｏｙｓｉｎ∥ｓｉｎｒｓｉｎ痧２（２．１１）、’±６ｓｉｎｆｃｏｓ矽。±６ｃｏｓｆｓｉｎ矽。２凰ｒｓｉｎ沙ｓｉＩｌｆｓｉｎ≯Ｉ―Ｅ。ｚｓｉｎ沙ｃｏｓｆｃｏｓ矽‘ ＋凰ｙｃｏｓ∥ｃｏｓｒｃｏｓ矽２一层ｏｙｃｏｓ∥ｓｉｎｆｓｉｎ矽２方程（２．１ １）和（２．１２）对Ｔ取任何值都有效，因此： 口ｃｏｓ≯ｏ＝Ｅｏｘｃｏｓｙｃｏｓ矽Ｉ＋ＥｏＪ，ｓｉｎ沙ｃｏｓ矽２ 口ｓｉＩｌ≯ｏ＝Ｅｏ，ｃｏｓ∥ｓｉｎ≯Ｉ＋Ｅｏｙｓｉｎ沙ｓｉＩｌ妒２ ±６ｃｏｓ矽ｏ＝Ｅｏ－ｓｉＩｌｊｆ，ｓｉｌｌ痧ｌ―Ｅ砂ｃｏｓ少ｓｉｎ矽２ ±６ｓｉＩｌ≯ｏ＝一Ｅｏｘｓｉｎ沙ｃｏｓ≯Ｉ＋ＥｏＪ，ｃｏｓ∥ｃｏｓ≯２’（２．１２）、 ’（２．１３） （２．１４） （２．１５） （２．１ ６）综合以上四个方程可以得到：口２＋６２＝Ｅｏ，２＋Ｅｏ，２（２．１７）用方程（２．１３）乘以方程（２．１５），ａ并且用方程（２．１４）乘以（２．１６），把两个乘积相加可 得到：±ｄ６＝层。岳ｏｙｓｉｎ（痧Ｉ一≯２）＝一ＥｏＺｏｙｓｉｎ矽由方程（２．１３）到（２．１６），可以得到：（２．１８）±！：墨！！！竺璺笙！！！丝！±墨！兰堑呈竺！竺！丝！：墨！：！竺璺笙墅璺生！±墨！兰！！璺坐！！旦鱼！６（２．１ ９）、 。ＥｏＪｓｉｎ沙ｓｉｎ≯Ｉ―ＥｏｙＣｏｓ∥ｓｉｎ痧２一Ｅｏ，ｓｉｎ∥ｃｏｓ矽Ｉ＋Ｅｏｙｃｏｓ沙ｃｏｓ≯２对上式进行化简可得：ｔａｎ（２∥）＝兰竺兰差耄掣＝号筹＝ｔａｎ（２口）ｃ。ｓ妒（２．２。）式中ｔａｎ＠）＝譬ａ的范围是ｏ≤口≤万／２．从方程（２．１ ９）可知，偏振椭圆的主轴可以被确定。记ｔａｌｌ（ｚ）：±皇，其中一万／４≤ｚ≤万／４，根据光的旋转方向不同式中取萨值或负值。从方程（２．１７ ａｎｄ（２．１８），可得到：１６等＝羔％刊２舻一器一ｓｉｎｃ２蛐痧占＝耳硕ｌｊ学位论文亿２ｔ，由于横截面和主轴的方向已知，偏振椭圆可以被准确的描述出来。由于两个偏振成分间的相位差矽＝矽ｚ一≯ｔ是增加的，所以偏振椭圆的旋转方式如图２．３所示。鲫网圃函 囹囫团 圈囹图２．３偏振椭圆的旋转Ｊ囡图图矽＝砜￡＝（肼，ｚ２衙）啦２．１．４自相位调制非线性光学介质中，介质的折射率与入射光的光强有关，这一现象通过自相位调制（ｓｅｌｆ－ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＰＭ）来体现，它将导致光脉冲的频谱展宽。ＳＰＭ 指的是光场在光纤内传输时光场本身引起相位变化，相移的大小可以表示如下 （２．２２）式中，％＝２万／名，％是非线性折射率，Ｅ是电场强度，Ｌ是光纤长度。非线 性相移导致了新的频率成份出现，从而使脉冲的频谱展宽。在光通信系统中，单 一信道中光波的功率起伏由于ＳＰＭ的原因就转换为该光波自身的相位涨落，这种 相位调制效应，引起传输脉冲的频谱变化，结合ＧＶＤ效应，脉冲波形可能被展 宽或者被压缩，从而对单模光纤系统的信息传输速率、信号功率电平等产生重大的影响。 从实际的观点来看，ＳＰＭ效应的作用就是产生非线性相移，导致光脉冲的频谱展宽。如果不考虑色散的影响，由ＳＰＭ产生的最大相移可以通过解析方法求解得到ｋ＝ｙ异丘ｆｒ（２．２３）式中，只是输入的峰值功率，ｋ是有效长度，当光纤足够长的情况下，约等于１／口，其中口是损耗系数，在普通的单模光纤中１．５５ｐｍ波长附近的口约为１７被动锁模掺铒光纤激光器中浆浦滞后和波Ｋ调谐的研究ｏ．２ｄＢ／ｋｍ。作为粗略的设计指导，当‰＜１即日＜叫７时，ｓＰＭ效应可以忽略。对典型的口和ｙ值，ＳＰＭ在峰值功率大于２５ｍＷ时变得重要起来。在后面我们会提到另外一种非线性效应――受激布罩渊散射，它要求输入脉冲功率水平限制在１０ｍＷ以下，因此在这种损耗限制的光波系统中，ＳＰＭ几乎可以不做考虑。当光 纤损耗通过光放大器补偿时，情况发生了改变。ＳＰＭ效应会在整个链路上累积，如果使用Ｍ个放大器，．最大相移变成‰＝７ＲＭ厶疗。结果，峰值功率限制为只＜叫（ｙⅣ．１，对于只有１０个放大器的链路来说，由于ｓＰＭ的影响输入功率必须低于３ｍＷ。显然，在要求高功率输入脉冲的长途光通信系统中，ＳＰＭ会成为主要的限制因素。上面简单描述了无色散时ＳＰＭ对光通信系统的影响，这只适用于脉宽较宽的脉冲（脉宽大于１００ｐｓ）。当脉冲变窄，并且其色散长度可与光纤长相比拟时，脉 冲在光纤中的演变就需要考虑ＧｖＤ和ＳＰＭ效应的共同作用。在光纤的正常色散 区，ＳＰＭ加快了脉冲展宽的速度，而在反常色散区则降低了脉冲展宽的速度。值得注意的是，在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效应的相互作用，可以产生一种非常引入注目的现象――光孤子。在光纤中光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。我们知道 ＳＰＭ效应会使光脉冲在传输的过程中产生不同的相移，结果会造成脉冲谱的变 化。例如，通过对于高斯脉冲的分析表明，自相位调制会导致脉冲前沿谱红移， 后沿谱蓝移，对其它形状脉冲的分析也有类似的结果。另外，前面已提到在光纤 的反常色散区，脉冲的高频（蓝移）分量运动速度要高于低频（红移）分量，而 ＳＰＭ效应所导致的脉冲前沿谱红移又使脉冲前沿运动速度减慢和脉冲后沿由于 谱蓝移而加快了运动速度，进而会使脉冲变窄，正好与群速度色散在反常色散区 致脉冲展宽相抵消。因此，当这两种作用达到平衡时，光脉冲就会保持不变而成 为光孤子。所以说，光孤子的形成机理是光纤中ＧＶＤ和ＳＰＭ效应在反常色散区 的精确平衡。光孤子理论的出现，对于现代通信技术的发展起到了里程碑的作用。 因为现代通信技术的发展一直朝着两个方向努力，一是大容量传输，二是延长中 继距离。由于光孤子在传输过程中有非常好的稳定性，从而可以有效的防止外界 的干扰，从而实在不用中继放大器或者使用很少的几个中继放大器的情况下实现 高质量的通信。所以，长距离不变形的特点决定了它是实现超长距离、高速率通 信的重要手段，光孤子通信被公认为是第五代的光纤通信系统，现在国内外很多科研机构都开展了相关的研究。２．１．５交叉相位调制在多波长系统中，一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关，也与其它 相邻信道的光强有关，由于相邻信道问的相互作用，相互调制的相位变化称为交１８硕Ｉ：学位论文叉相位调制（ｃｒｏｓｓ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＸＰＭ）。ＸＰＭ效应起因和ＳＰＭ相似，也是 因为折射率与光强有关。在多波长传输系统中，存在ＸＰＭ效应时，折射率可以 表示为刀，（缈，ＩＥｒ）＝刀（国）＋以２ ｌ｜Ｅ，ｌ＋２ｌ弓一，Ｊ 二，（缈，ＩＥｌ２）＝刀（国）＋他（ｉ弓１２＋２Ｉ弓一．，Ｊ：）Ｉ（２．２４）式中ｊ＝ｌ或２，波的折射率不仅与自身的光强有关，而且还与共同传输的其 他波的强度有关。ＸＰＭ效应对于波分复用系统非常重要，因为每个光信道的相位都同时受所有 信道的平均功率和比特形式的影响。光纤色散把相位变化转化为振幅起伏，在很 大程度上降低了接收端的信噪比。这种转换可以理解为与时间有关的相移变化导 致频率啁啾，而啁啾又影响色散致信号展宽。只要信道问隔满足一定的条件，两 信道的光波之间就会产生耦合，导致多信道系统中相邻信道间的干扰。事实上，如果信道功率的确是常数的话，ＸＰＭ是无害的，因为常数相移不影响系统性能。但实际上，由于发射机的强度噪声或集总放大器引入的放大自发辐射噪声的影响， 信道功率总是起伏的，ＸＰＭ把强度起伏转化为相位起伏，因此在ＷＤＭ系统中， 由于信号检测的相位敏感性，ＸＰＭ严重降低了接收机的性能。２．２被动锁模光纤激光器的运转态前人对被动锁模光纤激光器地运转态进行了大量地研究工作，发现不论使用什么样地腔体结构，通过小心调节偏振控制器并增大泵浦功率，总是可以使被动锁模光纤激光器进入到孤子脉冲输出态。通过改变腔体的设计，我们可以得到不 同的激光器运转态，单孤子输出念、保守孤子态、类噪声孤子态及增益孤子【２０１。 而且，在锁模实现后保持泵浦功率不变，仅仅通过对偏振控制器进行调节，可以便可使激光器在这些运转态之间转换。２．２．１单孤子输出态激光器中最为常见的一种孤子态是单孤子输出态。．我们可以通过简单地调节 偏振控制器和增大泵浦功率，当激光器地峰值功率超过孤子输出念地阈值时激光 器进入自启动锁模状态，进而实现单孤子输出态。和传统的孤子不同，激光器中 的孤子脉冲频谱总是伴随着大量的边带。边带产生的原因要追溯到平均孤子概念。 Ｋｅｌｌｙ曾经提出过高增益掺铒光纤介质中平均孤子的概念。既在周期性的能量变化的系统中，当孤子周期远大于能量变化的周期时，光脉冲仍然能够得到稳定的传输，同时平均脉冲能量应等于基态孤子的能量。而光纤激光器正是这一周期性 放大和衰减的具体实例【２¨。基于这一理论模型，他于１９９２年解释了平均孤子的频谱边带产生的原因。他指出，频谱边带的产生的原因不是调制不稳定性，而且１９被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究平均孤子固有的不稳定引起的。当脉冲在前半个周期传输时，由于色散的作用强于非线性，形成孤子多余的能量被以色散波的形成辐射出来，而在后半个周期，由于脉冲能量增强，非线性效应强于色散，又会有部分色散波被辐射。这种周期性的色散波辐射就是形成频谱边带的原因。 和传统的超短脉冲固体激光器不同，光纤孤子激光器在激光腔内会同时有多 个光孤子脉冲并存。而且腔内光脉冲的数量随泵浦功率的改变而改变。在激光器 锁模之后，增加泵浦功率，激光腔内的脉冲个数会随泵浦功率的增加一个一个地 增加。相反，减小泵浦功率，激光腔内的脉冲个数会相应地减少。奇特是的，无 论激光腔内有多少光脉冲共存，它们总是具有同样的脉冲形状和频谱，即为多孤 子的能量量子化。１９９９年，Ｔａｎｇ报道了光纤激光器中多孤子产生的实验研究。 实验中发现当激光腔内仍然有孤子存在时，增加泵浦功率会导致新孤子的产生。 新孤子的产生是由于色散波在腔内放大而形成的。然而，当泵浦功率增加到一定 状态后，继续增加泵浦功率为什么孤子能量不会继续增加，而色散波的能量得到了放大并没有得到合理的解释。一直到２００５年，Ｋｏｍａｒｏｖ用一种掺镱光纤激光器的理论模型解释了这一现象。通过考虑激光器各腔体组件的影响，他们计算出 了光传输的讵反馈区域和负反馈区域。在正反馈区域中，大的非线性偏振旋转会引小较小的腔体损耗；而在负反馈区域则恰恰相反。因此，多孤子的产生正是由于这种正反馈和腔体引起的负相位调制之间的竞争与平衡。连续波和锁模脉冲的 双稳态运转也是这种竞争与平衡的结果。但是，由于他们的模型中没有考虑到光 纤的双折射，因此还不够精确。同年，Ｔａｎｇ用一种精确的模型对孤子激光器中的 孤子的形成进行了模拟并详细地解释了多孤子的成因、孤子能量量化，并论述了 线性柏移对孤子形状的影响。他们认为，多孤子的产生是由于激光腔的脉冲峰值 限制效应形成的。激光腔内的各组件不同主轴的设置会形成正负反馈两个区域， 当脉冲峰值达到一定限度后，腔体的影响会从正反馈变到负反馈。此时，增加泵 浦功率不会影响已有脉冲的功率，但会放大色散波。当色散波功率大到一定程度 时，新的孤子又会产生。而新产生的孤子与已有孤子之问的能量竞争会让他们最终达到平衡状态――相同的脉冲形状，即为能量量子化。文中还提出要得到相对较短、高能量的超短脉冲，初始线性相移需远离正负反馈的临界相移【２２１。 实验表明实现孤子激光器的锁模需要较高的泵浦功率，然而当锁模实现后，泵浦功率可以降到相对较低的状态却仍然能维持锁模状态【２３１。这种现象被称为泵 浦延迟作用。事实上，当锁模实现后，新孤子的产生和灭亡同样也显示出这种延迟效应。Ｋｏｍａｒｏｖ对泵浦延迟作用做出了解释。锁模的过程是捕捉具有较强的峰值功率的脉冲的过程。锁模实现前，腔内脉冲的功率很低，所以需要较强的泵浦 功率来放大脉冲，让它能形成足够大的峰值来完成锁模。而当锁模实现后，腔内 脉冲都具有很高的峰值功率，此时泵浦功率可以减小到较小的值却仍然能保持锁２０硕一ｌ：学位论文模状态。２．２．２增益孤子态孤子的形成是光纤的反常色散区非线性同色散的共同作用的结果。因此，大多孤子研究的报道都是以腔内总体色散为负值的情况为基础的。然而，那么腔内所有光纤的色散均为正值时会有什么情况发生呢？Ｚｈａｏ在实验中对这种情况进 行了分析【２４１。他发现，即使激光腔内所有光纤的色散均为正值，在增益和腔体的 共同影响下，仍能产生稳定的孤子态。这种孤子被命名为“增益导引型孤子＂。由 于增益孤子在光纤中传时正常色散不能压缩脉冲，所以非线性和色散的共同作用 结果是脉冲产生巨大啁啾，频谱不断展宽。最终，频谱的展宽受增益带宽的限制 而停止。因此，增益孤子的频谱宽度和增益带宽相当。增益孤子脉宽度是由色散 导致的脉冲展宽和腔体的可饱和吸收效应的平衡所决定【２５１。一般来说，增益孤子 的脉冲较宽，峰值功率很低，但单脉冲能量很高。必须增大泵浦功率至极大的值 才有可能得到，所以在一般的实验中很难出现。２．２．３保守孤子态Ｍａｌｏｍｅｄ通过理论研究，成功地预言了保守系统中存在保守孤子，随后 Ａｆａｎａ§ｊｅｖ得到了稳定保守孤子解【２６１。而Ｔａｎｇ第一次实验验证了这种保守孤子的 存在。实验中发现，仔细调节偏振控制器，保守孤子也很容易得到。在光纤激光 器中，和单孤子一样，保守孤子也是一种非常稳定的状态。保守孤子一旦形成，就不会因为其它影响而被拆散，这和多个单孤子离得很近的情况完全不同【２７１。随后，大量的研究工作表明，保守孤子具有和单孤子非常类似的性质。多孤子、泵 浦迟延、边带产生和谐波锁模先后被发现，证明和单孤子一样，保守孤子是另一 种激光器中的稳定孤子态。２．２．４类噪声输出态在调节偏振控制器的过程中，还可以得到了另外一种类似于嗓声脉冲输出的。与单孤子及保守孤子念相比，类噪声输出态的频谱相当的宽而且较平滑，没有边 带出现【２８１。然而，和意想的结果不同，这个宽而平滑的频谱并不是理想中的超短脉冲谱【２９１，其十分不稳定，通过示波器的观察可以发现，它的脉冲形状一直在随 机地变化，且泵浦功率越高，稳定性越差。Ｔａｎｇ对类噪声输出态进行了相关的研究工作，他认为类噪声孤子态是小的线性相移和腔体的峰值限制效应共同作用的结果【３０１。当线性相移处在激光腔的正反馈区域并远离临界点时，增加泵浦功率将 引起脉冲峰值的快速增加并形成高阶孤子。高阶孤子最终分裂并生成几个新脉冲， 新脉冲也复杂同样的过程。因此，类噪声孤子是处于一直被放大、分裂的重复过程中不稳定状态，正是由于这个原因，它非常不稳定，不像一般的孤子可以稳定２ｌ被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波Ｋ调杵的研究的存在。２２硕ｌ：学位论文第３章３．１引言被动锁模光纤激光器中泵浦滞后现象的研究近年来，基于非线性偏振旋转（ＮＰＲ）技术的光纤激光器作为可能的通信光 源吸引了很多注意【３¨扪。研究表明ＮＰＲ光纤激光器具有很多特性，如多孤子【３”， 泵浦功率滞后【３４１，波长调谐【３５川】，孤子能量量子化‘３８１等。多孤子现象表明激光器 腔中有多个孤子同时振荡，且孤子数目随泵浦功率而改变。泵浦功率滞后指的是 在孤子激光器中实现锁模需要较高的泵浦功率，然而当锁模实现后，泵浦功率可 以降到相对较低的值仍然能维持锁模状态的现象。事实上，当锁模实现后，新孤子的产生和灭亡同样也显示出这种滞后现象。通信光源要求激光器有稳定的重复率。多孤子现象说明ＮＰＲ被动锁模光纤激 光器的重复率和泵浦功率息息相关。然而，由于泵浦功率滞后的存在，激光器输 出重复率即使在相同的泵浦功率下，也有其内在的不稳定性。因此，研究清楚泵 浦功率滞后的原因就显得非常重要。Ｋｏｍａｒｏｖ曾对泵浦滞后进行了研究【”】，然而， 他的模型中没有考虑到光纤的线性双折射，且对腔内的偏振控制器做了严格限制，因此不能精准地反映一般性的实验情况。本文在考虑了线性双折射的情况下，利用非线性传输模型【４０】对泵浦功率滞后 现象进行了分析，发现泵浦滞后现象起因于激光腔的非线性损耗特性。对非线性 偏振旋转光纤激光器中的泵浦滞后现象进行了模拟和实验研究，模拟与实验结果 验证了非线性传输模型的分析。我们所研究的ＮＰＲ被动锁模环形光纤孤子激光器的结构如图３．１所示。它包含两段单模光纤（ＳＭＦ），色散系数均为２ｐｓ２／ｋｍ，长度 分别为２ｍ和５ｍ，一段４ｍ长色散系数为ｌＯ ｐｓ２／ｋｍ掺铒光纤，两个偏振控制器，一个偏振相关隔离器，一个波分复用器和一个输出比为１０％输出耦合器。其中两个偏振控制器用于改变光的偏振念，偏振相关隔离器保证光的单向传输并起到锁蕊芦｜’§ＩＰｏｂ盹永沁ｎｃ∞删培瞎）、～ｚＥｒ３＋ｄｏｐｅｄ纳盯＾／一７图３．１非线性偏振旋转被动锁模环形掺铒光纤激光器被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究模的作用。泵浦光从波分复用器输入，在输出耦合器输出至光谱仪和功率计。３．２非线性传输模型及泵浦滞后分析为了分析泵浦功率滞后对激光器重复率的影响，我们引入激光器的非线性传 输模型，这个模型成功地解释了被动锁模光纤激光器中的波长调谐，子频谱边带 不对称等现象。ＰｏＩａｒ萱ｚａｔｉｏｎｄｉｍｃｔｉｏｎｏｆ ｔｈｅ ａｎａＩｙｚｅｒ图３．２光在锁模系统中偏振态不惹图光在激光腔内传输等价于图３．２所示系统（ｈ和ｖ表示偏振光的水平分量方 向和垂直分量方向）。假设从偏振相关隔离器输出光的偏振方向与ｙ轴一致用矢量Ｉ ＩＬｏｊ 用传输矩阵１（３．１）表示，当光通过偏振控制器时，偏振控制器Ｐ把线偏振光变成椭圆偏振光，变换来表示。其中秒表示ｙ轴与垂直双折射轴ｖ之间的角度，△妣是偏振控制器在两个垂直的双折射轴ｖ和ｈ间引入的相移。光在光纤中的传输用矩阵尸来表示，在 没有增益的情况下，传输仅仅会在两个Ｊ下交成分中引入一个相移。光纤中的传输矩阵Ｐ表示成Ｒ＝［一篡勰裂乌戤岛］尸＝ｌ唧‘誓川唧（篡九／２）Ｉｌ０㈦２，ｃ ３∞ｅｘｐＩ一△谚√２）Ｉ△唬口＝２万（１一泓／以）Ｌ／厶是光纤线性双折射在ｖ轴和ｈ轴间引入的线性相移。其中五是输入光的波长，觑是波长失谐，厶是双折射拍长。在光纤的术端分析器（实 际仍是偏振相关隔离器）把光投射到它的轴上，这个过程用矩阵尼：Ｉ瞄伊８１ｎ缈Ｉ‘（３．４）Ｌ―ｓｌｎ妒Ｃｏｓ缈ｊ来表示。伊表示分析器的轴与垂直双折射轴ｖ间的夹角。总的传输过程可以表示２４硕一Ｉ：学位论文为丁：．ｆ雠口麟缈ｅＸｐＥ‘（謦陀＋△九／２）ｊ：血口８ｉｎ伊唧Ｐ（△‰佗＋△九彪２｛｜．一ｌ－ｓｉＩｌ９００Ｓ缈唧卜（△红／２＋△九／２）］一如缈ｃｏｓ秒唧卜（△纰／２＋△九／２）］Ｊ则整个系统的功率传输系数为（３．５） ¨一７ｆ州２＝耐‰ｓ２伊“ｎ２镪ｎ２伊＋三ｓｉｎ２弧ｎ２缈ｃｏｓ（△‰＋△九）光纤的非线性引入了非线性相移：（３．６）除了线性特性，非线性对激光腔内的传输特性也是有影响的。在多拍长激光腔中，△殇忆：一三冬生尸ｃｏｓ（２秒）（３．７）其中Ｐ是信号的瞬时峰值功率，７是光纤非线性系数。随着ｐ的不同，△妣可能是正的或负的（当ｏ＜口＜每为负，而当鲁＜口＜等时为正）。将△九代入到方程（３．６）÷。４盘ｊ）中即可得到非线性功率传输系数Ｉｒｌ２＝ｃｏｓ２口ｃｏｓ２缈＋ｓｉｎ２ ９ ｓｉｎ２缈＋去ｓｉｎ２口ｓｉｎ２伊Ｃｏｓ（△以ｖ＋△丸口＋△妣）（３．８）ｐ＝詈，缈＝乡＋三＋嘉时非线性功率传输系数随总相位延迟的变化情况如图３．３所示，图中加粗部分表示初始连续光的相位延迟范围。由于ｐ和矽为其它值时 传输系数随总相位延迟的变化情况与图３．３相似，下面我们以图３．３所示传输曲 线对泵浦功率滞后现象进行定性分析。为了分析过程更加简单明了，不妨假设ｏ＜秒＜等，即△九为负。如图３．３所示，当总相位延迟在＿２万与一万之问时，由于△妣为负，激光器的传输系数随着光功率的增加而减小，即相位延迟位于这个范围内的光是负反馈的，而总相位延迟位于一万和０之间，激光器的传输系数随着光功率的增加而增大，即相位延迟位于这个范围内的光是正反馈的。类似地，Ｏ和万 之间的区域属于负反馈区域，万至２万之间属于正反馈区域。 我们首先分析激光器锁模的过程。假定调节偏振控制器使光传输一周后的总 相移处于ａ点。显然，由于此时腔体透射率很低（损耗很大），所以较小的泵浦功 率不能平衡腔体的损耗。此时激光器输出连续光。随着泵浦功率的增加，增益逐渐增强最终能平衡腔体的损耗。继续增加泵浦功率，激光腔的光可以得到放大。由于ａ点处于正反馈区域，由此，放大的连续光继续在腔内传输时经历的损耗会２５被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波｝：＝调许的研究图３．３ｐ＝÷，爹＝ｐ＋鲁＋?羔时功率传输系数与总相位延迟（△‰＋△九＋△妣）的关口Ｚ二Ｕ系越来越小（此时由于非线性相移随光功率改变，总相移将向ａ点的左侧移动）。它可以被～直不停地放大直到总相移越过ｂ点进入负反馈区域。事实上，虽然６ｊｃ为负反馈区域，但此时传输系数很大，增益大于损耗，信号光会继续向左边移动， 直到增益和损耗相等（用ｃ点表示）。值得注意的是，当连续光的功率被放大到一 定程度时，光纤的色散和非线性开始起作用，并最终平衡形成孤子【４¨。稳定的孤 子脉冲形成后，继续增大泵浦功率，脉冲功率只会轻微地增加（相移稍微左移至 ｄ点），而处于正反馈区的腔内噪声会得到更大的增益。而迸一步增大泵浦功率， 由于连续光增益将大于脉冲光增益，脉冲光会被抑制，而连续光被有效地放大，从而口寸ｄ的过程被重复，进而产生一个新的孤子。此时新生成的脉冲和原先的脉冲共享增益，并在增益竞争中达到平衡。接下来，我们考虑激光器孤子输出时，逐渐降低泵浦功率的情况。假设孤子开位于ｃ点，随着泵浦功率的降低，孤子沿着传输曲线向右移动。此时虽然腔的增益减小，但损耗也随之减小，所以孤子仍能稳定存在。继续减小浦泵功率，相 移至ｂ点，此时由于能量的轻微扰动，会有一个孤子进入正反馈区，此时泵浦功率的减小导致更大的损耗。连续减小泵浦功率，孤子功率会持续减弱，直到消失。 继续降低泵浦功率，将重复这个过程，直到最后一个孤子消失。根据以上分析可 知，如果激光腔内的孤子个数越多，从ｄ返回到ｂ点泵浦功率的改变就越大，从 而泵浦功率滞后随着孤子个数的增加会更加明显。事实上，当臼为其它值时，对 泵浦功率滞后现象进行分析结论与Ｏ＜口＜兰相同。３．３数值模拟与实验被动锁模光纤孤子激光器的传统模拟方法是基于Ｇｉｎｚｂｕｒｇ―Ｌａｎｄａｕ方程或者 ＭａＳｔｅｒ方程的。然而，对于激光腔内具体光器件对孤子的作用，这两种方法采用２６硕士学位论文了忽略或者近似处理的方法，而激光腔内光器件严重影响激光器中孤子的特性。因此，为了更加精确地描述激光器内的孤子，我们必须细致地考虑腔内器件特性。‰ｇ在充分考虑激光腔内分立器件对孤子的影响的情况下，拓展了传统的Ｇｉｎｚｂｕｒｇ．Ｌａｎｄａｕ方程，提出了一种新的模型。和传统的模型不同，这个模型没有 使用小脉冲变化近似，而是跟随光脉冲在激光器内循环，并且考虑了腔内元件对光脉冲的每个动作。具体而言，在弱双折射光纤内，模型用非线性薛定谔方程或耦合的非线性薛定谔方程描述光在光纤内的传输。对于掺铒光纤，模型合并了光 放大和增益带宽限制的影响。当脉冲经过腔内分立元件（例如：输出耦合器、起 偏器等）时，则用光场乘以分立元件的传输矩阵。在模拟过程中，以任意光场作为初始信号光，光在激光腔内循环一圈后，用计算结果作为下一圈的输入，直到获得稳态输出。Ｔａｎｇ用这个模型成功地解释了孤子边带产生【４２１、双脉冲孤子【４３１。关于仿真模型的详细内容见参考文献【４４１。ＤＥ３ Ｃ Ｃ ｏ ｏ （，）Ｌ ①羔Ｓｍａ¨ｓｉｇｎａＩ ｇａｉｎ图３．４孤子数与泵浦强度的关系我们利用上述仿真模型对图３．１所示激光器中孤子产生和泯灭进行了模拟， 结果如图３．４所示。从图３．４可见，激光腔内孤子态产生以及每个新孤子的产生 和泯灭都显示了泵浦功率滞后。增大泵浦功率过程中，激光器开始输出连续光， 在小信号增益为２０５．２时产生第一个孤子，此后随着泵浦功率的增加，孤子一个 接一个地产生；减小泵浦功率过程中，孤子数目相继减少，直到最后一个孤子消失而回到连续光输出态。这个过程清楚显示了泵浦功率滞后现象不仅在连续光锁模产生孤子时存在，在锁模态下新孤子的产生过程中仍然存在。和非线性传输模 型的分析结果一致，随着腔内孤子数目的增加，滞后现象愈加明显。２７被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究Ｅ ∞弋了∞≥ 也ｏＷａＶｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）图３．５典型孤子频谱图ＪＩ毫＼“ｏ事ｏＱｐｊＱｐ≥ｏｐｕｍｐｐｏｗｅｒ／ｍＷ图３．６输出功率与泵浦功率的关系（红点表示增大泵浦功率过程的输出功率，黑点表 示减小泵浦功率过程的输出功率）以图３．１所示实验装置我们也进行了泵浦滞后的相关实验研究。我们固定偏振控制器的角度，缓缓增加泵浦功率。发现当泵浦功率增加到５０ｍｗ时，激光腔 内突然形成孤子，孤子谱如图３．５如示。此时降低泵浦功率，孤子谱强度减弱， 但直到泵浦功率降至３０ｍｗ时才消失。为测量激光器中的泵浦功率滞后，我们实 验测量了连续增大泵浦功率至３５０ｍｗ，然后减小泵浦功率至０ｍｗ输出功率的变化情况，如图３．６所示。在相同泵浦功率的情况下，减小泵浦功率过程中的输出功率总是大于增大泵浦功率过程中的输出功率。这意味着增大泵浦功率过程中激 光腔内的损耗大于减小泵浦功率过程中的损耗。因此与维持孤子的存在相比，产 生新的孤子需要更多的泵浦功率。虽然由于孤子的能量相对较小，图３．３所示增２８硕ｌ：学位论文大泵浦功率过程与减小泵浦功率过程输出功率的差值不是很大，但与模拟结果相 似，每个孤子的产生和泯灭都显示滞后现象，并且腔内孤子数目越多泵浦功率滞后越明显。３．４结论显然，泵浦功率滞后将导致输出重复率的不稳定。如果我们以不同的方式调节泵浦功率到某个值（增加或减小泵浦功率），激光器中存在的孤子数目可能是不 一样的，脉冲的重复率也相应地发生了变化。本文利用非线性传输模型，在充分 考虑线性双折射与相关的线性腔的影响的情况下，对ＮＰＲ被动锁模光纤激光器中 的泵浦功率滞后现象进行了分析，并进行了数值模拟和实验验证。结果表明，泵 浦滞后现象起因于激光腔的非线性损耗特性，它不仅在连续光锁模产生孤子时存在，在锁模态下新孤子的产生过程中仍然存在。２９被动锁模掺铒光纤激光器中泉浦滞后和波Ｋ调潇的研究第４章４．１引言被动锁模光纤激光器中波长调谐机理的研究由于在ＤｗＤＭ、ｏＴＤＭ等光纤通信传输系统中作为经济、稳定通信光源的 潜在应用，近年来，基于非线性偏振旋转（ＮＰＲ）技术的光纤激光器吸引了很多 注意。研究表明，在激光腔内全部使用色散系数为负的光纤的情况下，ＮＰＲ光纤 激光器可以实现多种工作方式，如连续波，单孤子，边界态孤子，类噪声孤子发 射态等【４５４６１。实验中，通过简单地调节偏振控制器可以使激光器从一种工作态进 入到另一种工作态，且在较低泵浦功率下激光器总是输出连续光，一旦泵浦功率 超过某个阈值，激光器就会立即进入孤子工作态【４７１。１９９２年，Ｍａｔｓａｓ首次报道了被动锁模光纤激光器的中心波长调谐现象，但在 报道中波长调谐的机理没有被提及。２０００年，Ｍａｎ调节激光腔内的偏振控制器实现了６ｎｍ宽度的中心波长调谐范围，Ｍａｎ认为腔内双折射的存在导致了中心波长可调［４弘４９１。ＫｅＩｌｖ对于高增益光纤激光器中的波长调谐现象进行了研究，提出了 高增益孤子激光器中的平均孤子动力学特性【５０１。Ｂ．Ｃ．Ｃｏｌｌｉｎｇｓ对短腔中的特性进 行了充分的分析【５１１。本文对中心波长调谐进行了相关实验研究，在实验中，我们 发现锁模孤子的中心波长远离掺铒光纤放大自发辐射（ＡＳＥ）谱的中心波长，且总是位于ＡＳＥ谱的长波长边；在保持泵浦功率不变的情况下调节偏振控制器可以使激光器在双波长输出、孤子输出等多种工作态间转换；孤子中心波长在１５５８ｎｍ 附近波长连续可调，调谐范围达１２ｎｍ。利用非线性传输模型对波长调谐的机理进行分析，结果表明，波长调谐是光纤双折射、光纤非线性、腔内滤波器共同作 用的结果。４．２实验装置和锁模原理光纤激光器的实验装置示意图和图３．１相似，但光纤参数不同，我们把它重 画在图４．１。它包含一段３ｍ长模场直径为９．８ｕｍ，波长为１５５０ｎｍ时群速度色散为一１０ｐｓ２／ｋｍ的掺铒光纤，其余的光纤为模场直径为９．３啪，群速度色散为一１ ８ｐｓ２／ｋｍ的单模光纤，总腔长９ｍ。以及两个偏振控制器，一个偏振相关隔离器， 一个波分复用器和一个输出比为１０％输出耦合器。其中两个偏振控制器用于改变光的偏振态，偏振相关隔离器保证光的单向传输并起到锁模的作用。泵浦光从波分复用器输入，在输出耦合器输出至光谱仪和功率计。 非线性偏振旋转被动锁模是一种全光非线性技术，能在腔内不用调制器之类３０硕十学位论文的任何有源器件的情况下实现超短脉冲输出。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。锁模的过程可以理解如下：在两个偏振控制器之间置有一偏振隔离器作为锁模元件，偏振隔离器起隔离和偏振双重作用。光在离开隔离器后是线偏振的，随后的一个偏振控制器将其偏振态 改变为椭圆偏振。光进入光纤后，在传输过程中将受到光纤的线性和非线性双折射共同作用，发生偏振旋转。由于非线性双折射导致的非线性相移是光强相关的， 所以脉冲的不同强度部分将会发生不同的偏振旋转。调节第二个偏振控制器让光强较大的部分能顺利地通过光隔离器而强度相对较小的部分被阻挡。于是，光脉冲在激光腔内传输一圈的效果是光的峰值被放大，而边缘被压缩，循环多圈以后，超短脉冲就会形成。图４．１非线性偏振旋转被动锁模环形掺铒光纤激光器４．３实验结果在研究波长调谐之前，我们先分析掺铒光纤的自发辐射谱。断开偏振相关隔离器，增大泵浦功率至３２５ｍｗ，掺铒光纤自发辐射谱如图４．２（ａ）所示。其中心 波长位于１５３２ｎｍ，并且中心波长两边的光谱明显不对称。接上偏振相关隔离器 后激光器输出光谱如图４．２（ｂ）所示，其与图４．２（ａ）很相似，说明此时激光腔 对光的传输影响非常有限。然后保持泵浦功率不变，仔细调节偏振控制器，我们 发现长波长边的功率逐渐增加，激光器进入双波长输出工作态，两个输出波长分别为１５３２ｎｍ和１５５８ｎｍ，频谱如图４．２（ｃ）所示。继续调节偏振控制器，长波长边的功率继续增大而短波长边的功率逐渐减小，直至短波长完全消失，在中心波长为１５５８啪处孤子谱形成，孤子谱如图４．２（ｄ）所示。在１５５８ｎｍ形成孤子以后，继续保持泵浦功率不变并调节偏振控制器，我们 发现孤子谱中心波长从１５５８ｎｍ至１５７０ｎｍ连续可调，图４．３显示了调谐过程中心波长分别为１５５８ｎｍ、１５６５ｎｍ、１５７０ｎｍ光谱图。从图４．３可见，虽然在调谐过程 中孤子谱的边带有起伏，但谱型没有太大的变化。从连续波进入到双波长发射态，３ｌ被动锁模掺铒光纤激光器中泵浦滞后和波长调谐的研究．２０―３０Ｅ∞ Ｃ‘ｏ ∞ ≥ ｏ△Ｅ∞ｐ、ｊ９ＭＯＱ －∞击Ｄ １５∞１５２０１５∞１湖１５∞１啪ｗａｖｅＩｅｒｌｇ吖ｎｍ（ａ）（ｂ）Ｅ ∞ Ｄ ＜ｏ ≥ ｏ△，≯∞Ｄ／ＪｏＭｏＱ（ｃ）（ｄ）图４．２泵浦功率为３２５ｍｗ时的自发辐射谱和调节偏振控制器过程中的频谱图。（ａ）为自 发辐射谱，（ｂ）、（ｃ）为调节偏振控制器过程中的频谱图，（ｄ）为孤子谱。≥ ∞。口ｔ∞≥ｏ△ｗａｖｅＩｅｎｇｈ／ｎｍ图４．３泵浦功率为３２５ｍｗ时波长调谐频谱图再到孤子工作态，以及后来的孤子谱连续调谐的过程中都伴随着波长的演化，而在这个过程中泵浦功率是不变的，所以我}