（物理电子学专业论文）生成波长可调谐超短光脉冲的自注入锁定实验系统的建立及其理论研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 波长可调谐超短光脉冲在波分复用、时分复用光纤通信系统以及光纤传感中具有广阔 的应用前景。对商用法布里一珀罗( f p ) 型激光二极管实施增益开关调制、并进行自注入 锁定是产生波长可调谐超短光脉冲的简单、可靠方法，该方法属自注入增益开关技术。衡 量自注入锁定系统性能的两个主要参数是其输出的单摸激光脉冲的边模抑制比( s m s r ) 和 波长调谐范围。论文首先针对以增益调制的f - p 激光二极管为核心的自注入锁定系统，进 行了理论上的分析在频域和时域中分别讨论了关于增益调制的f - p 激光二极管在自注入 锁定系统中产生波长可调谐超短光脉冲的原理，提出了自注入锁定的实质是锁模的又一个 方式，即复合激光腔的高阶锁模；并提出了突出光学物理过程的宏观动态时域计算框架 光脉冲的动态跟踪计算方案，并对两个实际的实验系统进行了模拟计算，结果表明， 在光脉冲的s m s r 、光脉冲的产生过程，以及光脉冲的形状上，与实际系统符合的较好。 然后，提出和建立了几个简单、高效、性能良好的自注入锁定实验系统，实验结果表明， 这几个系统可产生可调谐单波长、或双波长超短光脉冲并且系统所输出的光脉冲在较宽 的波长调谐范围内具有较高的s m s r 。最后，提出并建立了应用于气体传感的自注入锁定 实验系统，实验结果表明，系统具有较高的测量灵敏度。主要创新内容如下： 1 提出并建立了采用两个光纤光栅的自注入锁定基本实验系统，以生成在较宽的波长 选择范围内，具有较高s m s r 的波长可调谐超短光脉冲。系统的关键是光路结构合理，仪 输出光需要光耦合器引导，而反馈光( 种子光) 则不再通过光耦合器，从而，使种子光具有 足够的能量丽保证了被选模式的较强竞争力。在增益调制的f - p 激光二极管外腔中，采用 了两个串联相接的光纤光栅，以扩大波长调谐范围。实验结果显示，在2 5 7b i l l 的波长调谐 范围内，输出光脉冲的s m s r 高于3 2d b 。 在基本实验系统的反馈光路中加置e d f a ，可以极大地增强被选模式的竞争力。这种改 进系统的输出光脉冲在更宽的波长调谐范围里达到极高的s m s r 。系统在2 4 n m 的波长调谐 范围内，获得了s m s r 高于柏d b 的单模光脉冲输出；雨在1 5 2 1 8n m 和1 5 5 0 0 n m 之间2 8 2 n m 的波长调谐范围内，s m s r 高于3 5 d b 。 2 提出并建立了利用f p 滤波器入射端面的反射作为输出的自注入锁定基本实验系 统，以生成波长可调谐超短光脉冲；并对在此系统的反馈光路中加置e d f a 后而形成的改 进系统进行了实验研究。 入射端面的反射作为输出的基本实验系统的核心是光路结构合理而巧妙。其关键是将 可调谐f - p 滤波器的透射光与反射光分开，其中反射光作为系统的输出，使系统不再需要 光耦台器来引导输出，从丽基本克服了f - p 滤波器插入损耗大的缺点，保证了反馈光具有 足够的能量。基本实验系统简单高效，并实现了波长的电子调谐。实验结果显示，在2 6 n m 的波长调谐范围内输出光脉冲的s m s r 高于3 0 d b ，且在波长调谐过程中驱动射频电流的重 复频率保持不变。 改进实验系统的关键是在反馈光路中加置e d f a 。e d f a 有效地增强了被选模式的竞争 力，所以，输出光脉冲在更宽的波长调谐范围里达到较高的s m s r 。系统在3 0 a m 的波长调 谐范围内获得了s m s r 高于3 0 d b 的单模光脉冲输出。最高s m s r 超过4 0 d b 。光脉冲的功 率明显增大，最商可达- 5 8 3 d b m 。 摘要 3 提出了使每个光脉冲一次通过耦舍器的生成可调谐双波长光脉冲的自注入锁定实验 系统。系统简单、可靠，双波长调谐方便。实验系绞的关键是利用两个光环行器，构成，：王馈 光强损耗较小的光路，同时，利用光延迟线很好地保证了两个波长的光在时间上的一致，从 而，显著地增强了处于f - p 激光二极管边缘部分的各纵模的双模同时运转能力。在2 0 ，7n n 的波长调谐范国内，系统输出的双波长光脉冲的s m s r 接近或高于3 0 d b 的。 4 提出了自注入锁定方式应用于气体光谱测量的实验系统。系统对乙炔气体进行了差 值光谱吸收的测量。在实验测量进程中，通过切换激光器驱动电流的重复频率，很方便地实 现了激光脉冲在两个波长( 吸收峰波长x 。和远离气体吸收蜂的参照波长x 一) 之间切换。 与基于d f b 激光器的测量方法相比，该系统波长调谐方便，对气体探测的灵敏度也大为提 高。此方法由于是以单模光脉冲进行的，所以对多点或多气体测量具有潜在的应用前景。 关键词：超短光脉冲，增益开关。自注入锁定，边模抑制比，波长调谐 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t w a v e l e n g t h t u n a b l e o p t i c a l s h o r t p u l s e h a s g r e a ta p p l i c a b l ep o t e n t i a l i n w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l n p l e x e d ( w d m ) a n dt i m e d i v i s i o n - m u l t i p l e x e df r o m ) o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n sa n do p t i c a lf i b e rs e n s o r s s i m p l ya n dr e l i a b l yg e n e r a t i n gw a v e l e n g t ht u n a b l e o p t i c a ls h o r tp u l s ei sb ym e a n s o fs e l f - s e e d i n gw h i l e g a i n - s w i t c h i n go f t h ec o m m e r c i a l l ya v a i l a b l e f a b r y - p e r o ti f - p ) l a s e rd i o d e ，w h i c hi sc a l l e ds e l f - s e e d i n gg a i n - s w i t c h i n gt e c h n o l o g y t h et w o m a i np a r a m e t e r st om e a s u r et h ec a p a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h es e l f - s e e d i n gs y s t e ma r et h e s i d e m o d e s u p p r e s s i o nr a t i o ( s m s r ) o f t h e o u t p u ts i n g l e - m o d eo p t i c a lp u l s e s a n dt h e w a v e l e n g t h - t u n i n gr a n g e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ee s t a b l i s h m e n to fas e l f - s e e d i n gs y s t e mb y g a i n s w i t c h i n gt u n i n go ff - pl a s e rd i o d ea n d i t sa n a l y s i si nt h e o r y f i r s t l yd i s c u s s i o n sa r ec a r r i e d o u to nt h e p r i n c i p l e o f g e n e r a t i n gw a v e l e n g t h t u n a b l e o p t i c a l s h o r t p u l s eb ys e l f - s e e d e d g a i n - s w i t c h e d f pl a s e rd i o d ei nf r e q u e n c ya n dt i m ed o m a i n s t h eh i g h - o r d e rm o d el o c ko fl a s e r c a v i t yi sf i r s te x p r e s s e dt ob et h em a t t e ro ff a c to fs e l f - s e e d i n g ，a sa n o t h e rm a n n e rf o rm o d e l o c k i n g a l s oam i c r od y n a m i c t i m ed o m a i n c o m p u t a t i o n a l f r a m ee m p h a s i z i n gt h eo p t i c a lp h y s i c a l p r o c e s si si n - s tp r e s e n t e df o rc o m p u t a t i o n a lo p t i c a lp u l s ed y n a m i ct r a c e ，a n du s e di ns i m u l a t i o n c a l c u l a t i o nf o rt w oa c t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e m s a l lt h er e s u l t si ns m s r ，t h e g e n e r a t i o np r o c e s s ， a n dt h ep a t t e mo ft h eo p t i c a lp u l s e sa r es h o w nw e l lc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ls y s t e m s t h e n ，a n u m b e ro fs i m p l e ，e f f i c i e n ta n dr o b u s ts e l f - s e e d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m sa r ee s t a b l i s h e df o r g e n e r a t i n gt u n a b l es i n g l e - a n dd u e l - w a v e l e n g t ho p t i c a ls h o r tp u l s e s ，r e s u l t i n gi nt h a tt h eo u t p u t o p t i c a lp u l s e sh a v eh i g hs m s r w i t h i nt h er e l a t i v e l y 、v i d ew a v e l e n g t ht u n i n gr a n g e i na d d i t i o n ，s s e l f - s e e d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e ma p p f i e dt og a s s e n s o l si sf i r s te s t a b l i s h e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi sw i t hh i g h e rs e n s i t i v i t yo fm e a s u r e m e n t t h em a i ni n n o v a t i o n a l c o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 e s t a b l i s h i n g a n dp r e s e n t i n gab a s i cs e l f - s e e d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mu s i n gt w oo p t i c a lf i b e r g r a t i n g sf o rp r o d u c i n gw a v e l e n g t h - t u n a b l eo p t i c a ls h o r tp u l s e sw i t hh i 曲s m s r v a l u e ar a t i o n a l o p t i c a l r o u t es t r u c t u r ei st h e k e yt o t h e s y s t e m ，w h i c hc a ne n s u r e t h a tt h e o p t i c a lc o u p l e r i n t r o d u c e di st h eo n l yf o ro u t p u ta n dt h eo p t i c a lf e e d b a c k ( s e e do fl i g h t ) i sn o tv i at h ec o u p l e r a n y m o r e ，h e n c e ，t h es e e dl i g h th a se n o u g hp o w e r t oa s s u r et h es e l e c t e dm o d e s t r o n g l yc o m p e t i t i v e i nt h ee x t e r n a lc a v i t yo fg a i n - s w i t c h e df - pl a s e rd i o d e ，t w os e r i a lc o n n e c t e df i b e rg r a t i n g sa r e u s e dt oe n h a n c et h ew a v e l e n g t ht u n a b l er a n g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es m s r v a l u ei sh i g h e rt h a n3 2d bo v e raw a v e l e n g t h t u n i n gr a n g eo f2 5 7a m a ni m p r o v e de x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e di n s t a l l i n ga ne r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) i n t oo p t i c a l f e e d b a c k p a t h i nt h eb a s i c e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，w h i c hs i g n i f i c a n t l y i n t e n s i f i e sc o m p e t i t i v ea b i l i t yo ft h es e l e c t e dm o d e ，a n di nt u r n ，m a k e st h eo u t p u to p t i c a lp u l s e h l a b s t r a c t r e a c hav e r yh i g hs m s rv a l u ei nal a r g e rw a v e l e n g t ht u n i n g r a n g e t h er e s u l t so b t a i n e df r o m t h e s y s t e ms h o wt h a tt h es m s r v a l u eo ft h es i n g l em o d eo p t i c a lp u l s e so u t p u t t e da r eh i g h e rt h a n 4 0 d ba n d3 5 d br e l a t i v e l yo v e ra w a v e l e n g t ht u n i n gr a n g eo f2 4 r i ma n d2 8 2n m ( b e t w e e n 1 5 2 1 8 n ma n d1 5 5 0 0 n m ) 2 e s t a b l i s h i n ga n dp r e s e n t i n gab a s i cs e l f - s e e d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mu s i n gt h er e f l e c t i o na t i n c i d e n c ef a c eo ff - p o p t i c a l f i l t e ra so u t p u tf o rp r o d u c i n g w a v e l e n g t h - t u n a b l eo p t i c a ls h o r tp u l s e s ； a n do nt h i sb a s i sd e v e l o p i n ga ni m p r o v e de x p e r i m e n t a ls y s t e mb yi n s t a l l i n ga ne d f ai n t oo p t i c a l f e e d b a c k p a t l l ar a t i o n a la n ds m a r to p t i c a lr o u t es t r u c t u r ei ss u b s t a n t i a lf o rt h i ss y s t e mu s i n gm f l e c c i o na t i n c i d e n c ef a c ea so u t p u w h i c hc a nd i v i d et h et r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o no ft u n a b l ef - pf i l t e r , a n d s e l e c tt h er e f l e c t i o na ss y s t e mo u t p u tw i t h o u tt h en e e do fao p t i c a lc o u p l e rt oi n t r o d u c ei t ，i nt u r n ， o v e r c o m et h el a r g ei n s e r t i o nl o s so fa nf - pf i l t e ra n de n s u r ee n o u g hp o w e ro fo p t i c a lf e e d b a c k t h i ss y s t e mi ss i m p l ea n de f f i c i e n t , a n dt h ew a v e l e n g t ho fp u l s e sc a l lb et u n e de l e c t r i c a l l y t h e e x p e r i m e n t m r e s u l t ss h o wt h a tt h es m s ri sh i g h e rt h a n3 0 d bo v e raw a v e l e n g t h - t u n i n gr a n g eo f 2 6 n m , a n dac o n s t a n tr e p e t i t i o nf r e q u e n c yo fd r i v i n gc u r r e n ti s m a i n t a i n e dd u r i n gw a v e l e n g t h t u n i n g i n s t m l i n g a ne d f ai n t oo p t i c a lf e e d b a c kp a t hi st h ek e yt ot h ei m p r o v e de x p e r i m e n t a ls y s t e m ， w h i c he f f e c t i v e l yi n t e n s i f i e sc o m p e t i t i v ea b i l i t yo ft h es e l e c t e dm o d e ，a n di nr u m ，m a k e st h e o u t p u to p t i c a lp u l s er e a c hav e r yh i g l ls m s r v a l u ei nal a r g e rw a v e l e n g t ht u n i n gr a n g e t h e r e s u l t so b t a i n e df r o mt h es y s t e ms h o wt h a tt h es m s rv a l u eo ft h es i n g l em o d eo p t i c a lp u l s e o u t p u t t e di sh i g h e rt h a n4 0 d b o v e raw a v e l e n g t h t u n i n gr a n g eo f3 0 h m ，a n d t h em a x i m u ms m s r v a l u ec a nr e a c hm o r et h a n4 0 d b t h ep o w e ro ft h eo p t i c a lp u l s ei ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ，e v e nt o t h eh i g h e s tv a l u eo f 5 8 3 d b m 3 p r e s e n t i n g as e l f - s e e d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rp r o d u c i n gd u e l - w a v e l e n g t h - t u n a b l eo p t i c a l s h o r tp u l s e st oe n a b l ee a c ho p t i c a lp u l s et oo n e - o f fp a s st h r o u g hc o u p l e r t h es y s t e mi ss i m p l e ， r o b u s ta n dc o n v e n i e n tf o rd u a l - w a v e l e n g t ht u n i n g ，i nw h i c ht h ek e yi s t ou s et w oo p t i c a l c i r c u l a t o r sf o rf o r m i n ga no p t i c a lr o u t ee n a b l i n gt h es m a l l e rl o s si ni n t e n s i t yo fo p t i c a lf e e d b a c k ， a n d o p t i c a ld e l a yl i n ef o rk e e p i n gd u e l - w a v e l e n g t hl i g h t s c o n s i s t e n ti nt i m i n g ，i nt u r n ，s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e st h ed u e l - m o d es i m u l t a n e o u s l yo p e r a t i n gc a p a b i l i t yo ft h ee a c hl o n g i t u d i n a lm o d ea tt h e e d g i n gp a r t o ft h ef - pl a s e rd i o d e t h es m s ro ft h eo u t p u td u e l w a v e l e n g t ho p t i c a lp u l s e s a c h i e v e di sc l o s et oo rh i g h e rt h a n3 0d bo v e rt h ew a v e l e n g t h - t u n i n gr a n g eo f2 0 7n m 4 p r e s e n t i n g a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rg a so p t i c a ls p e c t r u mm e a s u r e m e n tu s i n gs e l f - s e e d i n g s c h e m e d i f f e r e n t i a lo p t i c a ls p e c t r u ma b s o r p t i o nm e a s u r e m e n tf o ra c e t y l e n ei sc a r r i e do u ti nt h i s s y s t e m d u r i n gt h em e a s u r e m e n t , s w i t c hb e t w e e nt w ol a s e rp u l s ew a v e l e n g t h s ( a b s o r p t i v ep e a k w a v e l e n g t h 九sa n dt h er e f e r e n c ew a v e l e n g t ho f ft h ea b s o r p t i v ep e a kx r c f ) c a nb ec o n v e n i e n t l y i m p l e m e n t e db ys w i t c h i n g t h er e p e t i t i o nf r e q u e n c yo fd r i v i n gc u r r e n to fl a s e rd i o d e c o m p a r i n g t o t h ed f b - b a s e dm e a s u r e m e n tm e t h o 幽，t h i ss y s t e mh a sm o r ec o n v e n i e n ta n df l e x i b l ew a v e l e n g t h 一塑垩奎兰璺主堂笪望塞 t u n a b i l i t y , a n dl a r g e rs e n s i t i v i t yt og a sp r o b e i na d d i t i o n ，d u et ou s i n gt h es i n g l e - m o d eo p t i c a l p u l s e ，t h i sm e t h o dh a sl a r g ep o t e n t i a li nm e a s u r e m e n ta p p l i c a t i o nf o rm u l t i - p o i n to rm u l t i p l eg a s s e n s i n g k e y w o r d s ：o p t i c a l s h o r t p u l s e ，g a i n - s w i t c h i n g ，s e l f - s e e d i n g ，s i d e m o d e s u p p r e s s i o nr a t i o ， w a v e l e n g t h - t u n i n g v 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 光纤通信就是以光作为载波，以光导纤维作为传输媒质而进行的信息传递。由于光是振 荡频率达3 x 1 0 “h z 的电磁波，因此用光作为载波进行通信，可以满足以不断提高信号载频 来扩大通信容量及质量的发展需求。光纤通信具有比其它通信方式突出的优点：传输频带 宽，通信容量大；传输损耗低，通信距离长；抗电磁干扰能力强，保密性好，使用安全 有抗核辐射能力；体积小，重量轻，易于敷设；光纤的主体材料资源丰富。 1 1 光通信发展回顾 事实上，光纤通信早就是人们追求的目标。虽然，1 9 5 1 年发明了以光纤为传媒的医学 用的胃镜，但是由于那时光纤的损耗太大，不适于长距离的光传输，研究工作进展不大。 1 9 6 6 年，英籍华人高锟( c k ) 和h o c k h a m 根据介质波导理论，指出如果降低材料中 的杂志含量，可极大地降低光纤损耗，可达2 0 d b k m ，甚至更小。该预言引发了世界上几 个主要实验室在这一领域的研究工作。1 9 7 0 年，美国康宁( c o m i n g ) 玻璃有限公司制成了 2 0 d b 压h 的低损耗光纤。同年，美国贝尔实验室制作出可在室温下连续工作的铝镓砷 ( a 1 g a a s ) 异质结半导体激光器，工作波段为0 8 5 t m ，恰与早期光纤的低损耗窗口波长一 致。这一幸运的巧合，为光通信飞速发展奠定了坚实的基础。因而，低耗光纤和适当的半导 体激光光源的发明，使得1 9 7 0 年被称为光纤通信元年。 光纤通信至今已经历了几个阶段发展i i 叫： f 1 ) 1 9 7 3 1 9 7 6 年，以工作波长为0 8 5 9 m 的光传输于多模光纤中，光纤损耗为4 d b k m ： f 1 9 7 6 。1 9 8 3 年，出现了工作在石英光纤的一个低损耗极值处1 3 9 m 的半导体激光器，传 媒光纤虽仍多为多模，但损耗降至0 5 d b k m ，色散也大为减小； ( 3 ) 1 9 8 4 年，工作波长虽仍为1 助m ，但实现了单模光纤通信。单模光纤的色散较多模光纤 低得多： f 4 ) 上世纪8 0 年代中后期，随着工作于1 5 5 # m 的铟镓砷磷( h g a a s p ) 半导体激光器的质 量达到商用水平，又实现了1 5 瓤m 为工作波长的单模光纤通信。1 5 5 弘m 是石英光纤的 最低损耗窗口，为0 2 d b k m ，已达到理论极限； f 5 1 上世纪9 0 年代初，光纤通信史上的一个重要里程碑是掺铒光纤放大器( e r b i u md o p e d f i b e r a m p u f i e r ，e d f a ) 实用化。自从1 9 8 6 年英国南安营敦大学制做出了最初以氩离子 激光器作泵浦源的掺铒光纤放大器后，立即刺激可替代氩离子激光器作为泵浦源的 0 9 8 u m 和1 4 8 9 m 的大功率半导体激光器的研制与开发，并在几年内迅速获得成功。掺 铒光纤放大器9 对1 5 靴m 的光信号直接放大，且具有4 0 n m 的带宽，不仅摆脱了光一电一 光中继的电子“瓶颈”，而实现了全光中继，并且由于其极宽的带宽，一只光纤放大器就 可以取代与信道数相等数量的光电一光中继器，实现全波段光中继。极大地推动了波分 第一章绪论 复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 在光纤通信系统中的发展。现在 e d f a + w d m 己成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤通信技术。 1 2 光纤通信近期概况 2 0 世纪9 0 年代以来，人类对“信息”的需求似乎仍以疯狂的速度增长。“通信”的涵义早 已从语音、文字，扩展到图象甚至实时图象、多人实时互动交流等。数字移动通信的业务量 的不断扩大、计算机互联网的迅猛发展以及多媒体技术的出现与进步，都对数据流量提出了 高速增长的要求。光纤通信以其巨大的带宽潜力和良好的传输能力，为高速率、大容量、特 别是长距离的信息传输提供了满足这种要求的可能性。挖掘光纤的带宽潜力的关键技术便是 复用技术。光纤通信的复用技术主要是时分复用技术( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 和光波分复用技术( w d m ) 。 时分复用技术( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 是指将在时间上分割成的不同部分， 提供给多个分支数据流共同在一个大容量的信道上传输的技术。 电的时分复用技术( e t d m ) 现在已经非常成熟，例如在人们熟知的数字移动通信中的 应用。但e t d m 存在“电子瓶颈”，即电子系统的响应速度的限制。电子系统的极限速率大 约为4 0 g b i t s 。因此，目前又出现了光时分复用( o t d m ) ，即在光域内进行的时分复用。 o t d m 技术不仅可在同一个光频信道上提高光纤的数据传输容量，而且可能成为建立 “全光网”的关键技术。所谓“全光网”，是指数据流从起点到终点的整个传输过程几乎都是在 光域中进行的。 o t d m 技术是以每1 0 年1 0 倍的速度增长口4 】。目前的实验系统已达到了6 4 0 g b i t s f 8 ”。 但是，总的来说，o t d m 技术还不成熟，仍处于探索阶段。因为要在光域对信号进行处理， 例如时钟恢复、信头识别、路序选出等，都需要全光逻辑和光存储器件，而这些器件尚不成 熟。所以，o t d m 技术属于未来技术。 光波分复用技术( w d m ) 是指在一根光纤上同时传送多个波长不同的光载波，每个光 载波又各自携带不同的信息，从而提高光纤传输容量。 2 0 世纪8 0 年代中期，w d m 是指光载波波长间距为几十至几百纳米的复用，例如1 3 x m 与1 5 # m 波长的复用。2 0 世纪9 0 年代中期开始，随着e d f a 以及光纤光栅的实用化，开始 了密集波分复用技术的发展，并迅速成为高速光纤通信网发展的主流。 光载波波长间隔为n m 量级。国际电信联盟( 1 n j t ) 建议w d m 信道的标准间隔为0 8 a m ( 在1 5 缸m 波段处对应1 0 0 g h z 频率间隔) 的整数倍。如0 8 n m ，1 6 n m ，2 4 n m ，3 6 n m 等。 由于技术的进步，最近n u t 等机构正在考虑将信道间隔减小到5 0 g h z 。 光纤具有丰富的频带资源，在1 3 h m 和1 5 5 , u m 窗口处有可以复用的信道如图1 ，2 一l 所 示，以频率间隔5 0 g h z 计，在1 3 t i n 处大约有2 0 0 个信道，在1 5 5 p m 处有3 0 0 个信道。图 1 2 _ - 2 是波分复用系统的原理图。 w d m 技术的特点： ( 1 ) 扩充光纤现有线路的传输容量方便、灵活，只需加入复用解复用器，以增加波长 2 浙江大学博士学位论文 数量，就可以实现。 ( 2 ) 光纤色散的限制距离不高。这是由各个波长的光载波的信号传输率要求不高而带 来的好处。 ( 3 ) 易于构建复杂灵活的光网络。由于以波长路由为基础，可方便地实现网络的动态 重构和故障的自动恢复。 光纤放大器的不断进步，极大地推动d w d m 系统的发展。采用双增益的并联结构以及 碲化物光纤等方法可以实现对c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 0 a m ) 和l 波段( 1 5 7 0 - 1 6 2 0 i t m ) 同时放大 的超宽带放大器，3 d b 平坦增益带宽分别高达8 4 3 n m 和7 6 a m 1 “1 。 盘 o “ 翡 l 1 0 0 2 d b h a n o l 0 0 1 w a v e l e n g t h ( 洲) 图1 2 - 一11 3 1 t m 和1 5 5 i m 窗口的带宽 图1 2 2 波分复用系统的原理图 第一章绪论 目前的d w d m 技术发展水平大概如下： 2 0 0 0 年日本的f u j i s u 公司报道了一种w d m 系统，系统单路传输速率为1 0 g b i t s ，共 6 4 个波长，位于1 5 7 0 1 6 0 5 n m 的l 波段【l “：同年贝尔实验室在o f c 上报道了速率达 3 2 8 t b i t s 的w d m 系统【”1 ，其单路传输速率为4 0 g b i t s ，波长数为8 2 。2 0 0 1 年，日本n e c 公司和法国阿尔卡特公司分别开发出1 0 9 2 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0 g b i g s ) 和1 0 2 t b i t s ( 2 5 6 x 4 2 7 g b i 怕) 的超密集波分复用传输试验系统【1 ”1 ，信道频率间隔大约5 0 g h z 。 虽然目前阶段，w d m 技术的发展更为成熟，但事实上，将o t d m 与d w d m 的技术结 合，将更充分地挖掘光纤通信的最大潜力，并将其优良的性能发挥至极致。n r r 公司与1 9 9 9 年所做的d t d m w d w 传输实验f l “，已达3 t o i t s ( 1 6 0 g b i t s x l 9 ) ，便是两种技术结合的先 驱。 1 3 波长可调谐、超短脉冲的激光源 光通信发展的每一个重要阶段，都是与光源技术的进步分不开的。各种不同波长的超短 脉的产生是实现d w d m 的关键技术之一。固定波长的d f b 激光器是目前d w d m 中应用最 广泛、技术最成熟的半导体光源。大容量的系统中就需要制作若干个不同固定波长的d f b 激光器，或者通过特殊的光栅控制技术和光波导组分控制技术实现多波长阵列集成光源【l “。 但随着d w d m 系统的技术发展，固定波长激光器的缺点逐渐显露出来：每一个波长都需一 个工作激光器和一个备份激光器，使生产后勤和仓储管理复杂烦琐。另外，在光网络的动态 波长分配、波长变换中，固定波长的激光器的使用率很低，造成资源浪费。 所以，可调谐激光器是光纤通信目前研究的热点之一。可调谐激光器不仅可以使光网络 的运行效率更高、管理更简单，而且也将在光网络的动态与可重置方面发挥积极的作用，为 各种新颖灵活的光网络设计提供必要的保证。现有各种光通信用可调谐激光器按材料可大致 分为三大类：可调谐光纤激光器、可调谐半导体激光器，以及对法布里一珀罗( f - p ) 型半 导体激光器采用增益开关调制与自注入锁定方式的系统，实现输出可调谐激光超短脉冲。 1 3 1 可调谐光纤激光器 可调谐光纤激光器是基于掺铒光纤所具有的4 0 n m 增益带宽，在正反馈光路中加入可调 谐波长选择元件来实现控制激射波长的。波长选择元件可以是法布里一珀罗( f - p ) 滤波 器、光纤光栅、光纤环形镜、声光晶体等。正反馈腔的形式可以采用环形结构【1 “2 u 】，在1 5 2 5 7 1 5 6 3 5 n m 的范围内进行调谐。并且在泵浦功率保持不变的情况下，输出功率为0 2 7 o 3 9 m w 【“1 。也可采用线性腔结构【2 1 】，用两个光纤环形镜作为谐振腔的反射镜。其中一个同 时作为波长选择元件，是由两段高双折射光纤和两个偏振控制器组成，通过偏振控制器的调 节来控制此环形镜对不同波长的反射率，从而使特定波长的光在腔内形成振荡，实现波长调 谐。此激光器的调谐范围为1 5 8 3 1 6 0 0 n m ，输出功率大于l m w ，光谱线宽小于0 3 n m ，光 信噪比 4 0 d b 。为了在宽的波长范围内得到平坦的输出功率，j i a n l i a n gr a n g 等人采用环形腔 4 浙江大学博士学位论文 结构【，激光的输出通过一个高双折射环形镜( h i b if l m ) 实现功率平坦。波长选择是用 l x 3 的光纤布拉格光栅( h l ，c rb r a g gg r a t i n gf b g ) 阵列来实现宽带调谐的。他们成功地获 得了3 8 m ( 1 5 2 7 1 5 6 5 n m ) 的波长调谐范围，并在此范围的输出功率可控制为4 d b _ + 0 8 d b ， 3 d b 带宽为0 0 1 n r n ，边模抑制比( s i d em o d e s u p p r e s s i o nr a t i o s m s r ) 4 8 d b 。 1 3 2 可调谐半导体激光器 可调谐半导体激光器有不同的实现方案 2 3 1 ，主要包括可调谐分布反馈激光器 ( d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r , d f b ) 、分布布拉格反射镜激光器( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r l a s e r , d b r ) 、微电