光子晶体光纤参量放大器与超连续光源理论与实验研究

1、北京邮电大学博士学位论文光子晶体光纤参量放大器与超连续光源理论与实验研究姓名：王秋国申请学位级别：博士专业：电磁场与微波技术指导教师：杨伯君20090420北京邮电人学博十论文摘要光子晶体光纤参量放大器及超连续光源理论与实验研究摘要本论文是围绕以下项目展开的：国家自然科学基金项目光子晶体光纤及其在量子通信中的应用的研究（），北京市共建项目光子晶体光纤及系统中若干重要技术的研究（）和现代通信系统中新型探测技术与接收模块的研究（）。结合课题的要求和主要目标，在对光子晶体光纤（）传输特性研究的基础上，对其应用展开研究。由于光子晶体光纤（）在色散与非线性方面具有普通单模光纤没有的特性，它能在一个较宽的

2、频带内保持单模特性，它的零色散点可以在”之间变化，它的纤芯可以比较小而产生较大的非线性，丫值在处可达到。利用它做成有源器件，在光通信中，特别是波分复用系统中是很有前途的，如宽带色散补偿、光脉冲压缩、波长变换、超连续谱产生和光放大器等。本文对光子晶体光纤在光纤通信系统中的应用：如光纤参量放大器技术、波长变换技术及超连续光源方面的应用进行了理论与实验研究。光纤参量放大器是即掺铒光纤放大器（）、拉曼放大器（）及半导体光放大器（）后出现的一种光放大器，光纤参量放大器以其高增益、宽带宽等优点，应用潜力非常广泛，发展潜力巨大；波长变换则是全光网及光交换过程中的关键技术之一，利用这一技术可以实现在线开关等全

3、光操作过程；超连续光源则是基于超连续谱的宽带波长可任意提取的超宽带光源，它提供了一种在很宽的光谱范围内产生超短脉冲的非常经济的技术和方法，从而作为新一代多载波光源受到业界广泛关注。本文的主要工作与创新点（黑体部分）介绍如下：利用色散平坦光子晶体光纤构建了光纤参量放大器，完成了光子晶体光纤中的参量放大器实验，实验中观测的增益带宽为。理论上分析了光子晶体光纤参量放大器的增益特性、相敏特性和带宽特性，数值模拟分析了光子晶体光纤的非线性系数、色散、泵浦功率以及光纤长度等参数对参量放大的增益和带宽的影响。利用光纤中的四波混频进行了波长变换的实验研究，成功进行了波长附近的波长变换，实际测量波长变换带宽为北

4、京邮电人学博十论文摘要带宽为，最高转换效率为一，同时也实现了全光频移型的光开关操作。详细介绍了光子晶体光纤的几个突出优点：单模传输特性、高非线性效应、可控色散特性和双折射特性。在此基础上，讨论了光子晶体光纤在有源器件中的应用，同时介绍了它在各应用领域中的优势。利用脉宽为脉冲，以被动锁模光纤环激光器为光源，在色散平坦光子晶体光纤中进行超连续谱产生的实验，当泵浦平均功率为时，经过光子晶体光纤后得到带宽为的超连续谱。同时，系统分析了自相位调制、四波混频和受激拉曼散射等因素对光子晶体光纤中超连续谱产生的影响。以色散平坦光子晶体光纤为非线性介质，利用光纤的非线性效应，进行了飞秒脉冲产生超连续谱的实验。激

5、光器产生的激光脉冲，经一段约米和的普通单模尾纤被展宽为，利用此光源，以波长为中心波长，获得了谱宽达的超连续谱。在飞秒脉冲在色散平坦光子晶体光纤产生超连续谱的基础上，利用阵列波导光栅对超连续谱进行切处滤波，在波长附近，实现了波长的飞秒脉冲输出，这种光源可以用于系统的多信道传输过程，也可以作为波长可调的多波长飞秒脉冲激光器使用，有良好的利用价值。关键词：光纤通信光子晶体光纤（）波长变换超连续谱（）光纤参量放大器（）匕京邮电人学博十论文摘要”（），仔¨¨（），”（）”，哆（），：，珂行，“。，北京邮电人学博十论文摘要，（），。，巧，（），：，一，；衔，印行，（）、，北京邮电人学博

6、论文摘要（），（：，独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：塞垂迄！虱日期：之翌：亟：圣圣关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大

7、学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采片：影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：一王盘！虱导师签名：芦红日期：上鹫盥卫日期：量畸上互一北京邮电人学尊十论文第一章绪论第一章绪论本论文的研究工作是在以下项目资助下进行的：国家自然科学基会项目“光子晶体光纤及其在量子通信中应用的研究”（项目编号：）；北京市共建项目“光子晶体光纤及系统中若干重

8、要技术的研究（项目编号：）；北京市共建项目“现代通信系统中新型探测技术与接收模块的研究（项目编号：）。结合课题组承担的项目，本文对光子晶体光纤中的参量放大、波长变换及超连续谱光源进行了深入的理论和实验研究，并取得了可喜的研究成果。下面简要介绍课题的研究背景、研究意义以及本论文的主要研究工作。研究背景及意义光子晶体的概念在年由和提出¨一。光子晶体材料的出现，使人们可以像操纵电子那样操纵光子成为可能，因此，光子晶体也被称为“光半导体”，在全光通信中有不可估量的应用潜力。光子晶体光纤是光子晶体材料最成功的产品之一，年，英国大学的等人首次提出了具有规则微结构的光子晶体光纤的概念，并在年，和曲

9、等人采用毛细管堆砌的方法拉制出了世界上第一根光子晶体光纤口钔。光子晶体光纤一经产生，短短十年间已经取得了突飞猛进的发展，目前，光子晶体光纤已经成为光通信、非线性光学和光电子学等众多领域的研究前沿，在超连续谱的产生、激光器、参量放大、拉曼放大、高能量传输、光开关、波长变换、可调谐激光器、光纤传感等方面获得广泛的应用，并已经取得众多突破性成果。叫副光纤参量放大器研究光放大器是光纤通信系统中的关键部件之一。光在光纤中传输时，由于光纤的损耗，能量将会随着距离的增加呈指数衰减，因此，若要实现长距离光纤通信，必需借助于光放大器。目前，实用中的光放大器主要有三种：半导体光放大器、掺杂型光纤放大器和非线性光纤

10、放大器。半导体光放大器（）是利用粒子数反转状态的半导体结对光的增益效应来实现对光信号的放大，有行波型和腔型两种。半导体光放大器具有较快的动态增益特北京邮电人学博十论文第一章绪论性、价格低、能耗小以及宽的带宽等特性，可以工作在一的波长范围内，但是在进行多信道同时放大时，易引起交叉增益饱和、交叉相位调制以及四波混频等问题，影响通信系统的性能，因此，及光纤通信系统中一般不采用作为光放大器；目前掺杂型光纤放大器主要是指掺铒光纤放大器（），是比较理想的光放大器，它具有耦合损耗低、增益高、输出功率高以及泵浦功率低等优点，的出现使通信系统在十几年间得到了迅猛发展，但的增益带宽在波段，并且只有姗，随着的发展，

11、尤其是出现以后，增益带宽已经不能满足发展的需要，因此如何增加的增益带宽，从而形成宽带已成为的研究重点；非线性光纤放大器主要是利用光纤的非线性效应来实现光放大，其中主要有受激拉曼散射（）光纤放大器、受激布里渊（）光纤放大器和光纤参量放大器。光纤参量放大器（）是一种基于光纤非线性效应一四波混频效应（）的光参放大器，从上世纪七、八十年代就已经开始研究，特别是后来高非线性光纤（）的出现以及近十几年来光子晶体光纤（）的出现与发展，使光纤参量放大器受到了广泛关注和研究。在光纤的实现过程中，若要得到高增益和宽带宽，采用的光纤必需有高的非线性系数和较小的色散斜率，而普通的单模光纤和色散位移光纤非线性系数一般只

12、有。左右，色散斜率在，而近年来出现的高非线性光纤（）和光子晶体光纤（），尤其是光子晶体光纤，非线性系数能达到以上，甚至达到几十到几百，色散斜率降到姗以下，采用它作为光纤的非线性作用介质，可大大增加光纤的增益和转换带宽【】，增益可达以上，带宽则可达几十或几百纳米。同时，光纤的偏振敏感性问题也已得到很好的解决，实用性大大增强。目前，光纤参量放大器的研究主要在以下几个方面：一光纤参量放大器增益及带宽特性研究年，砷等人使用非线性系数为。的长的色散位移光纤，利用峰值功率为的泵浦源，在实现了增益为，带宽为的单泵浦光纤参量放大【。同年，他们又利用双泵浦源，在啦的带宽范围内实现了的增益【引。在这两个实验中，泵

13、浦光的波长都在光纤零色散波长附近，这有利于参量放大过程中的相位匹配。年，他们利用周期性色散补偿实现了泵浦波长胁，光纤零色散波长眦的单泵浦光纤参量放大，增益带宽为咖，最大增益【训。这个实验说明：对于远离光纤零色散波长的泵浦而言通过色散补偿可实现宽带放大。年，等人利用非线性系数为，的长的高非线性光纤，在的北京邮电人学博十论文第一章绪论带宽范围上实现了以上增益的单泵浦光纤参量放大，但是增益平坦度较差【】。年，等人报导了准相位匹配的光纤参量放大器增益增强的理论和实验研究【¨。实验利用分段放大和准相位匹配实现光纤参量放大器的增益增强，用三级色散位移光纤实现的增益改善，在泵浦和光纤零色散波长间隔

14、时获得了的增益。年，等人报导了在的增益带宽上获得增益的光纤参量放大器实验。同年等人报导了两泵浦光纤参量放大器的实验研究，实验获得在中心波长处的增益带宽上的开关增益【。随后，等人报导了利用两泵浦参量放大获得的平坦增益带刘。年，等人又报导了利用高非线性光纤在带宽上实现了平坦增益的双泵浦参量放大，这一实验，使光纤参量放大器的增益带宽首次超过的带宽【。在光纤参量放大中，为了增加泵浦功率必须对泵浦进行相位调制从而提高光纤的受激布里渊散射的阐值，这样会使得闲频光光谱的加宽。年，等人又报导了利用在两段高非线性光纤之间插入隔离器的方法增加光纤受激布里渊散射闽值，获得了开关增益的单泵浦连续波光纤参量放大坦们。同

15、年，等人报导了用多段非线性色散光纤配置实现宽带平坦增益的光纤参量放大【卜，仿真结果也显示，通过对多段光纤参数的优化配置，在的泵浦功率下可以得到姗以上的增益带宽并且平坦度非常好（增益变化小于）。，当泵浦功率到时，增益带宽可以超过姗。年，等人又通过增加脉冲峰值泵浦功率（）、增加光纤长度（），实现了一个衄范围上最高增益的单泵浦参量放大【。对于单泵浦光纤参量放大器而言，当泵浦光波长接近光纤零色散波长时可以实现宽带放大，当泵浦波长远离光纤零色散波长时，增益谱变成两个关于泵浦波长对称的窄带脉冲形增益谱，而且靠近泵浦波长处增益比较小。年，等人对以上的特性进行研究报导【】，指出如果窄带增益小于带宽，就可用于有

16、增益的窄带滤波器，而且这个带宽是可以调节的。年，等人又报导了光纤零色散波长随温度波动而发生波动，从而引起参量放大器的增益波动的研究。沿着光纤的温度分布导致了光纤零色散波长的分布，从而引起参量增益的改变【】年，等人报导了参量增益高达的光纤参量放大器，实验中他们利用了三段高非线性光纤，三段光纤的零色散波长分别为，和砌，泵浦光源为连续光光源，功率为。研究证明通过增大光纤的长度和非线性系数可以增大光纤参量放大器的增益，但是增大光纤的长度却引起光纤增益带宽变窄。所以在光纤参量放大器北京邮电人学博十论文第一章绪论配置中要用短的光纤，此外短的光纤还可以减小光纤零色散波长波动。因此可选用高非线性系数的光子晶体

17、光纤构造高增益的光纤参量放大器。早在年，等人报导了光子晶体光纤中四波混频的理论研究【】。实验中利用长的光子晶体光纤和的泵浦峰值功率获得的参量增益。此后，在光子晶体四波混频实验研究基础上，年，等人报导了光子晶体光纤参量放大器的实验研究【】。实验利用长的光子晶体光纤在增益带宽上获得的参量增益。二光纤参量放大器噪声特性的研究一般情况下光放大器在放大的同时都会伴有噪声的出现，在众多的光放大器中，光纤参量放大器的噪声是比较低的，甚至对于相位敏感的光纤参量放大器在理论上可以达到噪声放大。不过噪声放大在理论上是可行的，实验上也有研究，但是相位敏感放大器要得到广泛应用还是有一定的困难，其原因就在于光在光纤中传

18、播时，几个光波的相位控制与保持较难实现。年和年，等人报导了相位敏感光纤参量放大器的实验研究【】。实验中使用长的高非线性色散位移光纤，用一个环镜装置分离泵浦和信号光，在一定射频频率下得到的噪声指数。对于非偏振敏感光纤参量放大器而言，在理论上可以达到噪声的量子极限。年，等人报导了连续波频率调制泵浦光纤参量放大器的实验研究【，首次测试了单频率调制光纤参量放大器的增益和噪声指数实验获得的最大增益和的平均噪声指数。实验中使用光纤布拉格光栅滤波器（）滤去泵浦中的宽带放大的自发受激辐射（）噪声。年，等人报导了连续光光纤参量波长转换器的实验研究【。实验获得的开关转换增益和的噪声指数。同时，还研究了噪声指数与输

19、入信号功率和泵浦功率的关系，指出当泵浦功率低的时候，信号增益小从而噪声指数比较高，随着泵浦功率的增加噪声指数不断减小，然而当泵浦功率超过一定值时候，噪声指数反而上升了，也就是说存在最佳的泵浦功率。此外，的噪声指数还随着信号输入功率的增加而增加。但是在泵浦功率比较低，考虑泵浦消耗的情况下，噪声指数的变化趋势却是不同的。年，的报导了增益饱和光纤参量放大器噪声特性的实验研究【引，实验表明，随着输入信号光功率增加，输出信号功率增加，当增加到一定程度时出现增益饱和，输出信号功率达到最大值，随后信号输出功率减小，而信号噪声随着信号光功率增大而减小，当增益饱和时候信号噪声最小，随后信号噪声又增大了，从而得出

20、参量放大器的增益饱和导致信号光噪声压缩的结论。这在设计一个光纤参量放大器中是一个非常重要的结论，可以通过调节参量放大器的参数使放大器出现增益饱和，此时不但有最大北京邮电人学尊论文第一章绪论的信号光输出而且还有最低的信号噪声，但是继续增大输入信号功率，增强增益饱和深度却引起输出信号功率的降低和信号噪声的增加。年，等人报导了光子统计测试和光纤参量放大器噪声指数的研究，研究得到的参量放大器噪声【】。年，他们又报导了拉曼噪声对光纤参量放大器噪声指数限制的研究【。文中得到光纤参量放大器噪声指数的分析解表达式，并且指出考虑到对非线性的反应时间的存在，从而使噪声不可能低于。此后，在此理论研究基础上等人报导了

21、光纤参量放大器和波长转换器的噪声限制的实验研究【¨。该实验显示了无法避免的拉曼增益和信号及转换波的损耗引起了放大器和波长转换器的噪声性能的恶化。同年，的等人报导了光纤参量放大器的噪声特性的研究【。研究得到一个无泵浦消耗，无光纤损耗的理想光纤参量放大器的噪声特性的分析解。理论不仅适用与理想泵浦源，而且对有噪声的泵浦源也是适用的。年，鼬等人对两泵浦光纤参量放大器的量子噪声特性进行了研究【。研究发现，相互作用的边模数的增加会引起噪声的增加。然而，如果调节泵浦频率使四边模相互作用的频率带宽最大，信号和空闲光的噪声指数就不会比两边模相互作用的噪声指数高很多。年，等人报导了光纤参量放大器中低频强

22、度调制的泵浦到信号的转换的研究【。实验研究了泵浦相对强度噪声引起了增益的抖动，从而导致了输出信号功率的波动，恶化了放大器的噪声性能。除此之外，因为光纤的色散作用，在研究泵浦的相对强度噪声转换到输出信号的时候，还要考虑引起的走离效应。年，锄等人报导了这种光纤参量放大器泵浦噪声的走离效应【。实验显示的光纤长度可以得到的光信噪比，通过使用更长的光纤可以对信噪比改善。以上的研究都表明，泵浦光的信噪比对光纤参量放大器的噪声有很大的影响年，伊等人报导了泵浦光信噪比对光纤参量放大器噪声影响的实验研究【。用光和电两种测试方法测试光纤参量放大器的噪声，实验结果证明对于实际的光纤通信系统，泵浦光的信噪比最低也要达

23、到。此外，光纤的零色散波长的波动也会对此产生影响。年，等人报导了有光纤零色散波长波动的中泵浦相位调制和泵浦的相对强度噪声引起放大器值的损伤的研究【，实验对单泵浦和双泵浦都进行了研究，而且考虑了零色散波长有波动和无波动两种情况。研究表明，在无零色散波长波动的中泵浦相位调制导致了很大的值损伤，而光纤零色散波长的波动却减小了这种损伤。此外，对于短的光纤（小于）和低色散北京邮电人学博十论文第一章绪论斜率光纤（小于眦觚）而言，泵浦相位调制所引起的值的损伤很小可以忽略。因此，若采取非线性系数非常高的光子晶体光纤作为非线性介质则可解决此问题。三泵浦消耗对参量放大的影晌的研究在光纤参量放大器中，当泵浦光功率远

24、大于信号光功率时，泵浦光的消耗可以忽略不计，但是当泵浦光功率不是很大的时候，或着是相对于信号光不是很大时，就要考虑泵浦消耗的影响。所谓泵浦消耗就是在参量放大的过程中考虑泵浦光向信号光转换的效应，也就是说泵浦光功率是变化的。一般使用泵浦光向信号光转换的效率来衡量。年，等人报导了单模光纤中三波混频的精确解和空间稳定性的研列引。研究考虑了泵浦消耗的效应，预言了有沿光纤不变的特征解的存在，空间稳定性依赖与总功率和传播常数失配的大小。空间非稳定性特征解的出现很大程度上影响了三个波之间功率的转换，年，等人报导了考虑泵浦消耗情况下高效率光纤四波混频配置的设计的研究【。研究目的是通过选择最优化的光纤长度在零色

25、散波长处获得最大的转换带宽和最大的转换效率。最大的转换效率与输入泵浦功率的平方成下比。年，等人报导了光纤相位耦合效率的非线性增强和优化的研究【们。文章利用考虑光纤损耗和泵浦消耗的精确理论模型来进行研究，显示了如果泵浦在反常色散区且输入信号光远小于泵浦光功率，相位匹配的非线性失谐可能会增强转换效率。年，等人报导了光纤参量放大器中增益饱和依赖信号波长的研究【¨，对高增益饱和区的参量放大进行了理论和实验研究，研究表明在非饱和区泵浦功率向信号和空闲光方向转移，但是在增益饱和区功率转移的方向反转，即信号和空闲光功率转移到泵浦光，这样就降低了泵浦光向信号光的转换效率。研究还发现对于远离泵浦波长的

26、信号波增益饱和的比较快，主要原因在于相位失配是与功率相关的。年，柚等人报导了用的泵浦光功率在哪波长处用的色散位移光纤实现的泵浦转换【年，西。等人报导了宽带转换效率的双泵浦光纤参量放大器的研究【】。同年，等人报导了单泵浦光纤参量放大器宽平坦增益谱的优化研列“】。研究首先从不考虑泵浦消耗开始，通过对放大器参数的设计优化参量放大的增益谱，随后在考虑泵浦消耗的情况下进行优化研究。此外，泵浦光相位调制对光纤参量放大器的影响也被广泛关注和大量研究四光纤参量放大器应用研究从上世纪九十年代以来，光纤参量放大器（）以其高增益、宽带宽、北京邮电人学博十论文第一章绪论具有相敏特性（理论上可实现自发辐射噪声放大）巧弘

27、删、波长变换等显著优点在光通信领域引起了人们的关注。随着研究的进展，光纤技术在光通信诸如在线放大，归零码的产型，光时分复用【，透明波长变换【】，全光取样【】、光丌关、光脉冲生成、光解复用、脉冲压缩、再生等方面取得广泛应用。年报导了利用光纤的四波混频效应实现波长转换的实验研列。利用光纤零色散波长附近波长，信号从转换到，转换效率为年，他报导了用两个正交的不同频率的泵浦光进行四波混频实现偏振独立的波长转换【引。年，他报导了基于光纤参量放大器增益饱和的光功率均衡器的研究【，随着输入信号功率的增加，信号增益开始饱和，输出信号功率达到最大值。当信号光功率比较小的时候，信号增益比较大，当增加信号功率到一定值

28、时，出现增益饱和输出功率到最大值，此时即使信号功率有抖动，输出功率也不发生改变，从而实现了光功率均衡器的特性。年，锄等人报导了光纤参量放大器用作波长转换的研究【】。实验中使用一个偏振光束分束仪构成的环状配置去研究波段的波分复用光波能被转换至波段，且偏振敏感度低，交叉串扰也比较小。用光纤参量放大器做波段转换，实验在的转换带宽上利用的光纤获得小于的偏振敏感度和大于的转换效率。年，锄等人报导了用两泵浦光纤参量放大器实现偏振独立宽带波长转换，同时闲频光谱没有加宽的研究【】。研究使用二进制相移键控泵浦相位调制，目的是为了压缩同时却不引起空闲光的加宽，此外，研究了使用偏振正交的泵浦源实现信号非敏感的波长转

29、换。用这种方式，研究在的信号带宽上得到高于转换效率的偏振独立波长转换。年，“等人报导了用数字泵浦光纤参量放大实现全光再生器的研究【。】。年，等人报导了利用高非线性光纤组成的单泵浦和双泵浦光纤参量放大器实现全光信号的再生【】。同年，等人报导了基于光纤参量放大器的波长转换带宽研究【】。研究利用一个系统方式评估优化基于四波混频的光纤参量波长转换器的转换带宽和增益抖动。研究要求一个高的可调谐泵浦源，对于给定光纤色散斜率，发现一个最优的色散曲线可以得到最大的波长转换带宽年，瑞典大学的等人报导了内增益和波长转换效率的宽带连续波泵浦光纤参量放大器的研究【引。误码率测试显示，光纤参量放大器的性能与掺饵光纤放大

30、器差不多，这就说明了光纤参量放大器可以用于将来的光纤传输系统。年，等人对光纤参量放大器及其应用进行了系统的总结并进行了报引】。文章对单泵浦光纤参量北京邮电人学博斗论文第一章绪论放大器的理论进行阐述的同时提出了几个方面的应用，比如用做全光信号取样，时分解复用，脉冲生成和波长转换等。通过设计合适的光纤参数和泵浦波长配置，能够在任意波长获得高增益低噪声的参量放大，可以用于增加波分复用系统的信息容量。文章还提出可以使用更高非线性系数的光子晶体光纤构成更高增益的光纤参量放大器的思想。实际上，这一想法已经得到实现。此外，文章还预言将来的高泵浦激光器的实用化将导致光纤参量放大器在未来光纤通信系统中扮演一个重

31、要角色。年，嬲等人报导了基于光纤参量放大器的信号放大的研究【。，第一次在实验上实现了光纤参量放大器在系统中的应用。国内对光纤参量放大器的研究还处于起步阶段。清华大学王青等对高非线性光纤中抑制的方法做了研究，年，上海交通大学报导了用遗传算法优化多段光纤参数实现宽带单泵浦光纤参量放大【墙】。仿真实验通过对单泵浦光纤放大器的四段光纤的参数利用遗传算法进行优化，得到超过的平坦增益带宽。年，北京邮电大学我们实验室也进行了光纤参量放大及波长变换的研究超连续谱产生及超连续光源研究光源是光纤通信系统中的另一关键部件。近年来，光通信一直向着大容量、高速率方向发展，这样，在光纤通信系统中，减小信道间隔和增加信道数

32、成为密集波分复用技术进一步发展的趋势。能同时发射几个波长的多波长激光器对波分复用系统十分重要。当前通信系统中使用的激光器基本都是分立的光源，随着波长密集程度的不断提高，激光器之间的波长间隔控制越来越难，并且系统的成本越来越高。多波长光源则使这一问题迎刃而解，它使得光纤通信系统的信道数目增加，密集度加强，还可以使网络实时监控变得简单易行。在众多多波长光源中，超连续谱（，）光源是一种优点较为突出的光源。对于超连续谱产生，早在上世纪七八十年代，人们就已经对此现象进行了研究【舳】，但由于早期在光纤技术方面不够成熟，直到近十几年对它的研究才呈现出较快的发展。超连续谱是指当一束强度极大的超短光脉冲通过非线

33、性介质时，由于自相位调制（，）、交叉相位调制（）、受激喇曼散射（甜，）和四波混频（，）等非线性效应与光纤群速度色散（，）的共同作用，出射光谱中产生许多新的频率成分，光谱宽度远远大于入射光脉冲的谱宽，频谱范围从可见光一直连续扩展到紫外和红外区域。北京邮电人学博十论文第一章绪论超连续谱的产生主要有两种方法，一是压缩超短光脉冲得到宽的频谱，另外就是利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。现在最流行的、报道最多的是利用光纤或光放大器的非线性产生超连续谱，其中利用光纤产生宽连续谱最为经济实用，也最引人注目。年，报道了在玻璃中的超连续谱产生，利用波长的皮秒脉冲得到了啪衄的超连续谱【引，但真下在光纤中产生超连续谱的

34、实验是年由报道的，他们用纳秒脉冲在（零色散点在咖左右）普通硅光纤中在长波带产生了覆盖的超连续谱，这次的光谱展宽主来是由拉曼散射和自相位调制造成的。年代，随着飞秒光脉冲的产生，超短脉冲放大技术将飞秒脉冲峰值功率密度提高到了咖，超连续光谱宽度及转换效率显著提高，同时对于超连续谱产生的物理机制有了较为明确的解释。年代后，瓦级超高亮度飞秒光脉冲的获得，为超连续光谱的更深入研究提供了新的前景。等人首先在气体介质中获得了高转换效率的宽光谱，边缘光谱强度比中心强度仅低个数量级，而在使用级飞秒激光之前，超连续谱的这个比值要低于个数量级以上。光纤超连续谱技术能在广阔的光谱范围内同时产生高重复率的多波长光脉冲，由

35、于它具有高的输出功率、平坦的宽带光谱、高度的空间相干性（聚焦）等特性，能大大提高信噪比、减小测量时间以及加宽光谱测量范围。产生高质量超连续谱脉冲的关键是合适的抽运光源和光纤。目前，产生谱的光纤主要有色散位移光纤。】、锥形光纤【。】、光子晶体光纤（）【。】等等，单模光纤中产生谱的技术已经比较成熟，中谱的产生是近年来的研究热点，研究表明使用可以产生宽带平坦的谱。超连续效应在光子晶体光纤中的大多报道是在反常色散区进行泵浦，或者零色散波长在可见光波长和红外波长区，大多数实验利用飞秒脉冲进行泵浦，这使得光谱得到极大的展科。年，等提出利用色散渐减光纤展宽频谱【，等提出利用色散从正值减小到负值的色散平坦光纤

36、可以产生更宽的频谱【】。同年，等提出利用具有凸色散曲线的色散渐减光纤可以产生超连续剖】，并进行了数值模拟，年，和鼬提出利用具有恒定正色散的色散平坦光纤可以产生超连续谱【儿】，并进行了实验验证，近年来，研究人员提出了利用色散平坦光子晶体光纤【¨、锥型光纤和保偏高非线性色散位移光纤等特种光纤来产生超连续谱【】，并己经取得了较好的展宽结果。采用光子晶体光纤可以使产生超连续谱所需要的光强度大大降低，在普通光纤中，产生超连续谱需要的光强度至少比中需要的光强度高两个数量级，因此采用较低能量的飞秒孤子光脉冲即可产生宽带的超连续光谱。年，等人首次报道了中的超连续谱产生，他们采用未经放大北京邮电大学博

37、十论文第一章绪论的量级的飞秒脉冲在中产生了个倍频程（）的超连续光谱。从此，在中产生超连续光谱便成为一个新的研究热点。年，丹麦的的研究小组利用锁模钛宝石激光器输出的重复频率，波长的脉冲在下常色散区泵浦长，获得了的超连续谱，而且谱的形状对泵浦功率的波动不敏感¨。年，英国大学报道了利用重复频率、脉宽的可调谐钛宝石激光器泵浦长，得到了以上的超连续展宽¨，年，德国锄大学的等又报道了被动锁模：激光器峰值泵浦功率为时，在中得到从到的谱，并得到的平均输出功掣在年的一个实验中，香港大学的等人用平均功率为的脉冲在一段米长的色散平坦光子晶体光纤中产生了姗范围的超连续谱【。虽然如此，但目前的价格依

38、旧是比较昂贵的，这样会大大增加了系统的成本，从而不利于开展广泛的基础性研究工作，因此，近年来在高非线性色散位移光纤（）中的超连续谱研究也是一大热点。目前商品化的光纤纤芯掺锗提高纤芯的折射率，并且用一种深拉技术来减小有效模场面积，从而获得高非线性系数，现有商品的非线性系数值从锄。到，在附近的损耗一般只有胁。年，美国大学的”等人利用非线性系数为一，的得到的超连续谱具有唧的带宽【，其中反斯托克斯一侧在姗范围内具有±的均匀性，功率谱密度；在斯托克斯一侧，范围内具有±的均匀性，功率谱密度，年，日本”大学的等报道了利用保偏高非线性色散位移光纤（），在平均泵浦功率时，得到到的超连续光谱，带宽达，他们还将光纤缩短至，得到了到的超连续输出【吣。超连续光源则是基于超连续谱的脉宽和波