非线性偏振旋转在光纤激光器中的应用研究论文.doc

非线性偏振旋转在光纤激光器中的应用研究摘要:对主动锁模和被动锁模以及主被动杂合锁模机制的结构原理及优缺点进行了分析比较，对光纤和半导体光放大器（SOA）中的非线性偏振旋转效应（NPR）及其在光纤锁模激光器中应用进行了调查研究，分析了使用外部光注入SOA充当调制器和利用SOA中NPR效应在光纤激光器中实现主被动锁模需要解决的关键问题。关键词：非线性偏振旋转；半导体光放大器；主被动锁模；光纤激光器一. 课题的提出与研究的意义 锁模光纤激光器能产生稳定的高重复频率超短光脉冲，是高速光纤通信系统中极具潜力的一种光源。锁模光纤激光器按锁模方式分为主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器和主被动混合锁模光纤激光器等三大类。主动锁模和被动锁模都有其各自的优缺点，为了让锁模光纤激光器在光通讯系统能更好的得到应用，提高光纤激光器的输出脉冲质量，采用主被动杂合锁模的方法具有非常重要的研究意义。二. 本课题国内外的研究现状分析采用主被动锁模技术，大大改善了主动锁模光纤激光器的输出脉冲质量，成为研究的前沿课题。主动锁模光纤激光器具有输出脉冲啁啾小、重复率高且输出功率较高的特点。文献1中，彭璨等人报道了电吸收调制器(EAM)和半导体光放大器(SOA) 构成的主动锁模。其中SOA 作为增益放大器件，在锁模脉冲形成过程中为腔内提供足够增益。EAM是实现主动锁模的关键器件，在EAM上加正弦微波信号，利用其陡峭的调制曲线对腔内损耗进行调制以获得窄脉冲。从实验结果比较，由EAM和SOA构成的锁模光纤激光器的短期和长期稳定性较铌酸锂调制器和EDFA组成的锁模光纤激光器为好，无需加任何反馈控制回路，其输出脉冲在连续6 h 内均可保持较小的时间抖动和幅度抖动(时间抖动在117 ps 以内，幅度抖动在6 %以内)，输出光谱也相当稳定。文献2，王林，马晓红等人论述了主动谐波锁模掺铒光纤环形激光器(AHML-EDFL)。LiNbO3作为强度调制器，通过改变调制器的调制参数来使得满足腔内谐振条件的某一边模振荡的模式损耗比其他所有模式损耗都低，致使该模的振荡幅度比其他模都要强些，由此造成输入到调制器上的光场主要是受到该边模所含有的调制频率谐波分量的幅度调制。因而，通过调节调制器的调制参数来控制谐振腔中的模式损耗，以获得所需的高阶锁模脉冲序列。通过实验与理论分析我们认为利用调制器的非线性特性，即它的频率变换功能来产生高阶脉冲是一种较好办法，它拓展了调制器的调制速率，使得调制器的调制性能更为丰富。文献3，于晋龙，马晓红等人报道了重复频率为20GHz、输出脉冲宽度为12.4ps、波长可调谐范围为16nm的注入锁模光纤激光器的实验。该激光器具有稳定、对偏振不敏感、波长可调谐的优点，其基本原理是采用半导体光放大器作为调制器件，将高重复频率的窄光脉冲注入半导体光放大器中，利用半导体光放大器的交叉增益调制和自相位调制(SPM) 效应，对锁模激光器进行调制，得到高复速率、波长可调谐的窄光脉冲输出。文献4，华颖，于晋龙等人提出了一个新的全光时钟提取方案：首先在复用的过程中使相邻码的时间间隔不相等，获得不均匀复用信号。然后将复用后的光脉冲信号作为调制信号注入到主动光纤锁模激光器。当单路谐波分量与光纤锁模激光器的纵模相符合时，就可以提取到复用前的光时钟脉冲。利用此方案，完成了从2×10GHz中提取10GHz和20GHz时钟的实验。文献5，张劲松，李唐军等人研究了主动有理谐波锁模激光器实验，文中采用形腔结构，靠光纤光栅来做反射镜并确定激射波长;与传统的线形主动锁模光纤激光器不同的是，在调制器的输入端还插入了一实验室自制的偏振控制器(PC)。保证了激光在调制器中的单向传输，提高了稳定性。此实验实现了锁模光纤激光器输出光脉冲重复频率对RF驱动频率的倍增，得到了重复频率10GHz50GHz输出脉冲。文献6，吕捷，于晋龙等人报道了基于注入锁模光纤激光器进行全光时钟的提取实验。其原理是首先从10Gb/s伪随机码信号中提取出波形很好的10GHz时钟信号，然后利用半导体光放大器的交叉增益调制(XGM) 和交叉相位调制(XPM) 特性，10GHz时钟信号直接注入半导体放大器中，调制光纤环形激光器腔内的损耗或相位，在腔长匹配的条件下形成锁模,得到高重复速率、波长可调谐的时钟脉冲输出。实验成功地从40Gb/s伪随机码信号中提取出了40GHz时钟信号。文献7，Terji Durhuus，Benny Mikkelsen等人理论研究了基于半导体光放大器（SOA）的主动锁模光纤环形激光器。分析了SOA主动锁模与线宽扩大因素的影响以及之间的关系参数，提出了一个常规SOA主动锁模光纤环形激光器和外部振幅调制器的分析模型，使用SOA作为增益介质，用在被动锁模激光器中利用可饱和吸收体进行时域分析的方法来分析主动锁模激光器。文献8，Can Peng，Minyu Yao等人介绍了相对于以前较先进的多切面光学放大器的动态模型，其密度分布在纵向和面反射，影响着信号产生非线性。在这里，作者使用模型来研究互调失真和串扰，使用光学放大器，用实验测量的互调失真和串扰验证了该模型。文献9，L. Zhan，P. H. Wang等人报道了在光纤环形激光器中使用非线性偏振旋转技术产生振幅均衡的高阶任意分子的有理数谐波锁模（RHMLed）脉冲。实验中使用非线性偏振旋转技术(NPR)，对于变化的脉冲幅值分布进行修改分子的方法，有利于实现振幅均衡的高阶有理数谐波锁模。结果表明当分子是3而不是1时，实验获得了高达10倍脉冲振幅一致的有理数谐波锁模脉冲序列。文献10，王肇颖，胡智勇等人报道了一种新型环形腔可调谐多波长光纤激光器，腔内以半导体光放大器为增益介质，利用高双折射光纤构成的高双折射环形镜的滤波特性;同时，高双折射光纤环形镜作为滤波器，放置在由SOA构成的环形腔光纤激光器内，得到了17 个以上的波长，并实现了这一组波长在50 GHz 范围内整体连续可调谐。这是一种获得可调谐多波长输出的简单易行方法。文献11，戴科辉，张新亮等人提出一种腔内损耗小的基于半导体光放大器(SOA)交叉增益调制效应(XGM)的主动锁模光纤激光器结构。半导体光放大器既是环形腔激光器的增益元件，又是引入环形腔增益周期性调制的元件，同时利用光环行器取代其中的一个耦合器将外部控制光脉冲引入环腔内，这样可减小环形腔内的损耗，获得更高的输出功率。实验实现了10 GHz的三阶有理数锁模和20 GHz的谐波锁模，得到了高重复频率的超短光脉冲输出。20 GHz的谐波锁模输出能够在40 nm范围内可调且超短光脉冲输出稳定，输出功率较大。文献12是江光裕的硕士学位论文，文中建立了基于SOA非线性偏振旋转效应的谐波锁模光纤环形激光器理论模型，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形激光器输出脉冲的波形、峰值功率、脉冲宽度的影响。文献13是南开大学马宁的硕士学位论文。文章重点在理论和实验方面研究了光纤调Q激光器和锁模光纤激光器。对主动锁模光纤激光器进行了理论分析和实验研究，在主动锁模掺铒光纤环形腔激光器中实现了2.5GHz、5GHz的谐波锁模，并在2.5GHz的调制频率下获得了二、三、四阶的有理数谐波锁模脉冲。文献14，王肇颖，余震虹等在理论上分析了利用非线性光学环形镜作为等效可饱和吸收体压缩脉冲进行锁模的物理机制，由一个作为可饱和吸收体的非线性环形镜(NOLM)和作为主动锁模元件的电光调制器构成“8”字腔主被动锁模光纤激光器，在非线性光学环形镜中采用色散位移光纤，除了增大非线性之外，色散位移光纤降低了两束光在空间上的展宽，提高了它们在耦合器处的重叠率，从而获得最大的透射率，减小反射损耗，利用8字形主被动混合锁模的结构在调制频率2.498749 GHz下，在1.543m处获得了12 ps的锁模脉冲输出。三锁模光纤激光器所谓锁模就是相位锁定，它是对激光束进行调制，使激光的不同振荡纵模具有确定的相位关系，从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。锁模激光脉冲宽度可达 10-1110-14s，同时也具有较高的峰值功率。3.1 主动锁模光纤激光器主动锁模光纤激光器主要是指在激光腔内插入主动调制期间或外界有相关脉冲注入，利用这些主动因素对激光腔内光波进行调制来实现锁模。因而主动锁模方法又可以分为两类：振幅或相位损耗调制和同步锁模。RF driverOut putCFilterEDFSMF or DSFISODC bias ModulatorWDMPump laser PC图1 主动锁模光纤激光器结构典型的主动锁模光纤激光器的结构如图1所示。980nm或1480nm LD泵浦的掺铒光纤（EDF）、波分复用耦合器（WDM）、泵浦光源、LiNbO3相位或强度调制器（FM orAM Modulator）、光隔离器（Isolator）、偏振控制器（PC）、滤波器（Filter）和输出耦合器是谐振腔的基本组成部分。环形腔内任何一个器件的都会对输出脉冲的性能产生影响。腔内主动的锁模器件是一个高速LiNbO3调制器，它对光波的调制方式有两种：一种是振幅调制(损耗调制);另一种是相位调制。调制器在正弦电压信号驱动下产生周期性的损耗或周期性的相位变化，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。由于LiNbO3调制器是偏振敏感元件，所以常在调制器前安置一个偏振控制器来调节入射到调制器的光场偏振态。光隔离器被用来确保主动锁模掺铒光纤环形腔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。为了避免超模噪声，可在腔内插入延迟线。其中有一种主动锁模激光器是利用光纤非线性效应，主要是XPM 效应来实现主动锁模，工作原理是用腔内的一段单模光纤作为一个相位调制器，当向腔内注入波长为p的光脉冲序列时，该波长的光与光纤环形腔中波长为s的信号光相互作用，形成交叉相位调制，由此对信号光s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信号。主动锁模激光器的优点主要体现在以下几个方面：（1）脉冲啁啾小，可以产生近变换极限的无啁秋脉冲;（2）重复频率高且可以控制，利用有理数谐波锁模技术还可以突破“电子瓶颈”的限制产生几百GHz的光脉冲;(3)输出波长的调谐范围大，几乎可以覆盖整个EDFA增益的范围;（4）输出脉冲峰值功率高并具有很高的信噪比，这一点对OTDM系统是非常有利的;（5）激光腔结构灵活，可以很方便的根据需要构成各种腔结构实现锁模运转。但是，主动锁模光纤激光器的稳定性叫较差是制约其应用的一个主要因素，影响主动锁模光纤激光器稳定性的因素是多种多样的。腔内光纤长度或折射率受环境影响发生变化、微波调制频率的漂移等会造成腔长与调制频率的不匹配，导致脉冲逐渐塌陷，这被称为激光器的长期不稳定性。除此之外，主动锁模光纤激光器腔内还存在着短期不稳定性的问题。3.2 被动锁模光纤激光器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镜）产生锁模脉冲的。光纤的非线性偏振旋转在环形腔光纤锁模激光器中可以起到饱和吸收体的作用，其原理如图3-2中所示。 OutputPumpEDFIso lator图2 被动锁模光纤激光器结构当两束或多束光波同时在光纤中传输时，它们将在光纤中发生相互影响。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，由隔离器(Iosatlor)出来的光被PC1，变为椭圆偏振光，它在X方向和Y方向有不同的光强，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XPM效应，沿X方向的偏振分量和沿Y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。被动锁模光纤激光器是利用光纤中的非线性效应来实现被动锁模的，它无须外加电调制信号或外界注入脉冲，被动锁模激光器结构简单，是真正的全光器件。它可以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。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。3.3 基于非线性偏振旋转效应的被动锁模光纤激光器非线性偏振旋转被动锁模的基本原理是强度相关饱和吸收，即低强度光被吸收，而高强度光可以通过。但是，非线性偏振旋转效应本身是会饱和的，这就是说当光强大于某一临界值时，激光腔的传输率不是随着光强的增大而增大，而是随着光强的增大而减小，不同于被动锁模光纤激光器，现在在激光腔内插入了一段较长的单模光纤(SMF)，用来增大激光腔内非线性效应，另外还有一段保偏光纤(PMF)，偏振相关隔离器和保偏光纤一起组成了一个在线型的周期性光纤滤波器。它的波长间隔由公式 =2/(nL) 决定，其中n和L分别是保偏光纤的双折射和长度。3.4 主被动杂合锁模光纤激光器 待添加的隐藏文字内容1 图3 主被动杂合锁模光纤激光器结构由于主动锁模光纤激光器的弛豫振荡和超模噪声劣化了输出脉冲的质量。特别是当采取有理数谐波锁模技术时，在阶数大于2的情况下，输出锁模脉冲将出现较大的幅度波动，这种幅度噪声是光纤通信系统所不允许的。为了改善主动锁模光纤激光器的输出脉冲质量，人们多采用主被动联合锁模的方法，其中“8”字型腔激光器就是一种典型的主被动联合锁模激光器结构，它的结构如图 3所示。它实际上是主动锁模掺铒光纤环形腔激光器加上了一个由非线性光学环行镜（NOLM）构成的附腔。NOLM 中的 XPM 效应使其具有可饱和吸收体的性质，所以可以被作为被动锁模器件，环中的一段色散位移光纤（DSF）主要是用来增大光纤的非线性效应。从主动锁模环中输出的脉冲注入到NOLM附腔，利用NOLM的非线性效应来消除弛豫振荡、超模噪声和幅度波动造成的不利影响，从而获得高质量的锁模脉冲。3.5 半导体光放大器（SOA）及工作原理半导体光放大器是光放大器的一种，体积小、结构简单、成本低、不需抽运源、易于同其它光器件和电路集成,近几年来发展很快。可以用作功率放大、中继放大和接收机前置放大外，还可以在波分复用系统中作波长转换器或构成光开关阵列及光交换系统。半导体光放大器工作原理半导体光放大器的工作原理与半导体激光器一样，都是通过半导体增益介质的粒子数反转引发受激辐射产生光放大，不同的是半导体激光器放大的是内部电子空穴复合产生的光子，而半导体光放大器放大的是外部输入的光子或光信号。半导体光放大器有法布里-珀罗光放大器(FP-SOA)和行波光放大器(TW-SOA)两种。FP-SOA实际上就是一个工作在阈值电流以下的半导体激光器，它的增益谱宽很窄。在光纤通信中有实际应用价值的是行波半导体光放大器(TW-SOA)，它是把半导体激光器两解理面进行理想增透，入射光信号在这种放大器中仅经历单程放大。半导体光放大器（SOA）具有交叉增益调制效应。利用半导体光放大器（SOA）的交叉增益调制作用可以实现波长变换。本课题可以利用半导体光放大器（SOA）的这一效应在光纤环形激光器中得到峰值高、脉宽窄的谐波锁模脉冲。四本课题的关键问题及解决问题的思路如何建立锁模机制，是实现叠加脉冲的关键所在。在本文中，SOA的任务之一是作为激光增益介质，第二功能是引进非线性偏振旋转效（NPR）作为被动锁模机制，同时强度调制器（IM）又是偏振片，可以结合到SOA环形腔。强度调制器（IM）和半导体光放大器（SOA）能够产生非线性偏振旋转（NPR），通过强度调制器（IM）和这种非线性偏振旋转（NPR）作为调制损耗，对腔内光波进行调制，因此，光偏振的控制是非常重要的。第一个偏振控制器PC1用于调整输入信号的偏振态，到 SOA TE模的方向大约是45度。由于质子交换铌酸锂调制器的光波导特征强烈依赖于偏振片，只有TM模可以通过调制器传输光波。因此，调制器还可以作为检偏器去实现加成脉冲锁模。第二个偏振控制器PC1用来调整SOA输出光场的偏振方向。五结论通过阅读大量的参考文献，对国内外研究小组对于锁模激光器的研究进展进行了调查，确定了本课题的研究方案，提出并解决了本课题的关键问题，为完成课题打下了良好的基础。参考文献1 彭璨，姚敏玉，张洪明，等.10GHz主动锁模光纤激光器J.中国激光，2003，30(2)：101-104.2 王林，马晓红，于晋龙，杨恩泽，张以谟，陈才，黄超.主动谐波锁模掺铒光纤环形激光器调制特性研究J.光学学报，2000，27（6）：493-499 3 于晋龙，马晓红，杨天新，丁永奎，戴居丰，杨恩泽. 20 GHz 注入锁模光纤激光器实验J.光学学报，2002，22（2）：253-256 4 华颖，于晋龙，马晓红，陈永诗，杨恩泽.基于注入锁模光纤激光器的OTDM时钟提取技术实验研究J. 高技术通讯，2002，08：13-165 张劲松，李唐军，黄力群，简水生. 主动有理谐波锁模光纤激光器J. 电子学报，2000，11：43-456 吕捷，于晋龙，李亚男，王宏丽，杨恩泽. 基于注入锁模激光器的40 Gb /s 全光时钟提取J. 光学学报，2005，25（10）：1307-13127 Terji Durhuus, Benny Mikkelsen, and Kristian E. Stubkjaer, Member, ZEEE.“Detailed Dynamic Model for Semiconductor Optical Amplifiers and Their Crosstalk and Intermodulation Distortion，”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 1056-1063，(1992).8 Can Peng, Minyu Yao, Janfeng Zhang, Hongming Zhang,Qianfan Xu, Yizhi Gao.“Theoretical analysis of actively mode-locked fiber ring laser with semiconductor optical amplifier，”Optics Communications. 209, 181192(2002)9 L. Zhan, P. H. Wang, Z. C. Gu, S. Y. Luo and Y. X. Xia. “Amplitude-equalized high-order arbitrary numerator rational harmonic mode-locked pulse generation in fiber-ring lasers using nonlinear polarization rotation，” Optical Society of America.140，836-841，（2005）.10王肇颖，胡智勇，包焕民，姜骁骏，贾东方，李世忱. 基于半导体光放大器的可调谐多波长光纤激光器J. 光学学报，2006，35（3）：321-32311戴科辉，张新亮，徐帆 ，黄德修.基于半导体光放大器交叉增益调制效应的主动锁模光纤激光器J. 光学学报，2006，33（3）：293-29712江光裕. 基于SOA主动锁模光纤激光器的特性研究DB/OL.西南大学，2006.13马宁. 调Q和锁模光纤激光器的研究DB/OL. 南开大学，2001.14王肇颖，余震虹，高培良. 8字形主被动锁模掺Er3+光纤激光器J.光学学报,2003,23,:1341-1345.