锁模光纤激光器及其应用研究.docx

华中科技大学

博士学位论文

锁模光纤激光器及其应用研究

姓名：张巍巍

申请学位级别：博士

专业：光电信息工程

指导教师：孙军强

20090110

华中科技大学博士学位论文

摘


要

超短脉冲光源是目前非线性光学、超快光学技术领域中的一个非常活跃的前沿

课题，也是实现光纤通信系统超高速、大容量传输的关键技术之一。因此，对产生

超短脉冲的锁模光纤激光器的理论和实验研究具有非常重要的意义。另外，波分复

用(WDM)与光时分复用(OTDM)是目前扩大光通信容量的有效途径。积极探索锁模

光纤激光器在WDM以及OTDM系统中的潜在应用，比如作为多波长超短脉冲光

源、实现时钟提取与时钟分频等，也具有重大应用价值。本论文从理论和实验两方

面对锁模光纤激光器进行了较为深入细致的研究，并对其在WDM/OTDM中的应

用进行了探索性研究，全文内容如下：

(1)针对8字形锁模光纤激光器以及非线性偏振旋转(NPR)锁模光纤激光器，均

利用了非线性薛定谔方程以及Ginzburg-Landau方程相结合建立了数学模型。通过

利用分步傅里叶方法对两个模型进行了数值研究，分析了两种激光器腔内各元件参

数对形成的锁模脉冲中各参数的影响，模拟了锁模脉冲在激光腔内的形成过程。

(2)利用包含高非线性光纤和掺铒光纤的非线性放大光环形镜(NALM)构成的8

字形锁模光纤激光器，在实验上得到了包括类噪声脉冲、孤子脉冲以及绑定孤子脉

冲的输出。其中，类噪声脉冲中含有的孤子分量其脉冲宽度为773fs，孤子脉冲的

脉冲宽度为2.03ps。另外，在含有高非线性光纤的非线性偏振旋转锁模光纤激光器

中也得到了类噪声脉冲输出。

(3)利用色散补偿光纤(DCF)同基于单端半导体光放大器(RSOA)的注入型主动

锁模光纤激光器相结合，在实验上得到了重复频率为10GHz，脉冲宽度均在23.3ps

附近的3波长锁模脉冲同时输出。通过增加额外的SOA给环腔提供增益，得到了

重复频率为10GHz的6波长锁模脉冲稳定输出。该多波长锁模光纤激光器可以方

便地实现多个波长的同时调谐，而且对外界注入光频率及波长的漂移、对环腔长度

的扰动等都有很好的容忍度。另外，利用作为梳状滤波器的光纤延时干涉仪同基于

RSOA的注入型主动锁模光纤激光器相结合，也得到了重复频率10GHz的5波长

锁模脉冲输出。在腔内额外加入SOA提供增益的情况下，波长数扩展到了8个。

I

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(4)利用DCF同基于RSOA的注入型主动锁模光纤激光器相结合，在实验上得

到重复频率为10GHz的注入时钟信号的稳定二阶、三阶以及四阶全光时钟分频。

该结构对注入的时钟脉冲信号不要求其本身就含有分频分量。

(5)对利用turbo-switch结构产生超宽带(UWB)信号进行了数值和实验研究。使

用SOA的分段模型，数值上分析了利用级联turbo-switch结构产生一对极性相反的

UWBmonocycle信号以及一UWBdoublet信号。在实验中，利用两个RSOA构成

的turbo-switch结构产生了中心频率为3.33GHz，10dB带宽为5.47GHz，相对带宽

165%的UWBmonocycle信号。

关键词：非线性放大光环形镜


非线性偏振旋转


色散补偿光纤

多波长锁模

全光时钟分频

II

超宽带

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Abstract

Ultrashortopticalpulsesourceisanattractiveresearchfrontierinnonlinearoptics
andultrafastoptics.Itisalsoakeytechnologytorealizeultra-highspeedoptical
communications.Therefore,boththeoreticalandexperimentalresearcheson
mode-lockedfiberringlaserhavegreatsignificance.Inaddition,wavelengthdivision
multiplexing(WDM)andopticaltimedivisionmultiplexing(OTDM)aretwoeffective
methodstoenlargethetransmissioncapacityoftheopticalcommunicationsystems.Itis
usefultoex