光子晶體光纖參量放大器與超連續(xù)光源理論與實驗研究

1、北京郵電大學博士學位論文光子晶體光纖參量放大器與超連續(xù)光源理論與實驗研究姓名：王秋國申請學位級別：博士專業(yè)：電磁場與微波技術指導教師：楊伯君20090420北京郵電人學博十論文摘要光子晶體光纖參量放大器及超連續(xù)光源理論與實驗研究摘要本論文是圍繞以下項目展開的：國家自然科學基金項目光子晶體光纖及其在量子通信中的應用的研究（），北京市共建項目光子晶體光纖及系統(tǒng)中若干重要技術的研究（）和現(xiàn)代通信系統(tǒng)中新型探測技術與接收模塊的研究（）。結合課題的要求和主要目標，在對光子晶體光纖（）傳輸特性研究的基礎上，對其應用展開研究。由于光子晶體光纖（）在色散與非線性方面具有普通單模光纖沒有的特性，它能在一個較寬的

2、頻帶內(nèi)保持單模特性，它的零色散點可以在”之間變化，它的纖芯可以比較小而產(chǎn)生較大的非線性，丫值在處可達到。利用它做成有源器件，在光通信中，特別是波分復用系統(tǒng)中是很有前途的，如寬帶色散補償、光脈沖壓縮、波長變換、超連續(xù)譜產(chǎn)生和光放大器等。本文對光子晶體光纖在光纖通信系統(tǒng)中的應用：如光纖參量放大器技術、波長變換技術及超連續(xù)光源方面的應用進行了理論與實驗研究。光纖參量放大器是即摻鉺光纖放大器（）、拉曼放大器（）及半導體光放大器（）后出現(xiàn)的一種光放大器，光纖參量放大器以其高增益、寬帶寬等優(yōu)點，應用潛力非常廣泛，發(fā)展?jié)摿薮?；波長變換則是全光網(wǎng)及光交換過程中的關鍵技術之一，利用這一技術可以實現(xiàn)在線開關等全

3、光操作過程；超連續(xù)光源則是基于超連續(xù)譜的寬帶波長可任意提取的超寬帶光源，它提供了一種在很寬的光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生超短脈沖的非常經(jīng)濟的技術和方法，從而作為新一代多載波光源受到業(yè)界廣泛關注。本文的主要工作與創(chuàng)新點（黑體部分）介紹如下：利用色散平坦光子晶體光纖構建了光纖參量放大器，完成了光子晶體光纖中的參量放大器實驗，實驗中觀測的增益帶寬為。理論上分析了光子晶體光纖參量放大器的增益特性、相敏特性和帶寬特性，數(shù)值模擬分析了光子晶體光纖的非線性系數(shù)、色散、泵浦功率以及光纖長度等參數(shù)對參量放大的增益和帶寬的影響。利用光纖中的四波混頻進行了波長變換的實驗研究，成功進行了波長附近的波長變換，實際測量波長變換帶寬為北

4、京郵電人學博十論文摘要帶寬為，最高轉換效率為一，同時也實現(xiàn)了全光頻移型的光開關操作。詳細介紹了光子晶體光纖的幾個突出優(yōu)點：單模傳輸特性、高非線性效應、可控色散特性和雙折射特性。在此基礎上，討論了光子晶體光纖在有源器件中的應用，同時介紹了它在各應用領域中的優(yōu)勢。利用脈寬為脈沖，以被動鎖模光纖環(huán)激光器為光源，在色散平坦光子晶體光纖中進行超連續(xù)譜產(chǎn)生的實驗，當泵浦平均功率為時，經(jīng)過光子晶體光纖后得到帶寬為的超連續(xù)譜。同時，系統(tǒng)分析了自相位調(diào)制、四波混頻和受激拉曼散射等因素對光子晶體光纖中超連續(xù)譜產(chǎn)生的影響。以色散平坦光子晶體光纖為非線性介質，利用光纖的非線性效應，進行了飛秒脈沖產(chǎn)生超連續(xù)譜的實驗。激

5、光器產(chǎn)生的激光脈沖，經(jīng)一段約米和的普通單模尾纖被展寬為，利用此光源，以波長為中心波長，獲得了譜寬達的超連續(xù)譜。在飛秒脈沖在色散平坦光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的基礎上，利用陣列波導光柵對超連續(xù)譜進行切處濾波，在波長附近，實現(xiàn)了波長的飛秒脈沖輸出，這種光源可以用于系統(tǒng)的多信道傳輸過程，也可以作為波長可調(diào)的多波長飛秒脈沖激光器使用，有良好的利用價值。關鍵詞：光纖通信光子晶體光纖（）波長變換超連續(xù)譜（）光纖參量放大器（）匕京郵電人學博十論文摘要”（），仔¨¨（），”（）”，哆（），：，珂行，“。，北京郵電人學博十論文摘要，（），。，巧，（），：，一，；銜，印行，（）、，北京郵電人學博

6、論文摘要（），（：，獨創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。本人簽名：塞垂迄！虱日期：之翌：亟：圣圣關于論文使用授權的說明學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬北京郵電大

7、學。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱：學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采片：影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定）保密論文注釋：本學位論文屬于保密在一年解密后適用本授權書。非保密論文注釋：本學位論文不屬于保密范圍，適用本授權書。本人簽名：一王盤！虱導師簽名：蘆紅日期：上鷲盥衛(wèi)日期：量畸上互一北京郵電人學尊十論文第一章緒論第一章緒論本論文的研究工作是在以下項目資助下進行的：國家自然科學基會項目“光子晶體光纖及其在量子通信中應用的研究”（項目編號：）；北京市共建項目“光子晶體光纖及系統(tǒng)中若干重

8、要技術的研究（項目編號：）；北京市共建項目“現(xiàn)代通信系統(tǒng)中新型探測技術與接收模塊的研究（項目編號：）。結合課題組承擔的項目，本文對光子晶體光纖中的參量放大、波長變換及超連續(xù)譜光源進行了深入的理論和實驗研究，并取得了可喜的研究成果。下面簡要介紹課題的研究背景、研究意義以及本論文的主要研究工作。研究背景及意義光子晶體的概念在年由和提出¨一。光子晶體材料的出現(xiàn)，使人們可以像操縱電子那樣操縱光子成為可能，因此，光子晶體也被稱為“光半導體”，在全光通信中有不可估量的應用潛力。光子晶體光纖是光子晶體材料最成功的產(chǎn)品之一，年，英國大學的等人首次提出了具有規(guī)則微結構的光子晶體光纖的概念，并在年，和曲

9、等人采用毛細管堆砌的方法拉制出了世界上第一根光子晶體光纖口鍆。光子晶體光纖一經(jīng)產(chǎn)生，短短十年間已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展，目前，光子晶體光纖已經(jīng)成為光通信、非線性光學和光電子學等眾多領域的研究前沿，在超連續(xù)譜的產(chǎn)生、激光器、參量放大、拉曼放大、高能量傳輸、光開關、波長變換、可調(diào)諧激光器、光纖傳感等方面獲得廣泛的應用，并已經(jīng)取得眾多突破性成果。叫副光纖參量放大器研究光放大器是光纖通信系統(tǒng)中的關鍵部件之一。光在光纖中傳輸時，由于光纖的損耗，能量將會隨著距離的增加呈指數(shù)衰減，因此，若要實現(xiàn)長距離光纖通信，必需借助于光放大器。目前，實用中的光放大器主要有三種：半導體光放大器、摻雜型光纖放大器和非線性光纖

10、放大器。半導體光放大器（）是利用粒子數(shù)反轉狀態(tài)的半導體結對光的增益效應來實現(xiàn)對光信號的放大，有行波型和腔型兩種。半導體光放大器具有較快的動態(tài)增益特北京郵電人學博十論文第一章緒論性、價格低、能耗小以及寬的帶寬等特性，可以工作在一的波長范圍內(nèi)，但是在進行多信道同時放大時，易引起交叉增益飽和、交叉相位調(diào)制以及四波混頻等問題，影響通信系統(tǒng)的性能，因此，及光纖通信系統(tǒng)中一般不采用作為光放大器；目前摻雜型光纖放大器主要是指摻鉺光纖放大器（），是比較理想的光放大器，它具有耦合損耗低、增益高、輸出功率高以及泵浦功率低等優(yōu)點，的出現(xiàn)使通信系統(tǒng)在十幾年間得到了迅猛發(fā)展，但的增益帶寬在波段，并且只有姍，隨著的發(fā)展，

11、尤其是出現(xiàn)以后，增益帶寬已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需要，因此如何增加的增益帶寬，從而形成寬帶已成為的研究重點；非線性光纖放大器主要是利用光纖的非線性效應來實現(xiàn)光放大，其中主要有受激拉曼散射（）光纖放大器、受激布里淵（）光纖放大器和光纖參量放大器。光纖參量放大器（）是一種基于光纖非線性效應一四波混頻效應（）的光參放大器，從上世紀七、八十年代就已經(jīng)開始研究，特別是后來高非線性光纖（）的出現(xiàn)以及近十幾年來光子晶體光纖（）的出現(xiàn)與發(fā)展，使光纖參量放大器受到了廣泛關注和研究。在光纖的實現(xiàn)過程中，若要得到高增益和寬帶寬，采用的光纖必需有高的非線性系數(shù)和較小的色散斜率，而普通的單模光纖和色散位移光纖非線性系數(shù)一般只

12、有。左右，色散斜率在，而近年來出現(xiàn)的高非線性光纖（）和光子晶體光纖（），尤其是光子晶體光纖，非線性系數(shù)能達到以上，甚至達到幾十到幾百，色散斜率降到姍以下，采用它作為光纖的非線性作用介質，可大大增加光纖的增益和轉換帶寬【】，增益可達以上，帶寬則可達幾十或幾百納米。同時，光纖的偏振敏感性問題也已得到很好的解決，實用性大大增強。目前，光纖參量放大器的研究主要在以下幾個方面：一光纖參量放大器增益及帶寬特性研究年，砷等人使用非線性系數(shù)為。的長的色散位移光纖，利用峰值功率為的泵浦源，在實現(xiàn)了增益為，帶寬為的單泵浦光纖參量放大【。同年，他們又利用雙泵浦源，在啦的帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了的增益【引。在這兩個實驗中，泵

13、浦光的波長都在光纖零色散波長附近，這有利于參量放大過程中的相位匹配。年，他們利用周期性色散補償實現(xiàn)了泵浦波長脅，光纖零色散波長眥的單泵浦光纖參量放大，增益帶寬為咖，最大增益【訓。這個實驗說明：對于遠離光纖零色散波長的泵浦而言通過色散補償可實現(xiàn)寬帶放大。年，等人利用非線性系數(shù)為，的長的高非線性光纖，在的北京郵電人學博十論文第一章緒論帶寬范圍上實現(xiàn)了以上增益的單泵浦光纖參量放大，但是增益平坦度較差【】。年，等人報導了準相位匹配的光纖參量放大器增益增強的理論和實驗研究【¨。實驗利用分段放大和準相位匹配實現(xiàn)光纖參量放大器的增益增強，用三級色散位移光纖實現(xiàn)的增益改善，在泵浦和光纖零色散波長間隔

14、時獲得了的增益。年，等人報導了在的增益帶寬上獲得增益的光纖參量放大器實驗。同年等人報導了兩泵浦光纖參量放大器的實驗研究，實驗獲得在中心波長處的增益帶寬上的開關增益【。隨后，等人報導了利用兩泵浦參量放大獲得的平坦增益帶劉。年，等人又報導了利用高非線性光纖在帶寬上實現(xiàn)了平坦增益的雙泵浦參量放大，這一實驗，使光纖參量放大器的增益帶寬首次超過的帶寬【。在光纖參量放大中，為了增加泵浦功率必須對泵浦進行相位調(diào)制從而提高光纖的受激布里淵散射的闡值，這樣會使得閑頻光光譜的加寬。年，等人又報導了利用在兩段高非線性光纖之間插入隔離器的方法增加光纖受激布里淵散射閩值，獲得了開關增益的單泵浦連續(xù)波光纖參量放大坦們。同

15、年，等人報導了用多段非線性色散光纖配置實現(xiàn)寬帶平坦增益的光纖參量放大【卜，仿真結果也顯示，通過對多段光纖參數(shù)的優(yōu)化配置，在的泵浦功率下可以得到姍以上的增益帶寬并且平坦度非常好（增益變化小于）。，當泵浦功率到時，增益帶寬可以超過姍。年，等人又通過增加脈沖峰值泵浦功率（）、增加光纖長度（），實現(xiàn)了一個衄范圍上最高增益的單泵浦參量放大【。對于單泵浦光纖參量放大器而言，當泵浦光波長接近光纖零色散波長時可以實現(xiàn)寬帶放大，當泵浦波長遠離光纖零色散波長時，增益譜變成兩個關于泵浦波長對稱的窄帶脈沖形增益譜，而且靠近泵浦波長處增益比較小。年，等人對以上的特性進行研究報導【】，指出如果窄帶增益小于帶寬，就可用于有

16、增益的窄帶濾波器，而且這個帶寬是可以調(diào)節(jié)的。年，等人又報導了光纖零色散波長隨溫度波動而發(fā)生波動，從而引起參量放大器的增益波動的研究。沿著光纖的溫度分布導致了光纖零色散波長的分布，從而引起參量增益的改變【】年，等人報導了參量增益高達的光纖參量放大器，實驗中他們利用了三段高非線性光纖，三段光纖的零色散波長分別為，和砌，泵浦光源為連續(xù)光光源，功率為。研究證明通過增大光纖的長度和非線性系數(shù)可以增大光纖參量放大器的增益，但是增大光纖的長度卻引起光纖增益帶寬變窄。所以在光纖參量放大器北京郵電人學博十論文第一章緒論配置中要用短的光纖，此外短的光纖還可以減小光纖零色散波長波動。因此可選用高非線性系數(shù)的光子晶體

17、光纖構造高增益的光纖參量放大器。早在年，等人報導了光子晶體光纖中四波混頻的理論研究【】。實驗中利用長的光子晶體光纖和的泵浦峰值功率獲得的參量增益。此后，在光子晶體四波混頻實驗研究基礎上，年，等人報導了光子晶體光纖參量放大器的實驗研究【】。實驗利用長的光子晶體光纖在增益帶寬上獲得的參量增益。二光纖參量放大器噪聲特性的研究一般情況下光放大器在放大的同時都會伴有噪聲的出現(xiàn)，在眾多的光放大器中，光纖參量放大器的噪聲是比較低的，甚至對于相位敏感的光纖參量放大器在理論上可以達到噪聲放大。不過噪聲放大在理論上是可行的，實驗上也有研究，但是相位敏感放大器要得到廣泛應用還是有一定的困難，其原因就在于光在光纖中傳

18、播時，幾個光波的相位控制與保持較難實現(xiàn)。年和年，等人報導了相位敏感光纖參量放大器的實驗研究【】。實驗中使用長的高非線性色散位移光纖，用一個環(huán)鏡裝置分離泵浦和信號光，在一定射頻頻率下得到的噪聲指數(shù)。對于非偏振敏感光纖參量放大器而言，在理論上可以達到噪聲的量子極限。年，等人報導了連續(xù)波頻率調(diào)制泵浦光纖參量放大器的實驗研究【，首次測試了單頻率調(diào)制光纖參量放大器的增益和噪聲指數(shù)實驗獲得的最大增益和的平均噪聲指數(shù)。實驗中使用光纖布拉格光柵濾波器（）濾去泵浦中的寬帶放大的自發(fā)受激輻射（）噪聲。年，等人報導了連續(xù)光光纖參量波長轉換器的實驗研究【。實驗獲得的開關轉換增益和的噪聲指數(shù)。同時，還研究了噪聲指數(shù)與輸

19、入信號功率和泵浦功率的關系，指出當泵浦功率低的時候，信號增益小從而噪聲指數(shù)比較高，隨著泵浦功率的增加噪聲指數(shù)不斷減小，然而當泵浦功率超過一定值時候，噪聲指數(shù)反而上升了，也就是說存在最佳的泵浦功率。此外，的噪聲指數(shù)還隨著信號輸入功率的增加而增加。但是在泵浦功率比較低，考慮泵浦消耗的情況下，噪聲指數(shù)的變化趨勢卻是不同的。年，的報導了增益飽和光纖參量放大器噪聲特性的實驗研究【引，實驗表明，隨著輸入信號光功率增加，輸出信號功率增加，當增加到一定程度時出現(xiàn)增益飽和，輸出信號功率達到最大值，隨后信號輸出功率減小，而信號噪聲隨著信號光功率增大而減小，當增益飽和時候信號噪聲最小，隨后信號噪聲又增大了，從而得出

20、參量放大器的增益飽和導致信號光噪聲壓縮的結論。這在設計一個光纖參量放大器中是一個非常重要的結論，可以通過調(diào)節(jié)參量放大器的參數(shù)使放大器出現(xiàn)增益飽和，此時不但有最大北京郵電人學尊論文第一章緒論的信號光輸出而且還有最低的信號噪聲，但是繼續(xù)增大輸入信號功率，增強增益飽和深度卻引起輸出信號功率的降低和信號噪聲的增加。年，等人報導了光子統(tǒng)計測試和光纖參量放大器噪聲指數(shù)的研究，研究得到的參量放大器噪聲【】。年，他們又報導了拉曼噪聲對光纖參量放大器噪聲指數(shù)限制的研究【。文中得到光纖參量放大器噪聲指數(shù)的分析解表達式，并且指出考慮到對非線性的反應時間的存在，從而使噪聲不可能低于。此后，在此理論研究基礎上等人報導了

21、光纖參量放大器和波長轉換器的噪聲限制的實驗研究【¨。該實驗顯示了無法避免的拉曼增益和信號及轉換波的損耗引起了放大器和波長轉換器的噪聲性能的惡化。同年，的等人報導了光纖參量放大器的噪聲特性的研究【。研究得到一個無泵浦消耗，無光纖損耗的理想光纖參量放大器的噪聲特性的分析解。理論不僅適用與理想泵浦源，而且對有噪聲的泵浦源也是適用的。年，鼬等人對兩泵浦光纖參量放大器的量子噪聲特性進行了研究【。研究發(fā)現(xiàn)，相互作用的邊模數(shù)的增加會引起噪聲的增加。然而，如果調(diào)節(jié)泵浦頻率使四邊模相互作用的頻率帶寬最大，信號和空閑光的噪聲指數(shù)就不會比兩邊模相互作用的噪聲指數(shù)高很多。年，等人報導了光纖參量放大器中低頻強

22、度調(diào)制的泵浦到信號的轉換的研究【。實驗研究了泵浦相對強度噪聲引起了增益的抖動，從而導致了輸出信號功率的波動，惡化了放大器的噪聲性能。除此之外，因為光纖的色散作用，在研究泵浦的相對強度噪聲轉換到輸出信號的時候，還要考慮引起的走離效應。年，鋤等人報導了這種光纖參量放大器泵浦噪聲的走離效應【。實驗顯示的光纖長度可以得到的光信噪比，通過使用更長的光纖可以對信噪比改善。以上的研究都表明，泵浦光的信噪比對光纖參量放大器的噪聲有很大的影響年，伊等人報導了泵浦光信噪比對光纖參量放大器噪聲影響的實驗研究【。用光和電兩種測試方法測試光纖參量放大器的噪聲，實驗結果證明對于實際的光纖通信系統(tǒng)，泵浦光的信噪比最低也要達

23、到。此外，光纖的零色散波長的波動也會對此產(chǎn)生影響。年，等人報導了有光纖零色散波長波動的中泵浦相位調(diào)制和泵浦的相對強度噪聲引起放大器值的損傷的研究【，實驗對單泵浦和雙泵浦都進行了研究，而且考慮了零色散波長有波動和無波動兩種情況。研究表明，在無零色散波長波動的中泵浦相位調(diào)制導致了很大的值損傷，而光纖零色散波長的波動卻減小了這種損傷。此外，對于短的光纖（小于）和低色散北京郵電人學博十論文第一章緒論斜率光纖（小于眥觚）而言，泵浦相位調(diào)制所引起的值的損傷很小可以忽略。因此，若采取非線性系數(shù)非常高的光子晶體光纖作為非線性介質則可解決此問題。三泵浦消耗對參量放大的影晌的研究在光纖參量放大器中，當泵浦光功率遠

24、大于信號光功率時，泵浦光的消耗可以忽略不計，但是當泵浦光功率不是很大的時候，或著是相對于信號光不是很大時，就要考慮泵浦消耗的影響。所謂泵浦消耗就是在參量放大的過程中考慮泵浦光向信號光轉換的效應，也就是說泵浦光功率是變化的。一般使用泵浦光向信號光轉換的效率來衡量。年，等人報導了單模光纖中三波混頻的精確解和空間穩(wěn)定性的研列引。研究考慮了泵浦消耗的效應，預言了有沿光纖不變的特征解的存在，空間穩(wěn)定性依賴與總功率和傳播常數(shù)失配的大小?？臻g非穩(wěn)定性特征解的出現(xiàn)很大程度上影響了三個波之間功率的轉換，年，等人報導了考慮泵浦消耗情況下高效率光纖四波混頻配置的設計的研究【。研究目的是通過選擇最優(yōu)化的光纖長度在零色

25、散波長處獲得最大的轉換帶寬和最大的轉換效率。最大的轉換效率與輸入泵浦功率的平方成下比。年，等人報導了光纖相位耦合效率的非線性增強和優(yōu)化的研究【們。文章利用考慮光纖損耗和泵浦消耗的精確理論模型來進行研究，顯示了如果泵浦在反常色散區(qū)且輸入信號光遠小于泵浦光功率，相位匹配的非線性失諧可能會增強轉換效率。年，等人報導了光纖參量放大器中增益飽和依賴信號波長的研究【¨，對高增益飽和區(qū)的參量放大進行了理論和實驗研究，研究表明在非飽和區(qū)泵浦功率向信號和空閑光方向轉移，但是在增益飽和區(qū)功率轉移的方向反轉，即信號和空閑光功率轉移到泵浦光，這樣就降低了泵浦光向信號光的轉換效率。研究還發(fā)現(xiàn)對于遠離泵浦波長的

26、信號波增益飽和的比較快，主要原因在于相位失配是與功率相關的。年，柚等人報導了用的泵浦光功率在哪波長處用的色散位移光纖實現(xiàn)的泵浦轉換【年，西。等人報導了寬帶轉換效率的雙泵浦光纖參量放大器的研究【】。同年，等人報導了單泵浦光纖參量放大器寬平坦增益譜的優(yōu)化研列“】。研究首先從不考慮泵浦消耗開始，通過對放大器參數(shù)的設計優(yōu)化參量放大的增益譜，隨后在考慮泵浦消耗的情況下進行優(yōu)化研究。此外，泵浦光相位調(diào)制對光纖參量放大器的影響也被廣泛關注和大量研究四光纖參量放大器應用研究從上世紀九十年代以來，光纖參量放大器（）以其高增益、寬帶寬、北京郵電人學博十論文第一章緒論具有相敏特性（理論上可實現(xiàn)自發(fā)輻射噪聲放大）巧弘

27、刪、波長變換等顯著優(yōu)點在光通信領域引起了人們的關注。隨著研究的進展，光纖技術在光通信諸如在線放大，歸零碼的產(chǎn)型，光時分復用【，透明波長變換【】，全光取樣【】、光丌關、光脈沖生成、光解復用、脈沖壓縮、再生等方面取得廣泛應用。年報導了利用光纖的四波混頻效應實現(xiàn)波長轉換的實驗研列。利用光纖零色散波長附近波長，信號從轉換到，轉換效率為年，他報導了用兩個正交的不同頻率的泵浦光進行四波混頻實現(xiàn)偏振獨立的波長轉換【引。年，他報導了基于光纖參量放大器增益飽和的光功率均衡器的研究【，隨著輸入信號功率的增加，信號增益開始飽和，輸出信號功率達到最大值。當信號光功率比較小的時候，信號增益比較大，當增加信號功率到一定值

28、時，出現(xiàn)增益飽和輸出功率到最大值，此時即使信號功率有抖動，輸出功率也不發(fā)生改變，從而實現(xiàn)了光功率均衡器的特性。年，鋤等人報導了光纖參量放大器用作波長轉換的研究【】。實驗中使用一個偏振光束分束儀構成的環(huán)狀配置去研究波段的波分復用光波能被轉換至波段，且偏振敏感度低，交叉串擾也比較小。用光纖參量放大器做波段轉換，實驗在的轉換帶寬上利用的光纖獲得小于的偏振敏感度和大于的轉換效率。年，鋤等人報導了用兩泵浦光纖參量放大器實現(xiàn)偏振獨立寬帶波長轉換，同時閑頻光譜沒有加寬的研究【】。研究使用二進制相移鍵控泵浦相位調(diào)制，目的是為了壓縮同時卻不引起空閑光的加寬，此外，研究了使用偏振正交的泵浦源實現(xiàn)信號非敏感的波長轉

29、換。用這種方式，研究在的信號帶寬上得到高于轉換效率的偏振獨立波長轉換。年，“等人報導了用數(shù)字泵浦光纖參量放大實現(xiàn)全光再生器的研究【?！?。年，等人報導了利用高非線性光纖組成的單泵浦和雙泵浦光纖參量放大器實現(xiàn)全光信號的再生【】。同年，等人報導了基于光纖參量放大器的波長轉換帶寬研究【】。研究利用一個系統(tǒng)方式評估優(yōu)化基于四波混頻的光纖參量波長轉換器的轉換帶寬和增益抖動。研究要求一個高的可調(diào)諧泵浦源，對于給定光纖色散斜率，發(fā)現(xiàn)一個最優(yōu)的色散曲線可以得到最大的波長轉換帶寬年，瑞典大學的等人報導了內(nèi)增益和波長轉換效率的寬帶連續(xù)波泵浦光纖參量放大器的研究【引。誤碼率測試顯示，光纖參量放大器的性能與摻餌光纖放大

30、器差不多，這就說明了光纖參量放大器可以用于將來的光纖傳輸系統(tǒng)。年，等人對光纖參量放大器及其應用進行了系統(tǒng)的總結并進行了報引】。文章對單泵浦光纖參量北京郵電人學博斗論文第一章緒論放大器的理論進行闡述的同時提出了幾個方面的應用，比如用做全光信號取樣，時分解復用，脈沖生成和波長轉換等。通過設計合適的光纖參數(shù)和泵浦波長配置，能夠在任意波長獲得高增益低噪聲的參量放大，可以用于增加波分復用系統(tǒng)的信息容量。文章還提出可以使用更高非線性系數(shù)的光子晶體光纖構成更高增益的光纖參量放大器的思想。實際上，這一想法已經(jīng)得到實現(xiàn)。此外，文章還預言將來的高泵浦激光器的實用化將導致光纖參量放大器在未來光纖通信系統(tǒng)中扮演一個重

31、要角色。年，嬲等人報導了基于光纖參量放大器的信號放大的研究【。，第一次在實驗上實現(xiàn)了光纖參量放大器在系統(tǒng)中的應用。國內(nèi)對光纖參量放大器的研究還處于起步階段。清華大學王青等對高非線性光纖中抑制的方法做了研究，年，上海交通大學報導了用遺傳算法優(yōu)化多段光纖參數(shù)實現(xiàn)寬帶單泵浦光纖參量放大【墻】。仿真實驗通過對單泵浦光纖放大器的四段光纖的參數(shù)利用遺傳算法進行優(yōu)化，得到超過的平坦增益帶寬。年，北京郵電大學我們實驗室也進行了光纖參量放大及波長變換的研究超連續(xù)譜產(chǎn)生及超連續(xù)光源研究光源是光纖通信系統(tǒng)中的另一關鍵部件。近年來，光通信一直向著大容量、高速率方向發(fā)展，這樣，在光纖通信系統(tǒng)中，減小信道間隔和增加信道數(shù)

32、成為密集波分復用技術進一步發(fā)展的趨勢。能同時發(fā)射幾個波長的多波長激光器對波分復用系統(tǒng)十分重要。當前通信系統(tǒng)中使用的激光器基本都是分立的光源，隨著波長密集程度的不斷提高，激光器之間的波長間隔控制越來越難，并且系統(tǒng)的成本越來越高。多波長光源則使這一問題迎刃而解，它使得光纖通信系統(tǒng)的信道數(shù)目增加，密集度加強，還可以使網(wǎng)絡實時監(jiān)控變得簡單易行。在眾多多波長光源中，超連續(xù)譜（，）光源是一種優(yōu)點較為突出的光源。對于超連續(xù)譜產(chǎn)生，早在上世紀七八十年代，人們就已經(jīng)對此現(xiàn)象進行了研究【舳】，但由于早期在光纖技術方面不夠成熟，直到近十幾年對它的研究才呈現(xiàn)出較快的發(fā)展。超連續(xù)譜是指當一束強度極大的超短光脈沖通過非線

33、性介質時，由于自相位調(diào)制（，）、交叉相位調(diào)制（）、受激喇曼散射（甜，）和四波混頻（，）等非線性效應與光纖群速度色散（，）的共同作用，出射光譜中產(chǎn)生許多新的頻率成分，光譜寬度遠遠大于入射光脈沖的譜寬，頻譜范圍從可見光一直連續(xù)擴展到紫外和紅外區(qū)域。北京郵電人學博十論文第一章緒論超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要有兩種方法，一是壓縮超短光脈沖得到寬的頻譜，另外就是利用器件的非線性展寬脈沖的頻譜?，F(xiàn)在最流行的、報道最多的是利用光纖或光放大器的非線性產(chǎn)生超連續(xù)譜，其中利用光纖產(chǎn)生寬連續(xù)譜最為經(jīng)濟實用，也最引人注目。年，報道了在玻璃中的超連續(xù)譜產(chǎn)生，利用波長的皮秒脈沖得到了啪衄的超連續(xù)譜【引，但真下在光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜的

34、實驗是年由報道的，他們用納秒脈沖在（零色散點在咖左右）普通硅光纖中在長波帶產(chǎn)生了覆蓋的超連續(xù)譜，這次的光譜展寬主來是由拉曼散射和自相位調(diào)制造成的。年代，隨著飛秒光脈沖的產(chǎn)生，超短脈沖放大技術將飛秒脈沖峰值功率密度提高到了咖，超連續(xù)光譜寬度及轉換效率顯著提高，同時對于超連續(xù)譜產(chǎn)生的物理機制有了較為明確的解釋。年代后，瓦級超高亮度飛秒光脈沖的獲得，為超連續(xù)光譜的更深入研究提供了新的前景。等人首先在氣體介質中獲得了高轉換效率的寬光譜，邊緣光譜強度比中心強度僅低個數(shù)量級，而在使用級飛秒激光之前，超連續(xù)譜的這個比值要低于個數(shù)量級以上。光纖超連續(xù)譜技術能在廣闊的光譜范圍內(nèi)同時產(chǎn)生高重復率的多波長光脈沖，由

35、于它具有高的輸出功率、平坦的寬帶光譜、高度的空間相干性（聚焦）等特性，能大大提高信噪比、減小測量時間以及加寬光譜測量范圍。產(chǎn)生高質量超連續(xù)譜脈沖的關鍵是合適的抽運光源和光纖。目前，產(chǎn)生譜的光纖主要有色散位移光纖?！?、錐形光纖【?！?、光子晶體光纖（）【?！康鹊?，單模光纖中產(chǎn)生譜的技術已經(jīng)比較成熟，中譜的產(chǎn)生是近年來的研究熱點，研究表明使用可以產(chǎn)生寬帶平坦的譜。超連續(xù)效應在光子晶體光纖中的大多報道是在反常色散區(qū)進行泵浦，或者零色散波長在可見光波長和紅外波長區(qū)，大多數(shù)實驗利用飛秒脈沖進行泵浦，這使得光譜得到極大的展科。年，等提出利用色散漸減光纖展寬頻譜【，等提出利用色散從正值減小到負值的色散平坦光纖

36、可以產(chǎn)生更寬的頻譜【】。同年，等提出利用具有凸色散曲線的色散漸減光纖可以產(chǎn)生超連續(xù)剖】，并進行了數(shù)值模擬，年，和鼬提出利用具有恒定正色散的色散平坦光纖可以產(chǎn)生超連續(xù)譜【兒】，并進行了實驗驗證，近年來，研究人員提出了利用色散平坦光子晶體光纖【¨、錐型光纖和保偏高非線性色散位移光纖等特種光纖來產(chǎn)生超連續(xù)譜【】，并己經(jīng)取得了較好的展寬結果。采用光子晶體光纖可以使產(chǎn)生超連續(xù)譜所需要的光強度大大降低，在普通光纖中，產(chǎn)生超連續(xù)譜需要的光強度至少比中需要的光強度高兩個數(shù)量級，因此采用較低能量的飛秒孤子光脈沖即可產(chǎn)生寬帶的超連續(xù)光譜。年，等人首次報道了中的超連續(xù)譜產(chǎn)生，他們采用未經(jīng)放大北京郵電大學博

37、十論文第一章緒論的量級的飛秒脈沖在中產(chǎn)生了個倍頻程（）的超連續(xù)光譜。從此，在中產(chǎn)生超連續(xù)光譜便成為一個新的研究熱點。年，丹麥的的研究小組利用鎖模鈦寶石激光器輸出的重復頻率，波長的脈沖在下常色散區(qū)泵浦長，獲得了的超連續(xù)譜，而且譜的形狀對泵浦功率的波動不敏感¨。年，英國大學報道了利用重復頻率、脈寬的可調(diào)諧鈦寶石激光器泵浦長，得到了以上的超連續(xù)展寬¨，年，德國鋤大學的等又報道了被動鎖模：激光器峰值泵浦功率為時，在中得到從到的譜，并得到的平均輸出功掣在年的一個實驗中，香港大學的等人用平均功率為的脈沖在一段米長的色散平坦光子晶體光纖中產(chǎn)生了姍范圍的超連續(xù)譜【。雖然如此，但目前的價格依

38、舊是比較昂貴的，這樣會大大增加了系統(tǒng)的成本，從而不利于開展廣泛的基礎性研究工作，因此，近年來在高非線性色散位移光纖（）中的超連續(xù)譜研究也是一大熱點。目前商品化的光纖纖芯摻鍺提高纖芯的折射率，并且用一種深拉技術來減小有效模場面積，從而獲得高非線性系數(shù)，現(xiàn)有商品的非線性系數(shù)值從鋤。到，在附近的損耗一般只有脅。年，美國大學的”等人利用非線性系數(shù)為一，的得到的超連續(xù)譜具有唧的帶寬【，其中反斯托克斯一側在姍范圍內(nèi)具有±的均勻性，功率譜密度；在斯托克斯一側，范圍內(nèi)具有±的均勻性，功率譜密度，年，日本”大學的等報道了利用保偏高非線性色散位移光纖（），在平均泵浦功率時，得到到的超連續(xù)光譜，帶寬達，他們還將光纖縮短至，得到了到的超連續(xù)輸出【吣。超連續(xù)光源則是基于超連續(xù)譜的脈寬和波