【正文】 纖中聲速?zèng)Q定的精確的頻移量，在 波段，其頻移量為 10GHz，相當(dāng)于 。2003 年 . Han 等利用級(jí)聯(lián)的長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)拉曼激光器[22]。將 DWDM 技術(shù)和OTDM 技術(shù)結(jié)合用于光纖通信系統(tǒng)中，將更充分發(fā)揮光纖通信系統(tǒng)的最大潛力和最優(yōu)良的性能，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸。光纖激光器多波長(zhǎng)輸出、結(jié)構(gòu)緊湊、低成本、好的光束質(zhì)量、低插入損耗等，在通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。感謝感謝楊玲珍老師的給予的資料和理論上的指導(dǎo)，以及其他同學(xué)給予的技術(shù)的幫助。介紹了產(chǎn)生多波長(zhǎng)的原理，以及產(chǎn)生多波長(zhǎng)的幾種方法。通過(guò)閱讀了關(guān)于多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的參考文獻(xiàn)。 總結(jié)近年來(lái)，光纖通信技術(shù)飛速發(fā)展，日新月異。2005 年 Y. J. Song 等人利用 布里淵和摻鉺光纖共同增益的方法得到了穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光輸出[21]。近年來(lái)非線性效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于多波長(zhǎng)光纖激光器中，其利用普通單模光纖，色散位移光纖或光子晶體光纖中的布里淵散射（SBS），四波混頻（FWM）或拉曼散射等非線性效應(yīng)來(lái)抑制摻鉺光纖的均勻展寬得到穩(wěn)定的多波長(zhǎng)輸出。除雙芯摻鉺光纖以外，2002 年 等人用橢圓摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，利用它的增益各向異性的特性，實(shí)現(xiàn)了 4 波長(zhǎng)激光的常溫穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[17]。雙芯摻鉺光纖由相互平行、間距很小的兩根纖芯組成。為了實(shí)現(xiàn)常溫下的多波長(zhǎng)輸出，人們?cè)O(shè)法引入各種效應(yīng)以削弱摻鉺光纖的均勻展寬。對(duì)于鉺光纖來(lái)說(shuō)，自然展寬引起的均勻展寬很小，而晶格熱振動(dòng)是引起均勻展寬的主要因素，這種展寬的機(jī)理是：由于晶格原子的熱振動(dòng)，發(fā)光離子處于隨時(shí)間周期變化的晶格場(chǎng)中，因而導(dǎo)致它的能級(jí)位置也在一個(gè)范圍內(nèi)變化，從而引起譜線展寬。但以上方法所面臨的最大問(wèn)題是摻鉺光纖的均勻展寬。1996 年 Jong Chow 等人在環(huán)形腔光纖激光器中用取樣 Bragg 光柵實(shí)現(xiàn)了間隔 的 5 波長(zhǎng)激光輸出；他們還用兩個(gè)完全相同的光纖啁啾光柵制成寬帶透射 FabryPerot 濾波器， 的 11 波長(zhǎng)激光輸出[9]。光纖激光器與常規(guī)光纖具有自然的通融性和兼容性，易于進(jìn)行光纖集成，與通信線路耦合損耗低，使用方便可靠。摻稀土元素光纖的出現(xiàn)，利用其作為增益介質(zhì)制成的光纖激光器，給激光器領(lǐng)域注入了新的活力。多波長(zhǎng)激光器可以同時(shí)為多個(gè)信道提供所需光源，使光發(fā)射端的設(shè)計(jì)更為緊湊、經(jīng)濟(jì)，因而在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中有很重要的用途。最后對(duì)通過(guò)其他物理機(jī)制來(lái)削弱摻鉺光纖的均勻展寬實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光器的各類方法進(jìn)行了分析總結(jié)。其它方法在常溫下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光輸出，比液氮冷卻更接近于實(shí)用，但是也存在各自的缺點(diǎn)。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)操作的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)之間的可開(kāi)關(guān)操作,這對(duì)一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)更加方便。該方法的主要缺點(diǎn)在于為了很好地滿足相位匹配條件,需要非常精細(xì)地調(diào)節(jié)腔內(nèi)光的偏振狀態(tài),從而使得該方法容易受外界環(huán)境的干擾,另外該方法的成本也比較高。環(huán)形腔中通過(guò)一個(gè)具有較高功率水平的摻鉺光纖放大器(EDFA)提供增益,梳狀濾波器(如光纖光柵陣列，取樣光纖光柵等各種梳狀濾波器)進(jìn)行多波長(zhǎng)選擇,一段具有合適色散條件的高非線性光纖,如色散位移光纖(DSF)或光子晶體光纖(PCF)等來(lái)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)之間的四波混頻效應(yīng),偏振控制器用來(lái)調(diào)整腔內(nèi)光的偏振狀態(tài),從而有利于更好地滿足相位匹配條件。另外,2003 年,[37]等利用正弦相位調(diào)制器取代頻移器,根據(jù)傅里葉變換可知,對(duì)光強(qiáng)的相位調(diào)制同樣可使光場(chǎng)的頻率發(fā)生移動(dòng),因而同樣實(shí)現(xiàn)了多個(gè)波長(zhǎng)的摻鉺光纖激光輸出。另外一大類方法就是通過(guò)在單摻雜增益光纖的諧振腔中引入特殊的物理機(jī)制,如頻移反饋實(shí)現(xiàn)室溫穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光振蕩,該類方法具有很強(qiáng)的潛在應(yīng)用價(jià)值。第三節(jié) 多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的均勻展寬消除機(jī)制概述摻鉺光纖在室溫下的均勻展寬線寬為 ，由上節(jié)理論可知，對(duì)于要實(shí)現(xiàn)低于 波長(zhǎng)間隔多波長(zhǎng)激光則需要引入其他的物理機(jī)制降低交叉增益飽和來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩。一旦在均勻展寬線寬內(nèi)，交叉增益飽和將大于自增益飽和，任何波長(zhǎng)相關(guān)的損耗的微擾變化都會(huì)通過(guò)交叉增益飽和破壞雙波長(zhǎng)達(dá)到的非穩(wěn)態(tài)平衡。交叉增益飽和系數(shù)反映的是一個(gè)模式的光在激活介質(zhì)中消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)對(duì)另一個(gè)模式的光的增益的影響；自增益飽和系數(shù)即為該模式對(duì)自身增益的影響。雖然在摻鉺光纖光放大器中以均勻展寬模型對(duì)其進(jìn)行模擬能夠得到很好的近似在深度飽和的情況時(shí)可以觀測(cè)到復(fù)雜的頻譜燒孔現(xiàn)象[2022]。以上推導(dǎo)的是兩能級(jí)無(wú)簡(jiǎn)并系統(tǒng)的均勻展寬增益系數(shù)和非均勻展寬增益系數(shù)，對(duì)于摻鉺光纖的上下兩個(gè)能級(jí)和由于斯托克斯分裂各有 7 種簡(jiǎn)并和 8 種簡(jiǎn)并形成了上下兩個(gè)能帶，因此其增益系數(shù)應(yīng)該為這 56 種能級(jí)躍遷的增益系數(shù)的總和，對(duì)此有人對(duì)摻鉺光纖增益系數(shù)進(jìn)行了精確求解。非均勻展寬的增益飽和之所以會(huì)發(fā)生燒孔效應(yīng)，這和它本身引起光譜展寬的機(jī)制有關(guān)。均勻展寬增益曲線在信號(hào)光強(qiáng)逐漸變大（即增益飽和）時(shí)，增益曲線 是在所有頻率范圍內(nèi)整體下降。所以對(duì)于頻率在到范圍內(nèi)的粒子將發(fā)射一條中心頻率為 ，線寬為的均勻加寬譜線，這部分粒子產(chǎn)生的增益系數(shù)可按前面的式（）求得。 由上式可以看出，當(dāng)增益介質(zhì)發(fā)生增益飽和時(shí)，增益曲線將整體下降，均勻展寬的增益介質(zhì)的增益飽和行為的定性解釋如下：由于均勻展寬情況下，各發(fā)光原子對(duì)譜線線型的貢獻(xiàn)的幾率是相同的。 均勻展寬的增益飽和首先，我們考慮一種二能級(jí)系統(tǒng)的均勻展寬激活介質(zhì)的增益飽和行為。增益介質(zhì)的飽和行為將決定在其中建立多波長(zhǎng)振蕩的難易。假設(shè)某個(gè)原子由上能級(jí)躍遷到下能級(jí)發(fā)射出一個(gè)光子，由于多普勒效應(yīng)，該光子的表觀頻率會(huì)和其能級(jí)躍遷頻率有一個(gè)偏移，這也造成了光譜線的展寬。均勻展寬的最大特點(diǎn)就是各個(gè)原子，即處在激光上能級(jí)的所有原子，對(duì)譜線展寬范圍內(nèi)每個(gè)頻率處的強(qiáng)度都有貢獻(xiàn)，對(duì)各個(gè)頻率的貢獻(xiàn)服從歸于一化光譜線型所表示的幾率分布，而這個(gè)幾率分布對(duì)所有原子都是相同的。由公式可以看出若是理想狀況下，激光發(fā)射的光子將是單一頻率的。在激光被發(fā)現(xiàn)后不久，人們發(fā)現(xiàn)激光的增益譜并不是一條單一的光譜線，而是其增益光譜會(huì)有展寬，光譜線型的展寬可以分為均勻展寬和非均勻展寬或者兩者同時(shí)存在造成的綜合展寬。根據(jù)所采用的激光增益介質(zhì)不同或梳狀濾波器不同，將多波長(zhǎng)光纖激光器劃分為幾大類分別進(jìn)行考察，為設(shè)計(jì)各種高性能多波長(zhǎng)光纖激光器提供現(xiàn)實(shí)參考。這些方法盡管在一定程度上增強(qiáng)了其梳狀濾波性能，但同時(shí)也增加了濾波器的復(fù)雜性，引入了更多的插入損耗。[26]： （）可見(jiàn)濾波峰波長(zhǎng)間隔隨保偏光纖快慢軸折射率差和長(zhǎng)度L變化而變化。它不僅能作為反射型梳狀濾波，同樣也能提供透射型的梳狀濾波。最近，利用非3dB耦合器構(gòu)成雙通MZI，華南師范大學(xué)羅安平等人也提出了一種波長(zhǎng)間隔連續(xù)可調(diào)諧的改進(jìn)型雙通MZI。利用此原理，商用化的MZI大多采用調(diào)節(jié)溫度改變兩干涉臂長(zhǎng)差從而調(diào)諧波長(zhǎng)間隔。單通馬赫一澤德干涉儀主要由兩個(gè)3dB耦合器(Cl和C2)通過(guò)兩個(gè)不等長(zhǎng)的干涉臂(和)連接而成。例如，目前光通信中大多將波導(dǎo)延時(shí)馬赫一澤德干涉儀用于波長(zhǎng)交錯(cuò)器、分插復(fù)用器、聲光濾波器及多波長(zhǎng)激光器的選模。采用不同的技術(shù)手段，許多研究者已致力研制出各種梳狀濾波器，常見(jiàn)的有馬赫一澤德干涉儀、保偏光纖Sagnac環(huán)濾波器、各種特殊光纖光柵濾波器及法布里一珀羅干涉儀。隨后，采用傾斜多模光纖光柵、取樣光纖光柵等作為梳狀濾波器，多波長(zhǎng)SOA光纖激光器也相繼被研究報(bào)道。通過(guò)調(diào)節(jié)ATT的衰減倍數(shù)從而改變激光腔損耗，他們實(shí)現(xiàn)了激射波帶在15901645nm可調(diào)諧、達(dá)40個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)輸出的SOA光纖激光器。正是SOA具有以上的等等優(yōu)點(diǎn)，最近幾年利用SOA作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激射己引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。相比較地，SOA卻采用電激勵(lì)方式，使得多波長(zhǎng)半導(dǎo)體光纖激光器無(wú)需考慮泵浦源問(wèn)題。正是SOA這些優(yōu)異的光增益特性使得它在眾多領(lǐng)域嶄露頭腳，例如多波長(zhǎng)激射、光信號(hào)存儲(chǔ)、信號(hào)調(diào)制碼型變換、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等等。通過(guò)調(diào)諧疊加啁啾光纖光柵的自由頻譜范圍，他們獲得了波長(zhǎng)間隔在 ~。2005年，Wang等人利用取樣光纖光柵作為梳狀濾波器，通過(guò)合適的調(diào)整取樣周期和取樣長(zhǎng)度，獲得了頻率間隔分別為 100GHz、 50GHz和 25GHz的多波長(zhǎng)拉曼光纖激光器[35]。2003年，Han等人利用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵在泵浦功率為 ，獲得了E波段 (1366~1373nm)間隔為 100GHz的19個(gè)波長(zhǎng)激射的拉曼光纖激光器[38]。2)光纖拉曼增益屬于非均勻展寬增益，無(wú)需任何附加技術(shù)來(lái)抑制所謂的均勻展寬。相對(duì)應(yīng)地，多波長(zhǎng)光纖拉曼激射卻長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都未有所突破。然而，在此之后拉曼光纖激光器一直卻未得到廣泛的應(yīng)用，其主要原因是受激拉曼散射具有較高的泵浦閾值，為實(shí)現(xiàn)有效的拉曼激射通常需要非常高的泵浦功率，這在當(dāng)時(shí)的條件下很難被滿足。(a)和(b)所示。目前，常用于多波長(zhǎng)激光器的梳狀濾波器有如下幾種:法布里一珀羅標(biāo)準(zhǔn)具[16]，馬赫一澤德干涉儀[17]，特殊的光纖光柵及保偏光纖sagnac環(huán)濾波器[18]。例如，利用SiO2/GeO2在石英光纖中 的拉曼頻移實(shí)現(xiàn) 1550nm波段的多波長(zhǎng)激射，則必須采用輸出波長(zhǎng)在1425 1455nm范圍內(nèi)的泵浦源。例如，EDFA多波長(zhǎng)光纖激光器常采用液氮制冷光纖至77k[13]、聲光頻移[14]、相位調(diào)制和非線性光學(xué)效應(yīng)[15,24,26,30]等輔助技術(shù)來(lái)抑制摻餌光纖的均勻展寬。 多波長(zhǎng)光纖激光器的原理及分類 多波長(zhǎng)光纖激光器與其他各種激光器類似，其基本構(gòu)成同樣離不開(kāi)激光器三要素，即激光增益介質(zhì)、諧振腔及泵浦源。第二章 多波長(zhǎng)光纖激光器的應(yīng)用第一節(jié) 多波長(zhǎng)光纖激光器的研究現(xiàn)狀多波長(zhǎng)光纖激光器因其在波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)[8]、光測(cè)試儀器、光纖傳感[9]及光子微波技術(shù)[10]等領(lǐng)域的巨大潛力，最近十多年備受矚目并得以蓬勃發(fā)展。 第三節(jié) 本論文研究?jī)?nèi)容本論文主要以多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器為研究對(duì)象，進(jìn)行相關(guān)方面的資料的閱讀，總結(jié)了多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的基本理論和研究進(jìn)展。同時(shí)，由于信息在傳送過(guò)程中始終保持光信號(hào)的形式，因此全光網(wǎng)具有極強(qiáng)的抗電磁干擾性能，在強(qiáng)電磁環(huán)境中的生存性得到極大提高，這是全光網(wǎng)的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。OTDM 的結(jié)構(gòu)與 ETDM 類似，所不同的是，ETDM 的復(fù)用和解復(fù)用是在電域內(nèi)進(jìn)行，OTDM 的復(fù)用和解復(fù)用都是在光域內(nèi)完成，從而克服了 ETDM存在的“電子瓶頸”問(wèn)題。在傳輸過(guò)程中由于各種損耗需要用摻鉺光纖放大器（EDFA）來(lái)補(bǔ)充損失的功率。利用 WDM 技術(shù)組網(wǎng)，以波長(zhǎng)來(lái)選擇路由，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)和故障的自愈、恢復(fù)，從而構(gòu)成未來(lái)透明的、具有高度靈活性和生存性的光網(wǎng)絡(luò)。(4) 利用 EDFA 實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離傳輸。對(duì)于單波長(zhǎng)系統(tǒng)而言，1 個(gè) SDH 系統(tǒng)就需要一對(duì)光纖；而對(duì)于 WDM 系統(tǒng)來(lái)講，不管由多少個(gè) SDH 分系統(tǒng)，整個(gè)復(fù)用系統(tǒng)只需要一對(duì)光纖。 其基本原理如圖 所示。由于偏振復(fù)用技術(shù)要求復(fù)雜，特別是對(duì)傳輸介質(zhì)有特殊的要求，所以至今仍局限在實(shí)驗(yàn)室里。近年來(lái)，為了提高通信系統(tǒng)的容量，人們一直致力于各種復(fù)用通信方式。隨著人類社會(huì)步入信息化時(shí)代，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這樣便開(kāi)創(chuàng)了光通信的一個(gè)新時(shí)代－光纖通信時(shí)代。二是光波波束寬度極窄，這一點(diǎn)雖然曾被認(rèn)為可以帶來(lái)“保密”這一優(yōu)點(diǎn)，但是在離開(kāi)大氣層的空間（星際）或近地面大氣中完成光收發(fā)的對(duì)準(zhǔn)（“對(duì)光”）與跟蹤卻十分困難。盡管如此，直到 1960 年 發(fā)明了紅寶石激光器才奠定了光波在現(xiàn)代通信上的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。20 世紀(jì) 90 年代后，光纖通信成為一個(gè)發(fā)展迅速、技術(shù)更新快、新技術(shù)新概念不斷出現(xiàn)的領(lǐng)域。為了降低成本，以多波長(zhǎng)激光器作為通信系統(tǒng)光源成為必由之路。 Laser Technology 2002,34(8):599～604.6. and , Analysis of InducedBirefringence Effects on Fibre BraggGratings, Opt. Fiber Technology,2000, N6:299～323. 7. Chaoxiang Shi, FabryPerot resonator posed of a photoinduced birefringent fibergrating, Appl. Opt. 1994,33(30):7002～7007.8. , Ultrahigh speed transmission and multiplexing, ECOC 1994, 1994:109～116.9. , , , et al, Low timing jitter of gain and Qswitched laserdiodes for high bit rate OTDM applications, Electron. Lett., 1997, 33(22):1875～1877.10. , and , 80Gbit/s OTDM using electroabsorptionmodulators, Electron. Lett., 1998, 34(1):101～103.專業(yè)班級(jí) 光信息科學(xué)與技術(shù)07班 學(xué)生 馬飛鵬 要求設(shè)計(jì)（論文）工作起止日期 至 指導(dǎo)教師簽字 日期 教研室主任審查簽字 日期 系主任批準(zhǔn)簽字 日期