光子晶體光纖參量放大器與超連續(xù)光源理論與實(shí)驗(yàn)研究

1、北京郵電大學(xué)博士學(xué)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(shí)驗(yàn)研究姓名：王秋國(guó)申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)指導(dǎo)教師：楊伯君20090420北京郵電人學(xué)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(shí)驗(yàn)研究摘要本論文是圍繞以下項(xiàng)目展開的：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目光子晶體光纖及其在量子通信中的應(yīng)用的研究（），北京市共建項(xiàng)目光子晶體光纖及系統(tǒng)中若干重要技術(shù)的研究（）和現(xiàn)代通信系統(tǒng)中新型探測(cè)技術(shù)與接收模塊的研究（）。結(jié)合課題的要求和主要目標(biāo)，在對(duì)光子晶體光纖（）傳輸特性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其應(yīng)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(gè)較寬的

2、頻帶內(nèi)保持單模特性，它的零色散點(diǎn)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(dá)到。利用它做成有源器件，在光通信中，特別是波分復(fù)用系統(tǒng)中是很有前途的，如寬帶色散補(bǔ)償、光脈沖壓縮、波長(zhǎng)變換、超連續(xù)譜產(chǎn)生和光放大器等。本文對(duì)光子晶體光纖在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用：如光纖參量放大器技術(shù)、波長(zhǎng)變換技術(shù)及超連續(xù)光源方面的應(yīng)用進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(diǎn)，應(yīng)用潛力非常廣泛，發(fā)展?jié)摿薮?；波長(zhǎng)變換則是全光網(wǎng)及光交換過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用這一技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在線開關(guān)等全

3、光操作過(guò)程；超連續(xù)光源則是基于超連續(xù)譜的寬帶波長(zhǎng)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(jì)的技術(shù)和方法，從而作為新一代多載波光源受到業(yè)界廣泛關(guān)注。本文的主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)（黑體部分）介紹如下：利用色散平坦光子晶體光纖構(gòu)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)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(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)參量放大的增益和帶寬的影響。利用光纖中的四波混頻進(jìn)行了波長(zhǎng)變換的實(shí)驗(yàn)研究，成功進(jìn)行了波長(zhǎng)附近的波長(zhǎng)變換，實(shí)際測(cè)量波長(zhǎng)變換帶寬為北

4、京郵電人學(xué)博十論文摘要帶寬為，最高轉(zhuǎn)換效率為一，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了全光頻移型的光開關(guān)操作。詳細(xì)介紹了光子晶體光纖的幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)文鬏斕匦浴⒏叻蔷€性效應(yīng)、可控色散特性和雙折射特性。在此基礎(chǔ)上，討論了光子晶體光纖在有源器件中的應(yīng)用，同時(shí)介紹了它在各應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)。利用脈寬為脈沖，以被動(dòng)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(jìn)行超連續(xù)譜產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)泵浦平均功率為時(shí)，經(jīng)過(guò)光子晶體光纖后得到帶寬為的超連續(xù)譜。同時(shí)，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(duì)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(zhì)，利用光纖的非線性效應(yīng)，進(jìn)行了飛秒脈沖產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)。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(zhǎng)為中心波長(zhǎng)，獲得了譜寬達(dá)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(chǔ)上，利用陣列波導(dǎo)光柵對(duì)超連續(xù)譜進(jìn)行切處濾波，在波長(zhǎng)附近，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)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(guò)程，也可以作為波長(zhǎng)可調(diào)的多波長(zhǎng)飛秒脈沖激光器使用，有良好的利用價(jià)值。關(guān)鍵詞：光纖通信光子晶體光纖（）波長(zhǎng)變換超連續(xù)譜（）光纖參量放大器（）匕京郵電人學(xué)博十論文摘要”（），仔¨¨（），”（）”，哆（），：，珂行，“。，北京郵電人學(xué)博十論文摘要，（），。，巧，（），：，一，；銜，印行，（）、，北京郵電人學(xué)博

6、論文摘要（），（：，獨(dú)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(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名：塞垂迄！虱日期：之翌：亟：圣圣關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大

7、學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借閱：學(xué)?？梢怨紝W(xué)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(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書。非保密論文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。本人簽名：一王盤！虱導(dǎo)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(xué)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(xiàng)目資助下進(jìn)行的：國(guó)家自然科學(xué)基會(huì)項(xiàng)目“光子晶體光纖及其在量子通信中應(yīng)用的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：）；北京市共建項(xiàng)目“光子晶體光纖及系統(tǒng)中若干重

8、要技術(shù)的研究（項(xiàng)目編號(hào)：）；北京市共建項(xiàng)目“現(xiàn)代通信系統(tǒng)中新型探測(cè)技術(shù)與接收模塊的研究（項(xiàng)目編號(hào)：）。結(jié)合課題組承擔(dān)的項(xiàng)目，本文對(duì)光子晶體光纖中的參量放大、波長(zhǎng)變換及超連續(xù)譜光源進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了可喜的研究成果。下面簡(jiǎn)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(dǎo)體”，在全光通信中有不可估量的應(yīng)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(guó)大學(xué)的等人首次提出了具有規(guī)則微結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的概念，并在年，和曲

9、等人采用毛細(xì)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(jìn)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(xué)和光電子學(xué)等眾多領(lǐng)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(guān)、波長(zhǎng)變換、可調(diào)諧激光器、光纖傳感等方面獲得廣泛的應(yīng)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(guān)鍵部件之一。光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖的損耗，能量將會(huì)隨著距離的增加呈指數(shù)衰減，因此，若要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖通信，必需借助于光放大器。目前，實(shí)用中的光放大器主要有三種：半導(dǎo)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(dǎo)體光放大器（）是利用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的半導(dǎo)體結(jié)對(duì)光的增益效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的放大，有行波型和腔型兩種。半導(dǎo)體光放大器具有較快的動(dòng)態(tài)增益特北京郵電人學(xué)博十論文第一章緒論性、價(jià)格低、能耗小以及寬的帶寬等特性，可以工作在一的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，但是在進(jìn)行多信道同時(shí)放大時(shí)，易引起交叉增益飽和、交叉相位調(diào)制以及四波混頻等問(wèn)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(diǎn)，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(diǎn)；非線性光纖放大器主要是利用光纖的非線性效應(yīng)來(lái)實(shí)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(yīng)一四波混頻效應(yīng)（）的光參放大器，從上世紀(jì)七、八十年代就已經(jīng)開始研究，特別是后來(lái)高非線性光纖（）的出現(xiàn)以及近十幾年來(lái)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(guān)注和研究。在光纖的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(lái)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(dá)到以上，甚至達(dá)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(zhì)，可大大增加光纖的增益和轉(zhuǎn)換帶寬【】，增益可達(dá)以上，帶寬則可達(dá)幾十或幾百納米。同時(shí)，光纖的偏振敏感性問(wèn)題也已得到很好的解決，實(shí)用性大大增強(qiáng)。目前，光纖參量放大器的研究主要在以下幾個(gè)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(zhǎng)的色散位移光纖，利用峰值功率為的泵浦源，在實(shí)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(shí)現(xiàn)了的增益【引。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，泵

13、浦光的波長(zhǎng)都在光纖零色散波長(zhǎng)附近，這有利于參量放大過(guò)程中的相位匹配。年，他們利用周期性色散補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了泵浦波長(zhǎng)脅，光纖零色散波長(zhǎng)眥的單泵浦光纖參量放大，增益帶寬為咖，最大增益【訓(xùn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：對(duì)于遠(yuǎn)離光纖零色散波長(zhǎng)的泵浦而言通過(guò)色散補(bǔ)償可實(shí)現(xiàn)寬帶放大。年，等人利用非線性系數(shù)為，的長(zhǎng)的高非線性光纖，在的北京郵電人學(xué)博十論文第一章緒論帶寬范圍上實(shí)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(bào)導(dǎo)了準(zhǔn)相位匹配的光纖參量放大器增益增強(qiáng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究【¨。實(shí)驗(yàn)利用分段放大和準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)光纖參量放大器的增益增強(qiáng)，用三級(jí)色散位移光纖實(shí)現(xiàn)的增益改善，在泵浦和光纖零色散波長(zhǎng)間隔

14、時(shí)獲得了的增益。年，等人報(bào)導(dǎo)了在的增益帶寬上獲得增益的光纖參量放大器實(shí)驗(yàn)。同年等人報(bào)導(dǎo)了兩泵浦光纖參量放大器的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)獲得在中心波長(zhǎng)處的增益帶寬上的開關(guān)增益【。隨后，等人報(bào)導(dǎo)了利用兩泵浦參量放大獲得的平坦增益帶劉。年，等人又報(bào)導(dǎo)了利用高非線性光纖在帶寬上實(shí)現(xiàn)了平坦增益的雙泵浦參量放大，這一實(shí)驗(yàn)，使光纖參量放大器的增益帶寬首次超過(guò)的帶寬【。在光纖參量放大中，為了增加泵浦功率必須對(duì)泵浦進(jìn)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(huì)使得閑頻光光譜的加寬。年，等人又報(bào)導(dǎo)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(guān)增益的單泵浦連續(xù)波光纖參量放大坦們。同

15、年，等人報(bào)導(dǎo)了用多段非線性色散光纖配置實(shí)現(xiàn)寬帶平坦增益的光纖參量放大【卜，仿真結(jié)果也顯示，通過(guò)對(duì)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(dāng)泵浦功率到時(shí)，增益帶寬可以超過(guò)姍。年，等人又通過(guò)增加脈沖峰值泵浦功率（）、增加光纖長(zhǎng)度（），實(shí)現(xiàn)了一個(gè)衄范圍上最高增益的單泵浦參量放大【。對(duì)于單泵浦光纖參量放大器而言，當(dāng)泵浦光波長(zhǎng)接近光纖零色散波長(zhǎng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)寬帶放大，當(dāng)泵浦波長(zhǎng)遠(yuǎn)離光纖零色散波長(zhǎng)時(shí)，增益譜變成兩個(gè)關(guān)于泵浦波長(zhǎng)對(duì)稱的窄帶脈沖形增益譜，而且靠近泵浦波長(zhǎng)處增益比較小。年，等人對(duì)以上的特性進(jìn)行研究報(bào)導(dǎo)【】，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(gè)帶寬是可以調(diào)節(jié)的。年，等人又報(bào)導(dǎo)了光纖零色散波長(zhǎng)隨溫度波動(dòng)而發(fā)生波動(dòng)，從而引起參量放大器的增益波動(dòng)的研究。沿著光纖的溫度分布導(dǎo)致了光纖零色散波長(zhǎng)的分布，從而引起參量增益的改變【】年，等人報(bào)導(dǎo)了參量增益高達(dá)的光纖參量放大器，實(shí)驗(yàn)中他們利用了三段高非線性光纖，三段光纖的零色散波長(zhǎng)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(guò)增大光纖的長(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)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(zhǎng)波動(dòng)。因此可選用高非線性系數(shù)的光子晶體

17、光纖構(gòu)造高增益的光纖參量放大器。早在年，等人報(bào)導(dǎo)了光子晶體光纖中四波混頻的理論研究【】。實(shí)驗(yàn)中利用長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，年，等人報(bào)導(dǎo)了光子晶體光纖參量放大器的實(shí)驗(yàn)研究【】。實(shí)驗(yàn)利用長(zhǎng)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(shí)都會(huì)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(duì)于相位敏感的光纖參量放大器在理論上可以達(dá)到噪聲放大。不過(guò)噪聲放大在理論上是可行的，實(shí)驗(yàn)上也有研究，但是相位敏感放大器要得到廣泛應(yīng)用還是有一定的困難，其原因就在于光在光纖中傳

18、播時(shí)，幾個(gè)光波的相位控制與保持較難實(shí)現(xiàn)。年和年，等人報(bào)導(dǎo)了相位敏感光纖參量放大器的實(shí)驗(yàn)研究【】。實(shí)驗(yàn)中使用長(zhǎng)的高非線性色散位移光纖，用一個(gè)環(huán)鏡裝置分離泵浦和信號(hào)光，在一定射頻頻率下得到的噪聲指數(shù)。對(duì)于非偏振敏感光纖參量放大器而言，在理論上可以達(dá)到噪聲的量子極限。年，等人報(bào)導(dǎo)了連續(xù)波頻率調(diào)制泵浦光纖參量放大器的實(shí)驗(yàn)研究【，首次測(cè)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(shí)驗(yàn)獲得的最大增益和的平均噪聲指數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(bào)導(dǎo)了連續(xù)光光纖參量波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)研究【。實(shí)驗(yàn)獲得的開關(guān)轉(zhuǎn)換增益和的噪聲指數(shù)。同時(shí)，還研究了噪聲指數(shù)與輸

19、入信號(hào)功率和泵浦功率的關(guān)系，指出當(dāng)泵浦功率低的時(shí)候，信號(hào)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(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)候，噪聲指數(shù)反而上升了，也就是說(shuō)存在最佳的泵浦功率。此外，的噪聲指數(shù)還隨著信號(hào)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(shì)卻是不同的。年，的報(bào)導(dǎo)了增益飽和光纖參量放大器噪聲特性的實(shí)驗(yàn)研究【引，實(shí)驗(yàn)表明，隨著輸入信號(hào)光功率增加，輸出信號(hào)功率增加，當(dāng)增加到一定程度時(shí)出現(xiàn)增益飽和，輸出信號(hào)功率達(dá)到最大值，隨后信號(hào)輸出功率減小，而信號(hào)噪聲隨著信號(hào)光功率增大而減小，當(dāng)增益飽和時(shí)候信號(hào)噪聲最小，隨后信號(hào)噪聲又增大了，從而得出

20、參量放大器的增益飽和導(dǎo)致信號(hào)光噪聲壓縮的結(jié)論。這在設(shè)計(jì)一個(gè)光纖參量放大器中是一個(gè)非常重要的結(jié)論，可以通過(guò)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(shí)不但有最大北京郵電人學(xué)尊論文第一章緒論的信號(hào)光輸出而且還有最低的信號(hào)噪聲，但是繼續(xù)增大輸入信號(hào)功率，增強(qiáng)增益飽和深度卻引起輸出信號(hào)功率的降低和信號(hào)噪聲的增加。年，等人報(bào)導(dǎo)了光子統(tǒng)計(jì)測(cè)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(bào)導(dǎo)了拉曼噪聲對(duì)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(dá)式，并且指出考慮到對(duì)非線性的反應(yīng)時(shí)間的存在，從而使噪聲不可能低于。此后，在此理論研究基礎(chǔ)上等人報(bào)導(dǎo)了

21、光纖參量放大器和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的噪聲限制的實(shí)驗(yàn)研究【¨。該實(shí)驗(yàn)顯示了無(wú)法避免的拉曼增益和信號(hào)及轉(zhuǎn)換波的損耗引起了放大器和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的噪聲性能的惡化。同年，的等人報(bào)導(dǎo)了光纖參量放大器的噪聲特性的研究【。研究得到一個(gè)無(wú)泵浦消耗，無(wú)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(duì)有噪聲的泵浦源也是適用的。年，鼬等人對(duì)兩泵浦光纖參量放大器的量子噪聲特性進(jìn)行了研究【。研究發(fā)現(xiàn)，相互作用的邊模數(shù)的增加會(huì)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(hào)和空閑光的噪聲指數(shù)就不會(huì)比兩邊模相互作用的噪聲指數(shù)高很多。年，等人報(bào)導(dǎo)了光纖參量放大器中低頻強(qiáng)

22、度調(diào)制的泵浦到信號(hào)的轉(zhuǎn)換的研究【。實(shí)驗(yàn)研究了泵浦相對(duì)強(qiáng)度噪聲引起了增益的抖動(dòng)，從而導(dǎo)致了輸出信號(hào)功率的波動(dòng)，惡化了放大器的噪聲性能。除此之外，因?yàn)楣饫w的色散作用，在研究泵浦的相對(duì)強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)換到輸出信號(hào)的時(shí)候，還要考慮引起的走離效應(yīng)。年，鋤等人報(bào)導(dǎo)了這種光纖參量放大器泵浦噪聲的走離效應(yīng)【。實(shí)驗(yàn)顯示的光纖長(zhǎng)度可以得到的光信噪比，通過(guò)使用更長(zhǎng)的光纖可以對(duì)信噪比改善。以上的研究都表明，泵浦光的信噪比對(duì)光纖參量放大器的噪聲有很大的影響年，伊等人報(bào)導(dǎo)了泵浦光信噪比對(duì)光纖參量放大器噪聲影響的實(shí)驗(yàn)研究【。用光和電兩種測(cè)試方法測(cè)試光纖參量放大器的噪聲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明對(duì)于實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)，泵浦光的信噪比最低也要達(dá)

23、到。此外，光纖的零色散波長(zhǎng)的波動(dòng)也會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響。年，等人報(bào)導(dǎo)了有光纖零色散波長(zhǎng)波動(dòng)的中泵浦相位調(diào)制和泵浦的相對(duì)強(qiáng)度噪聲引起放大器值的損傷的研究【，實(shí)驗(yàn)對(duì)單泵浦和雙泵浦都進(jìn)行了研究，而且考慮了零色散波長(zhǎng)有波動(dòng)和無(wú)波動(dòng)兩種情況。研究表明，在無(wú)零色散波長(zhǎng)波動(dòng)的中泵浦相位調(diào)制導(dǎo)致了很大的值損傷，而光纖零色散波長(zhǎng)的波動(dòng)卻減小了這種損傷。此外，對(duì)于短的光纖（小于）和低色散北京郵電人學(xué)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(zhì)則可解決此問(wèn)題。三泵浦消耗對(duì)參量放大的影晌的研究在光纖參量放大器中，當(dāng)泵浦光功率遠(yuǎn)

24、大于信號(hào)光功率時(shí)，泵浦光的消耗可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)泵浦光功率不是很大的時(shí)候，或著是相對(duì)于信號(hào)光不是很大時(shí)，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(guò)程中考慮泵浦光向信號(hào)光轉(zhuǎn)換的效應(yīng)，也就是說(shuō)泵浦光功率是變化的。一般使用泵浦光向信號(hào)光轉(zhuǎn)換的效率來(lái)衡量。年，等人報(bào)導(dǎo)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(yīng)，預(yù)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(gè)波之間功率的轉(zhuǎn)換，年，等人報(bào)導(dǎo)了考慮泵浦消耗情況下高效率光纖四波混頻配置的設(shè)計(jì)的研究【。研究目的是通過(guò)選擇最優(yōu)化的光纖長(zhǎng)度在零色

25、散波長(zhǎng)處獲得最大的轉(zhuǎn)換帶寬和最大的轉(zhuǎn)換效率。最大的轉(zhuǎn)換效率與輸入泵浦功率的平方成下比。年，等人報(bào)導(dǎo)了光纖相位耦合效率的非線性增強(qiáng)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(lái)進(jìn)行研究，顯示了如果泵浦在反常色散區(qū)且輸入信號(hào)光遠(yuǎn)小于泵浦光功率，相位匹配的非線性失諧可能會(huì)增強(qiáng)轉(zhuǎn)換效率。年，等人報(bào)導(dǎo)了光纖參量放大器中增益飽和依賴信號(hào)波長(zhǎng)的研究【¨，對(duì)高增益飽和區(qū)的參量放大進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究表明在非飽和區(qū)泵浦功率向信號(hào)和空閑光方向轉(zhuǎn)移，但是在增益飽和區(qū)功率轉(zhuǎn)移的方向反轉(zhuǎn)，即信號(hào)和空閑光功率轉(zhuǎn)移到泵浦光，這樣就降低了泵浦光向信號(hào)光的轉(zhuǎn)換效率。研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)于遠(yuǎn)離泵浦波長(zhǎng)的

26、信號(hào)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(guān)的。年，柚等人報(bào)導(dǎo)了用的泵浦光功率在哪波長(zhǎng)處用的色散位移光纖實(shí)現(xiàn)的泵浦轉(zhuǎn)換【年，西。等人報(bào)導(dǎo)了寬帶轉(zhuǎn)換效率的雙泵浦光纖參量放大器的研究【】。同年，等人報(bào)導(dǎo)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(guò)對(duì)放大器參數(shù)的設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化研究。此外，泵浦光相位調(diào)制對(duì)光纖參量放大器的影響也被廣泛關(guān)注和大量研究四光纖參量放大器應(yīng)用研究從上世紀(jì)九十年代以來(lái)，光纖參量放大器（）以其高增益、寬帶寬、北京郵電人學(xué)博十論文第一章緒論具有相敏特性（理論上可實(shí)現(xiàn)自發(fā)輻射噪聲放大）巧弘

27、刪、波長(zhǎng)變換等顯著優(yōu)點(diǎn)在光通信領(lǐng)域引起了人們的關(guān)注。隨著研究的進(jìn)展，光纖技術(shù)在光通信諸如在線放大，歸零碼的產(chǎn)型，光時(shí)分復(fù)用【，透明波長(zhǎng)變換【】，全光取樣【】、光丌關(guān)、光脈沖生成、光解復(fù)用、脈沖壓縮、再生等方面取得廣泛應(yīng)用。年報(bào)導(dǎo)了利用光纖的四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)研列。利用光纖零色散波長(zhǎng)附近波長(zhǎng)，信號(hào)從轉(zhuǎn)換到，轉(zhuǎn)換效率為年，他報(bào)導(dǎo)了用兩個(gè)正交的不同頻率的泵浦光進(jìn)行四波混頻實(shí)現(xiàn)偏振獨(dú)立的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換【引。年，他報(bào)導(dǎo)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(hào)功率的增加，信號(hào)增益開始飽和，輸出信號(hào)功率達(dá)到最大值。當(dāng)信號(hào)光功率比較小的時(shí)候，信號(hào)增益比較大，當(dāng)增加信號(hào)功率到一定值

28、時(shí)，出現(xiàn)增益飽和輸出功率到最大值，此時(shí)即使信號(hào)功率有抖動(dòng)，輸出功率也不發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)了光功率均衡器的特性。年，鋤等人報(bào)導(dǎo)了光纖參量放大器用作波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的研究【】。實(shí)驗(yàn)中使用一個(gè)偏振光束分束儀構(gòu)成的環(huán)狀配置去研究波段的波分復(fù)用光波能被轉(zhuǎn)換至波段，且偏振敏感度低，交叉串?dāng)_也比較小。用光纖參量放大器做波段轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)在的轉(zhuǎn)換帶寬上利用的光纖獲得小于的偏振敏感度和大于的轉(zhuǎn)換效率。年，鋤等人報(bào)導(dǎo)了用兩泵浦光纖參量放大器實(shí)現(xiàn)偏振獨(dú)立寬帶波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，同時(shí)閑頻光譜沒有加寬的研究【】。研究使用二進(jìn)制相移鍵控泵浦相位調(diào)制，目的是為了壓縮同時(shí)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(shí)現(xiàn)信號(hào)非敏感的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)

29、換。用這種方式，研究在的信號(hào)帶寬上得到高于轉(zhuǎn)換效率的偏振獨(dú)立波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。年，“等人報(bào)導(dǎo)了用數(shù)字泵浦光纖參量放大實(shí)現(xiàn)全光再生器的研究【?！?。年，等人報(bào)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)全光信號(hào)的再生【】。同年，等人報(bào)導(dǎo)了基于光纖參量放大器的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換帶寬研究【】。研究利用一個(gè)系統(tǒng)方式評(píng)估優(yōu)化基于四波混頻的光纖參量波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換帶寬和增益抖動(dòng)。研究要求一個(gè)高的可調(diào)諧泵浦源，對(duì)于給定光纖色散斜率，發(fā)現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)的色散曲線可以得到最大的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換帶寬年，瑞典大學(xué)的等人報(bào)導(dǎo)了內(nèi)增益和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(cè)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(shuō)明了光纖參量放大器可以用于將來(lái)的光纖傳輸系統(tǒng)。年，等人對(duì)光纖參量放大器及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)并進(jìn)行了報(bào)引】。文章對(duì)單泵浦光纖參量北京郵電人學(xué)博斗論文第一章緒論放大器的理論進(jìn)行闡述的同時(shí)提出了幾個(gè)方面的應(yīng)用，比如用做全光信號(hào)取樣，時(shí)分解復(fù)用，脈沖生成和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的光纖參數(shù)和泵浦波長(zhǎng)配置，能夠在任意波長(zhǎng)獲得高增益低噪聲的參量放大，可以用于增加波分復(fù)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(gòu)成更高增益的光纖參量放大器的思想。實(shí)際上，這一想法已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。此外，文章還預(yù)言將來(lái)的高泵浦激光器的實(shí)用化將導(dǎo)致光纖參量放大器在未來(lái)光纖通信系統(tǒng)中扮演一個(gè)重

31、要角色。年，嬲等人報(bào)導(dǎo)了基于光纖參量放大器的信號(hào)放大的研究【。，第一次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了光纖參量放大器在系統(tǒng)中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)光纖參量放大器的研究還處于起步階段。清華大學(xué)王青等對(duì)高非線性光纖中抑制的方法做了研究，年，上海交通大學(xué)報(bào)導(dǎo)了用遺傳算法優(yōu)化多段光纖參數(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶單泵浦光纖參量放大【墻】。仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)單泵浦光纖放大器的四段光纖的參數(shù)利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到超過(guò)的平坦增益帶寬。年，北京郵電大學(xué)我們實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了光纖參量放大及波長(zhǎng)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(guān)鍵部件。近年來(lái)，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(fù)用技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。能同時(shí)發(fā)射幾個(gè)波長(zhǎng)的多波長(zhǎng)激光器對(duì)波分復(fù)用系統(tǒng)十分重要。當(dāng)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(zhǎng)密集程度的不斷提高，激光器之間的波長(zhǎng)間隔控制越來(lái)越難，并且系統(tǒng)的成本越來(lái)越高。多波長(zhǎng)光源則使這一問(wèn)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(qiáng)，還可以使網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控變得簡(jiǎn)單易行。在眾多多波長(zhǎng)光源中，超連續(xù)譜（，）光源是一種優(yōu)點(diǎn)較為突出的光源。對(duì)于超連續(xù)譜產(chǎn)生，早在上世紀(jì)七八十年代，人們就已經(jīng)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了研究【舳】，但由于早期在光纖技術(shù)方面不夠成熟，直到近十幾年對(duì)它的研究才呈現(xiàn)出較快的發(fā)展。超連續(xù)譜是指當(dāng)一束強(qiáng)度極大的超短光脈沖通過(guò)非線

33、性介質(zhì)時(shí)，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(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光脈沖的譜寬，頻譜范圍從可見光一直連續(xù)擴(kuò)展到紫外和紅外區(qū)域。北京郵電人學(xué)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(bào)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(jì)實(shí)用，也最引人注目。年，報(bào)道了在玻璃中的超連續(xù)譜產(chǎn)生，利用波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)是年由報(bào)道的，他們用納秒脈沖在（零色散點(diǎn)在咖左右）普通硅光纖中在長(zhǎng)波帶產(chǎn)生了覆蓋的超連續(xù)譜，這次的光譜展寬主來(lái)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(shù)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(zhuǎn)換效率顯著提高，同時(shí)對(duì)于超連續(xù)譜產(chǎn)生的物理機(jī)制有了較為明確的解釋。年代后，瓦級(jí)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(zhì)中獲得了高轉(zhuǎn)換效率的寬光譜，邊緣光譜強(qiáng)度比中心強(qiáng)度僅低個(gè)數(shù)量級(jí)，而在使用級(jí)飛秒激光之前，超連續(xù)譜的這個(gè)比值要低于個(gè)數(shù)量級(jí)以上。光纖超連續(xù)譜技術(shù)能在廣闊的光譜范圍內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生高重復(fù)率的多波長(zhǎng)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(cè)量時(shí)間以及加寬光譜測(cè)量范圍。產(chǎn)生高質(zhì)量超連續(xù)譜脈沖的關(guān)鍵是合適的抽運(yùn)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（）【。】等等，單模光纖中產(chǎn)生譜的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，中譜的產(chǎn)生是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，研究表明使用可以產(chǎn)生寬帶平坦的譜。超連續(xù)效應(yīng)在光子晶體光纖中的大多報(bào)道是在反常色散區(qū)進(jìn)行泵浦，或者零色散波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)和紅外波長(zhǎng)區(qū)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)利用飛秒脈沖進(jìn)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(fù)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(jìn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，近年來(lái)，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(lái)產(chǎn)生超連續(xù)譜【】，并己經(jīng)取得了較好的展寬結(jié)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(qiáng)度大大降低，在普通光纖中，產(chǎn)生超連續(xù)譜需要的光強(qiáng)度至少比中需要的光強(qiáng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，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(bào)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(xué)博

37、十論文第一章緒論的量級(jí)的飛秒脈沖在中產(chǎn)生了個(gè)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(gè)新的研究熱點(diǎn)。年，丹麥的的研究小組利用鎖模鈦寶石激光器輸出的重復(fù)頻率，波長(zhǎng)的脈沖在下常色散區(qū)泵浦長(zhǎng)，獲得了的超連續(xù)譜，而且譜的形狀對(duì)泵浦功率的波動(dòng)不敏感¨。年，英國(guó)大學(xué)報(bào)道了利用重復(fù)頻率、脈寬的可調(diào)諧鈦寶石激光器泵浦長(zhǎng)，得到了以上的超連續(xù)展寬¨，年，德國(guó)鋤大學(xué)的等又報(bào)道了被動(dòng)鎖模：激光器峰值泵浦功率為時(shí)，在中得到從到的譜，并得到的平均輸出功掣在年的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，香港大學(xué)的等人用平均功率為的脈沖在一段米長(zhǎng)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(jià)格依

38、舊是比較昂貴的，這樣會(huì)大大增加了系統(tǒng)的成本，從而不利于開展廣泛的基礎(chǔ)性研究工作，因此，近年來(lái)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(diǎn)。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(shù)來(lái)減小有效模場(chǎng)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(guó)大學(xué)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(cè)在姍范圍內(nèi)具有±的均勻性，功率譜密度；在斯托克斯一側(cè)，范圍內(nèi)具有±的均勻性，功率譜密度，年，日本”大學(xué)的等報(bào)道了利用保偏高非線性色散位移光纖（），在平均泵浦功率時(shí)，得到到的超連續(xù)光譜，帶寬達(dá)，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