光纤孤子激光器及用其作源的光孤子传输实验

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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第23卷 第9期中 国 激 光Vol . A 23, No. 9 1996年9月CH I N ESE JOURNAL OF LA SERSSeptember, 1996 收稿日期1995年10月23日;收到修改稿日期1996年1月2日 光纤孤子激光器及用其作源的 光孤子传输实验 姚建国 杨淑雯 张登国 (深圳大学新技术研究中心,深圳518060) 提要 介绍了一个1155m光纤孤子激光器及利用它作源的光孤子脉冲传输实验。其中采用

2、了掺 铒光纤放大器锁模技术。 实测孤子激光器输出脉冲宽度为30 ps,谱宽为0116 nm;经过50 km色散 位移光纤传输后,其脉宽与谱宽基本维持不变。 关键词 光纤,孤子激光器,光孤子传输 1 引 言 由于光孤子具有窄脉宽及传输过程中波包非常稳定的特点,光孤子已成为超大容量、 超高 速率和超长距离数字式光纤通信一个有效的信息载体。光孤子通信是实现新一代全光通信的 关键技术之一。 光孤子通信的关键之一是光孤子的产生。 亦即对光孤子激光器的研制1 4。 英国电信实验 室的 X. Shan等人利用铌酸锂光强度调制器与掺铒光纤环行激光器做成了2 Gb?s光纤孤子 激光器5。由于铌酸锂光调制器是无源

3、器件,其插入损耗大(6 dB ), 消光比小(10 dB ), 且 对输入信号偏振态很敏感,因此环路内需要用高增益光纤放大器才能充分保证环路起振。 本文 研究的光纤孤子激光器采用有源半导体作光调制器,具有正向增益(导通时)、 高消光比( 20 dB)、 同时对脉冲偏振荡的敏感度低等优点,因此只需配以低增益光纤放大器就可使环路稳定 工作。 2 光纤孤子激光器的构成 图1为光纤孤子激光器的构成示意图。光纤环路由宽带掺铒光纤(EDF)、 普通单模光纤、 光纤定向耦合器和波分复用器(WDM)、 偏振控制器(PC)以及有源半导体光调制器等组成。 为 了防止环路外反射信号的干扰,在输出光纤耦合器前加了一个

4、光隔离器(ISO)。掺铒光纤长度 约20m ,芯径511 m, 与包层折射率差为010135。 泵源采用1148m中功率半导体激光器( 30 mW ), 其构成的光纤放大器净增益约为16 dB。有源光调制器采用多量子阱半导体光放大 器(MQW SLA)构成,且使用超高频封装;在驱动电路上采取补偿措施后,其小信号调制带宽 达到4 GHz。当设入电调为100 mA时,其内部功率增益约为18 dB。整个环路长度约为100 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. m ,其中包括

5、了 80m标准单模光纤,对应的基本谐振频率为2M Hz。 有源半导体调制器由一个 频率合成器直接驱动,并调谐到环路基频的某一高次谐振频率上(本实验调到约215 GHz)。 在 实际系统应用时,可以把整个环路光纤或一部分光纤绕到一个圆筒上,通过热应力(或机械应 力)作用,使光纤长度产生微量变化,从而达到调谐和稳定环路工作的作用。 Fig. 1 Construction scheme of fiber soliton ring laser FSRL: fiber soliton ring laser; Mod: modulator; SM : single mode fibre; EDF: erb

6、ium2doped fibre; ISO: isolator; WDM : wave division multiplier; PC: Polarization controller Fig. 2 Output pulses of the fiber soliton ring laser Fig. 3 Experi mental spectrum w idth of the soliton pulse 光纤孤子激光器的输出脉冲波形示于图2。 采用光示波器时,测得的平均脉冲宽度约为30 ps。由于光示波器本身的脉冲响应时间在10 ps 左右,因此实际测得的孤子脉冲宽度应该小于25 ps。 图3给

7、出了实测的孤子脉冲的频谱宽度,为 0116 nm。 由于所用光谱仪的分辨率仅为011 nm , 所以实际的脉宽与谱宽乘积约为014 ,介于传输 限孤子脉冲 (0 1 315) 与高斯脉冲 (0 1 44) 之间。 3 光孤子传输实验 光孤子传输实验装置如图4所示。实验中采用了两种光纤:第一种为1215 km长的普通 单模光纤;第二种为50 km长的色散位移光纤。传输后的孤子脉冲依次送到光示波器、 光谱仪 及宽带光? 电转换器以测量脉冲宽度、 频谱宽度及信号眼图。 Fig. 4 M easurement setup of the transm ission of the fiber solito

8、n ring laser FSRL: fiber soliton ring laser; ATT: optical attenuator; O? E: optical?electrical converter;Dis:display;Spe:spectrometer; OS: opticaloscillograph; DSF: dispersive displacement optical fi2 bre 由光孤子的传输理论知,孤子脉冲的传输需要维持一定的脉冲宽度,低于这个门限幅度时 则非孤子脉冲成份增加、 脉冲展宽也增加。通常这个门限幅值与光纤的色散特性有关。普通单 膜光纤在1155m窗口色

9、散较大,所需峰值脉冲在100 mW数量级,而色散位移光纤所需的 门限幅值较小,约为10mW数量级。图5给出了孤子脉冲经过1215 km常规单模光纤传输后 077中 国 激 光23卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的脉冲宽度、 频谱宽度与入纤功率的关系。 由图中可见,当平均入纤功率小于5mW时,经传输 后孤子脉冲变形很大,脉冲宽度到50 ps,谱宽也上升到0118 nm。当平均入纤功率增加到25 mW时,传输后的孤子脉冲只是略有失真,脉宽为32 ps,谱宽为01

10、138 nm。由于实验条件限 制,最大入纤功率我们只能测到25mW。若进一步增加孤子入纤功率,则可望经过传输后孤子 形状基本不变,甚至加以压缩。 Fig. 5 Pulse w idth of optical soliton pulse after transm ission of a 12. 5 km ordinary single mode fiber Fig. 6 Pulse w idth of optical soliton versus length of the ordinary single mode fiber 图6所示为实测孤子脉冲宽度与单模光纤长度的关系曲线。测试中入纤光功率

11、为+ 13. 6 dBm (25 mW )。经过25 km单模光纤传输后,孤子脉宽只是略有展宽(35 ps ), 但经过75 km 单模光纤后,脉冲展宽则达75 ps。原因是经过75 km的传输后,信号幅度将近衰减了20 dB, 已不足以维持孤子脉冲所需的最低幅值,因此脉冲到后面已不是孤子波,光纤色散引起的脉冲 展宽占了主导地位。由此可见,要维持孤子脉冲波在传输过程中的特性不变,必须不断给孤子 脉冲补充能量,以补偿光纤的损耗。 Fig. 7 Pulse w idth against input pulse power after transm ission of a 50. 0 km disp

12、er2 sive displacement optical fiber 图7为经过50 km色散位移光纤后脉冲宽度 与入纤脉冲功率的关系曲线。由于色散位移光纤 对1155m孤子脉冲所需的门限幅值较低,因此 5 mW的入纤功率足以使孤子脉冲经过50 km 传 输后基本不变。这从一方面亦说明了输入传输光 纤的脉冲是光孤子;当然我们判定是光孤子还因 为我们利用了非线性光纤,光脉冲不断被压缩, 从而保证了输出的脉冲是光孤子。我们实验中还 发现, 710 mW的入纤功率可使孤子脉冲在50 km传输后被进一步压缩到25 ps左右。 致谢 本文实验部分工作是在英国电信实验室进行的,实验过程中得到单雪康博士和

13、其他英 国同行们的支持和帮助,特此致谢。 参考文献 1 J. Kafka, T. Baer, D.Hall . M ode2locked erbium2doped fiber laser w ith soliton pulse shaping. Op t. L ett. , 1989, 1412691271 2 K. Sm ithet al. . Totally integrated erbium fiber soliton laser pumped by laser diode.E lectr.L ett. , 1991, 27144146 3 X. Shan, D. Cleland, A.

14、 Ellis. Stabilising Er fiber soliton laserw ith pulse phase locking.E lectr.L ett. , 1992, 28182183 1779期姚建国 等:光纤孤子激光器及用其作源的光孤子传输实验 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4 G.P. A grawal .Fiber2optic communication system s. A W iley2Interscience Publicatio

15、n, U SA , 1992. Chapter 9, 391427 5 X. Shanet al. . Novelmethod to suppress noise in harmonically mode locked erbium fiber laser.E lectr. L ett. , 1993, 29979980 A Fiber Soliton Laser and Its Application as an Amplif ier in the Optical Soliton Transm ission Experi ment Yao Jianguo Yang Shuw en Zhang

16、 Dengguo (A dvanced T ech.R es.Center,S henzhen U niversity,S hengzhen518060) Abstract A 1. 55m fiber soliton laser is described and the transm ission experi2 ment of the fiber soliton pulse by using it as an amplifier is also introduced. A mode locked erbium fiber laser is used in the experiment.Experimentally,the output pulse w idth and spectrum w idth of the fiber soliton laser are 30 ps and 0. 16 nm , re2 spectively.There is nearly no change f