生成波长可调谐超短光脉冲的自注入锁定实验系统的建立及其理论研究

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1、博博 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目论文题目 生成波长可调谐超短光脉冲的自注入锁定实验生成波长可调谐超短光脉冲的自注入锁定实验 系统的建立及其理论研究系统的建立及其理论研究 作者姓名作者姓名 陈吉武陈吉武 指导教师指导教师 李志能李志能 教授教授 学科学科(专业专业) 物理电子学物理电子学 所在学院所在学院 信息学院信息学院 提交日期提交日期 二五年四月二五年四月 浙江大学申请博士学位论文浙江大学申请博士学位论文 生成波长可调谐超短光脉冲的自注入锁定 实验系统的建立及其理论研究 生成波长可调谐超短光脉冲的自注入锁定 实验系统的建立及其理论研究 姓姓 名：陈名：陈 吉吉 武武 学科专业：

2、物理电子学学科专业：物理电子学 指导教师：李志能指导教师：李志能 教授教授 浙江大学浙江大学 信电系信电系 2005 年年 4 月月 Self-Seeding Gain-Switching Experimental System For Generation of Wavelength-Tunable Optical Short Pulse And Theoretical Study By JiWu Chen A Dissertation Presented to The Graduated School of Zhejiang University in Partial Fulfillmen

3、t of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy Supervisor: Professor Li Zhineng Department of Information Science and Electronic Engineering Zhejiang University, Hangzhou, China April， 2005 浙江大学博士学位论文 I 摘摘 要要 波长可调谐超短光脉冲在波分复用、 时分复用光纤通信系统以及光纤传感中具有广阔的 应用前景。对商用法布里珀罗（F-P）型激光二极管实施增益开关调制、并进行自

4、注入锁 定是产生波长可调谐超短光脉冲的简单、可靠方法，该方法属自注入增益开关技术。衡量自 注入锁定系统性能的两个主要参数是其输出的单模激光脉冲的边模抑制比（SMSR）和波长 调谐范围。论文首先针对以增益调制的 F-P 激光二极管为核心的自注入锁定系统，进行了理 论上的分析， 在频域和时域中分别讨论了关于增益调制的 F-P 激光二极管在自注入锁定系统 中产生波长可调谐超短光脉冲的原理， 提出了自注入锁定的实质是锁模的又一个方式， 即复 合激光腔的高阶锁模； 并提出了突出光学物理过程的宏观动态时域计算框架光脉冲的动 态跟踪计算方案， 并对两个实际的实验系统进行了模拟计算， 结果表明， 在光脉冲的

5、SMSR、 光脉冲的产生过程，以及光脉冲的形状上，与实际系统符合的较好。然后，提出和建立了几 个简单、高效、性能良好的自注入锁定实验系统，实验结果表明，这几个系统可产生可调谐 单波长、 或双波长超短光脉冲， 并且系统所输出的光脉冲在较宽的波长调谐范围内具有较高 的 SMSR。最后，提出并建立了应用于气体传感的自注入锁定实验系统，实验结果表明，系 统具有较高的测量灵敏度。主要创新内容如下： 1提出并建立了采用两个光纤光栅的自注入锁定基本实验系统，以生成在较宽的波长 选择范围内，具有较高 SMSR 的波长可调谐超短光脉冲。系统的关键是光路结构合理，仅 输出光需要光耦合器引导，而反馈光(种子光)则不

6、再通过光耦合器，从而，使种子光具有足 够的能量而保证了被选模式的较强竞争力。在增益调制的 F-P 激光二极管外腔中，采用了两 个串联相接的光纤光栅，以扩大波长调谐范围。实验结果显示，在 25.7 nm 的波长调谐范围 内，输出光脉冲的 SMSR 高于 32 dB。 在基本实验系统的反馈光路中加置 EDFA，可以极大地增强被选模式的竞争力。这种改 进系统的输出光脉冲在更宽的波长调谐范围里达到极高的 SMSR。系统在 24nm 的波长调谐 范围内， 获得了 SMSR 高于 40dB 的单模光脉冲输出； 而在 1521.8 nm 和 1550.0 nm 之间 28.2 nm 的波长调谐范围内，SMS

7、R 高于 35dB。 2提出并建立了利用 F-P 滤波器入射端面的反射作为输出的自注入锁定基本实验系统， 以生成波长可调谐超短光脉冲；并对在此系统的反馈光路中加置 EDFA 后而形成的改进系 统进行了实验研究。 入射端面的反射作为输出的基本实验系统的核心是光路结构合理而巧妙。 其关键是将可 调谐 F-P 滤波器的透射光与反射光分开，其中反射光作为系统的输出，使系统不再需要光耦 合器来引导输出，从而基本克服了 F-P 滤波器插入损耗大的缺点，保证了反馈光具有足够的 能量。基本实验系统简单高效，并实现了波长的电子调谐。实验结果显示，在 26nm 的波长 调谐范围内输出光脉冲的 SMSR 高于 30

8、dB，且在波长调谐过程中驱动射频电流的重复频率 保持不变。 改进实验系统的关键是在反馈光路中加置 EDFA。EDFA 有效地增强了被选模式的竞争 力，所以，输出光脉冲在更宽的波长调谐范围里达到较高的 SMSR。系统在 30nm 的波长调 谐范围内获得了 SMSR 高于 30dB 的单模光脉冲输出。最高 SMSR 超过 40dB。光脉冲的功 率明显增大，最高可达-5.83dBm。 摘 要 II 3提出了使每个光脉冲一次通过耦合器的生成可调谐双波长光脉冲的自注入锁定实验 系统。系统简单、可靠，双波长调谐方便。实验系统的关键是利用两个光环行器，构成反馈 光强损耗较小的光路，同时，利用光延迟线很好地保

9、证了两个波长的光在时间上的一致，从 而，显著地增强了处于 F-P 激光二极管边缘部分的各纵模的双模同时运转能力。在 20.7 nm 的波长调谐范围内，系统输出的双波长光脉冲的 SMSR 接近或高于 30dB 的。 4提出了自注入锁定方式应用于气体光谱测量的实验系统。系统对乙炔气体进行了差 值光谱吸收的测量。在实验测量过程中，通过切换激光器驱动电流的重复频率，很方便地实 现了激光脉冲在两个波长（吸收峰波长 abs和远离气体吸收峰的参照波长 ref ）之间切换。 与基于 DFB 激光器的测量方法相比，该系统波长调谐方便，对气体探测的灵敏度也大为提 高。此方法由于是以单模光脉冲进行的，所以对多点或多

10、气体测量具有潜在的应用前景。 关键词：关键词：超短光脉冲，增益开关，自注入锁定，边模抑制比，波长调谐 浙江大学博士学位论文 III Abstract Wavelength tunable optical short pulse has great applicable potential in wavelength-division-multiplexed (WDM) and time-division-multiplexed (TDM) optical fiber communications and optical fiber sensors. Simply and reliably ge

11、nerating wavelength tunable optical short pulse is by means of self-seeding while gain-switching of the commercially available Fabry-Perot (F-P) laser diode, which is called self-seeding gain-switching technology. The two main parameters to measure the capability and performance of the self-seeding

12、system are the side-mode suppression ratio (SMSR) of the output single-mode optical pulses and the wavelength-tuning range. This thesis focuses on the establishment of a self-seeding system by gain-switching tuning of F-P laser diode and its analysis in theory. Firstly discussions are carried out on

13、 the principle of generating wavelength tunable optical short pulse by self-seeded gain-switched F-P laser diode in frequency and time domains. The high-order mode lock of laser cavity is first expressed to be the matter of fact of self-seeding, as another manner for mode locking. Also a micro dynam

14、ic time domain computational frame emphasizing the optical physical process is first presented for computational optical pulse dynamic trace, and used in simulation calculation for two actual experimental systems. All the results in SMSR, the generation process, and the pattern of the optical pulses

15、 are shown well consistent with the actual systems. Then, a number of simple, efficient and robust self-seeding experimental systems are established for generating tunable single- and duel-wavelength optical short pulses, resulting in that the output optical pulses have high SMSR within the relative

16、ly wide wavelength tuning range. In addition, a self-seeding experimental system applied to gas sensors is first established, and the experimental result shows that the system is with higher sensitivity of measurement. The main innovational contents of this thesis are as follows: 1. Establishing and presenting a basic self-seeding expe