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光纤激光器研制及其在全光调制信号分析仪中的应用

【摘要】:随着光通信传输容量的飞速提升,尤其是5G通信技术即将全面商用,传统信号监测方案由于电子器件宽带和开关弛豫振荡的限制,已经无法满足大容量高带宽复杂调制格式光信号的监测需求。线性全光采样技术对光信号速率透明,可以测量获得光信号包括幅度、相位、偏振等全场信息,精度高,成本低,因此受到科研人员的广泛关注。采样脉冲光源作为线性全光采样系统中的核心关键,对高速光信号的波长测量范围和调制信号分析精度起决定性作用。因此,研究低时间抖动、高重复频率、窄脉宽、宽光谱的采样脉冲光源是高速全光调制信号分析仪开发的核心技术。本论文在国家重大科学仪器设备开发专项《宽带高速光电信号分析仪设备开发》支持下,基于锁模光纤激光器相关理论,从三个方面研究采样脉冲光源的实现方案,即标矢量偏振特性、波长可调谐特性、输出脉冲稳定性,设计出适用于全光高速调制信号分析仪的飞秒脉冲光纤激光器,并研制开发出工程样机,完成功能和可靠性第三方测试,最后对商用100G偏振复用正交相移调制(PDM-QPSK)信号开展现场对比测试。论文主要创新点包括:(1)研究光纤激光器中孤子脉冲的标矢量特性,在传统基于非线性偏振旋转(NPR)效应的锁模光纤激光器中,通过调控腔内局部双折射强度,使用拍长为5cm的高双折射掺铒光纤(EDF),在偏振受限的光纤谐振腔中激发出弱矢量孤子,通过腔外全光纤偏振解析模块证实矢量孤子产生,标量和矢量孤子可以在腔内实现相互转化。(2)设计了一台腔内具有弱偏振限制条件的光纤激光器,并加入碳钠米管(CNT)辅助锁模,实现NPR和CNT两种锁模机制的切换。当NPR效应主导锁模时,输出为矢量孤子,当CNT主导锁模时,输出为标量孤子。从而实现了在同一光纤激光器中标量和矢量孤子可切换输出。(3)基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现锁模,辅助以非线性双折射滤波效应,设计并搭建了一台耗散孤子锁模光纤激光器,可同时实现波长可调谐和多波长两种脉冲输出状态。腔内不需要额外增加滤波器件,仅通过调节腔内线性双折射,耗散孤子波长可在7 nm范围内连续可调,且光谱始终保持稳定。亦可以得到波长间隔为9 nm的双波长和三波长耗散孤子输出,各波长通道信号强度相同。(4)研究孤子脉冲光纤激光器的稳定性与可靠性。设计并搭建了一台结构简单紧凑的全保偏飞秒光纤激光器,通过将多段保偏光纤旋转特定角度进行熔接的方法,在光纤谐振腔的熔点位置发生偏振演化,从而引入NPR效应,实现正色散区耗散孤子锁模脉冲输出,光谱谱宽达到20 nm,脉冲重复频率为24.5 MHz,经腔外压缩脉宽达到260fs,激光器在长时间内显示出极好的环境稳定性。(5)基于自研的宽谱飞秒脉冲采样光源,研发全光调制信号分析仪工程样机,完成商用100G信号的波形分析、速率和眼图等现场测试。对于1550 nm-1570 nm范围内50个波长信道的128 Gbps偏振复用正交相移调制(PDM-QPSK)信号,与Agilent公司商用调制信号分析仪(N4391A)开展对比测试,证明工程样机可获得与商用仪器性能相同的时域参数分析结果,工程样机的眼图由于克服电子瓶颈,上升/下降沿更陡峭,但由于全光采样的欠采样特性,星座图不如商用仪器的星座图密集。

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