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光纤通信中的某些光传输问题及光纤光栅外腔半导体激光器

吴正茂  
【摘要】: 在光纤通信中,正确模拟光脉冲在光纤中的传输演变过程无疑是非常重要的。就单一的光脉冲而言,其时间范围可以为无限,而在计算过程中我们只能就其中起主要作用的一段时间范围进行模拟,这一时间范围定义为时间窗口T_w。时间窗口的选取毫无疑问对计算结果有很大的影响,然而目前针对T_w的选取及其对数值模拟结果的影响这一方面的研究尚未见报道。基于此,本文提出了利用分步傅里叶方法计算光脉冲在光纤中传输时间窗口的选取方法,给出了正确模拟光脉冲通过不同长度的光纤后光脉冲的变化所要选取的时间窗口(即计算过程中所取的积分上下限之差)。在此基础上,对不同的光脉冲在光纤中的传输进行了数值模拟,发现前人得出的超高斯光脉冲在光纤中传输会由于色散而产生脉冲形状扭曲这一结论是错误的,并指出了错误的原因所在。 人们在对光脉冲在光纤中传输演变的理论研究过程中,常常假定入射光脉冲具有高斯型分布。但在实际的光通信系统中,人们常采用由直接调制半导体激光器产生的光脉冲作为信号脉冲,而实验结果表明这种脉冲具有比高斯脉冲更为陡峭的前沿和后沿,其脉冲形状更接近于超高斯分布,并且通常还带有一定量的啁啾。因而在研究这种脉冲在光纤中的传输特性时,用超高斯分布来模拟更接近物理事实。Agrawal等人曾对脉冲边沿变化较缓的超高斯脉冲在光纤中的传输特性进行了一些初步研究,但是没有深入下去。而对具有更加陡峭边 四川大学博士学位论文 沿的超高斯入射脉冲在光纤中的传输特性的研究却未见报道。木文通过合理地 选择入射脉冲的时间窗口,研究了超高斯光脉冲在普通单模光纤中的传输特性。 数值模拟的结果表明:超高斯入射光脉冲在光纤中传输时脉冲波形、瞬时惆啾、 以及峰值强度的演变规律与高斯入射脉冲不同,脉冲波形不再总保持单峰结构, 通常将经历一个从近平顶、多峰、最后到单峰的演变过程;从脉冲的前沿到后 沿,瞬时明啾也不再为线性,而是具有多个极值;峰值强度随传输距离的变化 趋势也不再为一单调递减,而是先增加后减小。并且这些变化规律还与入射超高 斯脉冲的边沿陡峭程度和初始频率惆啾有关。 法布里一拍罗滤波器(FPF)因其在光纤通信、光信息处理等诸多领域方面 的应用而受到人们的广泛关注。对于光脉冲通过法布里一拍罗滤波器后的时域 和频域特性己有不少报道,然而我们注意到,在这些研究中激光通常被当作平 而波。而实际土激光光束近似为厄米一高斯光束或拉盖尔一高斯光束,其基模为 高斯光束。基于此,同时考虑到在应用中光束正入射FPF的情况往往是很难达 到的,木文就高斯光束斜入射FPF后的透射光强分布进行研究。结果表明,当 以较大角度入射时,输出为一系列空间分离的光斑:当以较小角度入射时,输 出尽管为单一光斑,但是与输入相比,其峰值强度位置发生了偏移,_且光斑变 大。与共振情况(即高斯光束的载波频率与法布里一拍罗滤波器的谐振频率一致) 相比,非共振条件(即高斯光束的载波频率与法布里一拍罗滤波器的谐振频率存 在偏差)一「透射光束的峰值强度、峰值强度所对应的位置、以及光斑的大小随入 射角的变化都发生了显著的改变。 随着半导体技术的发展,半导体光放大器(SLA)的性能己得到极大改善。 Sl姚己被广一泛地应用到光纤通信系统的众多领域,由于其在高速光开关、全光 波长转换、2尺或3R再生以及在线放大等诸多方面均具有广阔的应用前景因而 倍受人们关注。描述SLA对超短光脉冲的动态响应这一过程的最初的理论模型 是由Agrawal和01SSon提出的,该模型包含了由于受激辐射消耗载流子引起的 SLA增益饱和。随着人们对这一动态过程认识的逐渐深入,以后的模型逐步发 展到包含带内载流子受热和频谱烧孔引起的增益压缩,增益非对称和漂移,随 位置和时间变化的载流子寿命等物理机制。然而,由于采用包含上面所有机制 的模型在进行数值模拟比较复杂,所以一般的模型都只包含部分的物理机制。 四川大学博士学位论文 木文综合近十年来的相关研究结果,提出了一较为完善的模型—包含了受激 辐射消耗载流子引起的SLA增益饱和、带内载流子受热和频谱烧孔引起的增益 压缩、增益非对称和漂移、随位置和时间变化的载流子寿命等物理机制,并进 行了相关研究。数值模拟结果表明,要精确描述皮秒脉冲经SLA放大后的实时 分布,必须考虑SL八增益谱的波长分布和漂移。利用这一理论模型,数值研究 了经半导体光放大器(Sl,A)放大后的皮秒脉冲的上升和下降时间。结果表明, 随着SI--.A偏置电流的增大,上升时间将缩短而下降时间将延长;输入脉冲的大 峰值功率将加速上升时间的缩短和下降时间的延长:增益压缩对脉宽为几个皮 秒的输入脉冲的上升时间和下降时间有明显的影响,而对脉宽为几十皮秒的输 入脉冲可近似认为没有影响;增益非对称和漂移强烈影响上升和下降时间。 随着信息技术的迅猛发展,数据传输的容量正在持续稳定地提高,因此运 用波分复用(WDM)技术提高光纤通信的容量已经成为光纤通信领域


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