基于参量放大器的光脉冲产生研究

【摘要】高重复率脉冲的产生与压缩技术是全光网络中的关键技术之一。在常规通信窗口，无论是骨干网所采用的波分复用、时分复用等技术还是FTTx发展中所需要的接入技术等都需要一种可靠的短脉冲源作为技术支撑。然而，由于缺少相应的增益介质，传统的激光器不能满足在一些非常规波长上产生脉冲的需要。另一方面，随着光纤通信的发展，光参量放大器(FiberOpticalParametricAmplifier,FOPA)因其具备超快响应、较宽带宽、高增益以及波长可调性等特点而逐步进入了人们的视野。基于上述优点，将其应用于脉冲产生的技术中会有比较大的应用价值和研究前景。本文主要研究了基于参量放大器的光脉冲产生，具体研究工作如下：1、首先，论文介绍了光通信的发展以及其中的一些关键技术，重点介绍了一些光脉冲产生技术。论文介绍了一些常见的非线性过程以及高非线性光纤的概念，阐释了四波混频过程的物理机理，同时也分析了一些影响相位匹配的因素：材料色散、波导色散以及非线性效应。同时，文中简单地分析了泵浦功率取不同值时，参量增益的变化情况。2、其次，在小信号模型中，本文通过两种推导方法对单泵浦结构参量放大器进行了比较详细的分析，泵浦功率减小会导致信号增益谱幅度减小且其边缘会向中心位置移动，这是产生闲频脉冲的基本原理，这也为后面的数值方法提供了理论依据。本文分析了常用的对称分步傅里叶方法(SSFM)，并根据所研究内容的特殊性对此方法做了相应的修改，提出了一种新的分步傅里叶数值解法：在色散效应部分仍采用一般的方法，而在非线性部分的处理中采用了基于龙格-库塔法的解微分方程法求解。3、再次，以前的研究主要集中于信号波与闲频波之间的波长转换，而本论文主要分析的是输入脉冲形式泵浦波的情况下所产生的闲频波。文中以双曲脉冲为例，分析了信号波与泵浦频率间隔对闲频脉冲的占空比以及峰值功率的影响。研究结果表明频率间隔取值较小时，闲频脉冲峰值功率较大但占空比也比较大,但总体而言，闲频脉冲在占空比上有了较大的改善。此外，采用文中所提出的方法以及具体的参数取值，分析了信号波、闲频波以及泵浦波之间的走离效应对在相应波长上所产生的闲频脉冲的影响。证明了前面研究类似的性质。在此基础上考虑群速度色散，分析了泵浦功率被正弦幅度调制时，不同调制频率下所产生闲频脉冲的特点。结果表明，群速度色散对脉冲的影响与具体的调制频率有关。按照论文中所取的参数值，调制频率为10GHz时脉冲被稍微展宽了；在20GHz和40GHz时，色散效应与走离效应的共同作用能有利于保持闲频脉冲的形状。4、最后，论文分析了双泵浦结构参量放大器中两个泵浦波正交线偏振的情况，并进行了相应的推导，分析了泵浦功率逐渐减小时其信号增益谱的特性。结合泵浦波同线性偏振的情形，分析并比较了各自信号增益的特点。同时，分析了两种情况下相位失配量对参量增益敏感度的影响。分析表明，泵浦同线性时，最大增益敏感度在失谐量L接近-0.12的处取得；泵浦正交时，在失谐量L接近-0.9时取得。论文比较了同线性偏振的情况下单、双泵浦结构中产生脉冲受走离效应影响的特点。仿真分析表明，在得到相近峰值功率脉冲的情况下，走离效应对双泵浦结构的影响更小，但是脉冲宽度会更大。采用正交偏振的泵浦波时，虽然可以使得FWM过程偏振无关，但是其较小的信号增益会影响所产生脉冲的峰值功率。分析表明通过增大泵浦脉冲功率也产生比较理想的脉冲。最后，利用本文中的算法，分析了基于单泵浦参量放大器的脉冲产生过程中泵浦相位调制对脉冲序列的影响，验证了前人文献中的结论；并在此基础上，进一步研究了双泵浦FOPA中泵浦波相位调制对产生脉冲的影响，推导了包含相位因子的信号增益表达式，并结合相位调制对脉冲的影响进行了相应的分析。研究表明，除了采用单泵浦中的方法，双泵浦FOPA中还可以对泵浦波进行同步反向调制来获得功率平整的脉冲序列。
【作者】王哲；
【导师】李齐良；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】脉冲；参量放大器；走离效应；群速度色散；相位调制；

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