新型全光纤滤波器及半导体环形激光器的研究与应用

摘要

结构紧凑、成本低廉、性能优良且兼容性好的光纤滤波器，是高性能的多波长光纤激光器与光纤传感系统中的关键器件。本论文结合所承担的国家自然科学基金及国家973项目，针对基于新型全光纤滤波器的光纤传感器以及可调多波长光纤激光器，开展了深入的理论与实验研究;半导体环形激光器(SRLs)拥有传统Fabry-Pérot腔激光器所没有的光学双稳态特性以及腔内增强型的非线性效应，加上其本身的可集成性及低功耗等特点使得SRLs俨然成为现代全光网络节点中最具应用前景的全光功能器件，本论文对SRLs的噪声特性、反馈特性及其在混沌通信中的应用进行了详细的研究与探讨，主要创新性成果如下:
　　1.提出并制作了两种温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感器，有效地解决了测量过程中温度交叉敏感的问题。基于耦合型双芯光纤(TCF)级联光纤光栅(FBG)的传感器可以实现4.3048με及0.4562℃的应力与温度传感测量分辨率;而基于up-taper的马赫-曾德干涉仪(MZI)内置FBG的传感器可以提供的应力与温度分辨率分别为10.07με和0.311℃。提出并实验验证了一种基于TCF光纤激光器的温度与应力解耦双测量传感器，不仅解决了温度与应力的交叉敏感问题，而且适用于远距离传感测量。波长及峰值功率的应力灵敏度分别为1.48pm/με和7.52×10-4mW/με;波长及峰值功率的温度灵敏度分别为9.2pm/℃和-4.45×10-3 mW/℃。
　　2.提出了一种基于TCF梳状滤波器的波长间隔可调双波长掺铒光纤激光器。室温下实现了波长间隔可调范围为0到2.4nm的双波长同时稳定激射。双波长均为线偏振光且相互正交，两偏振态的偏振度分别为99.8％和99.7％。提出并制备了一种基于拉锥taper且具有偏振依赖特性的MZI滤波器，室温下实现了基于该滤波器的波长间隔为0.8nm的7个波长同时稳定激射，每个通道的光信噪比均高于35dB。30分钟测试时间内，所有波长峰值功率波动均低于0.6dB，可以通过调节腔内PC进行波长数目的切换。
　　3.推导并建立了适用于SRLs频域多模分析的Langevin噪声模型。SRLs的相对强度噪声谱的弛豫振荡峰值出现在高频处，且随着偏置电流的增加向高频方向移动;低频RIN水平达到10-13到10-14Hz-1且一直延展到驰豫振荡峰值处，比传统半导体激光器高1-2个数量级。
　　4.推导并建立了一套具有普适性的用来分析SRLs在外反馈作用下动态响应特性的模型，该模型适用于任意外反馈强度以及任意外腔反射次数的情况。在双向外反馈作用下，随着外反馈强度的增加，SRLs会依次经历双向稳态、周期振荡、倍周期振荡以及混沌工作状态。当SRLs工作于混沌状态时，整个RIN水平比自由运转时高2-3个数量级。提出了一种利用SRLs在双向对称交叉外反馈作用下实现占空比为50％重复频率可达数GHz的全光方波发生器。重复频率或方波周期可以通过改变外腔时延方便地调谐。
　　5.提出了基于SRLs的混沌同步保密光通信系统，利用非线性薛定谔方程构建了基于光纤信道传输的SRLs混沌保密光通信系统的理论模型。不论采用混沌键控还是混沌隐藏的加密方式，利用总输出都可以实现信号无失真的解调;而采取单向输出解调出的信号质量严重劣化。随着传输速率的提高，恢复信号质量逐渐劣化，解调Q因子从250Mb/s时的9.86降到5Gb/s时的5.497。分别讨论了光纤信道里损耗、色散和非线性效应对混沌同步通信系统性能的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 基于光纤梳状滤波器的光纤传感器

1．3 基于光纤滤波器的多波长光纤激光器

1．3．1 稳定波长间隔可调的双波长光纤激光器

1．3．2 基于NPR效应的多波长光纤激光器

1．4 集成半导体环形激光器

1．4．1 半导体环形激光器器件结构的演化

1．4．2 半导体环形激光器在全光信号处理领域的应用

1．4．3 半导体环形激光器噪声特性的研究意义与现状

1．4．4 外反馈半导体环形激光器的研究意义与现状

1．5 混沌同步与保密光通信的研究历史与意义

1．5．1 混沌同步与基于半导体激光器的混沌通信

1．5．2 基于半导体环形激光器的保密光通信的研究现状

1．6 本论文的主要工作与内容

2 基于光纤滤波器的新型光纤传感器及多波长光纤激光器

2．1 引言

2．2 新型光纤滤波器的工作原理与实验研制

2．2．1 PD-TCF光纤梳状滤波器

2．2．2 基于拉锥taper的PD-MZI光纤滤波器

2．2．3 基于up-taper的马赫-曾德尔干涉型梳状滤波器

2．3 双芯光纤型温度与应力解耦双测量传感器

2．3．1 TCF级联光纤光栅的温度与应力双测量传感系统

2．3．2 基于TCF光纤激光器的温度与应力解耦双测量

2．4 基于up-taper的新型温度与应力解耦双测量传感器

2．4．1 传感器的制作及实验原理

2．4．2 传感器的应力与温度测试

2．5 基于耦合型TCF的波长间隔连续可调双波长光纤激光器

2．5．1 激光器实验结构与原理

2．5．2 激光器的双波长间隔连续可调性

2．5．3 双波长激光的偏振特性测试

2．6 基于PD-taper滤波器的多波长掺铒光纤激光器

2．6．1 实验原理与激光器实验结构

2．6．2 实验结果与分析

2．7 本章小结

3 半导体环形激光器的波导设计、器件制作与芯片测试

3．1 引言

3．2 半导体环形激光器的材料结构与波导设计

3．2．1 用于半导体环形激光器的材料结构

3．2．2 输入／输出耦合波导

3．2．3 条形波导结构

3．2．4 输出bus波导

3．2．5 环腔几何尺寸及阈值电流

3．3 半导体环形激光器的制作

3．3．1 芯片的准备

3．3．2 波导的定义

3．3．3 接触窗口的制作与平坦化工艺

3．3．4 欧姆接触电极的制备

3．3．5 芯片的解理与封装

3．4 实验平台的搭建与半导体环形激光器的测试分析

3．5 本章小结

4 半导体环形激光器的动力学特性与噪声特性分析

4．1 引言

4．2 半导体环形激光器的理论模型

4．2．1 光学谐振腔中的激光动力学

4．2．2 半导体媒质的线性光学响应

4．2．3 半导体媒质的三阶电极化强度与电极化率

4．2．4 半导体媒质中载流子的输运动力学

4．3 相对强度噪声RIN与P-I特性曲线

4．4 半导体环形激光器的多模动力学与噪声特性分析

4．5 背向散射系数对RIN特性的影响

5 外反馈半导体环形激光器的动力学与噪声特性

5．1 引言

5．2 理论模型

5．2．1 外反馈作用下的阈值和相位条件

5．2．2 外反馈对速率方程的修正

5．3 单向交叉外反馈作用下的SRLs模式动力学

5．4 双向交叉外反馈作用下的SRLs模式动力学

5．4．1 非对称双向交叉外反馈

5．4．2 对称双向交叉外反馈

5．5 本章小结

6 半导体环形激光器的混沌同步及保密通信的应用研究

6．1 引言

6．2 半导体环形激光器混沌同步保密通信系统基本理论

6．2．1 基于时延外反馈半导体环形激光器的混沌同步系统

6．2．2 混沌同步光通信系统的混沌加密方法

6．2．3 混沌同步通信系统的混沌滤波效应

6．3 开环配置SRLs混沌通信系统中的参数失配

6．4 混沌载波的信道编码与解码特性分析

6．4．1 基于CSK加密方式的信道编码与解码

6．4．2 基于CM加密方式的信道编码与解码

6．4．3 参数失配对信号解调质量的影响

6．4．4 调制速率对信号解调质量的影响

6．5 基于光纤信道传输的激光混沌保密通信系统

6．5．1 光纤信道传输方程

6．5．2 混沌保密光通信系统经由光纤链路传输的特性研究

6．5．3 混沌通信系统的色散管理

6．6 本章小结

7 结束语

7．1 本论文主要研究结果

7．2 下一步拟进行的工作

参考文献

作者简历及攻读博士期间取得的研究成果

学位论文数据集