偏振复用光纤通信系统及微结构光纤器件的相关技术研究

摘要

本论文的工作是围绕以下项目展开的：以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要工艺创新与基础研究”(项目编号：2003CB314900)：教育部科学技术重大研究项目“基于微结构光纤的新一代光通信器件及系统”(项目编号：104046)，国家高技术研究发展计划(863计划)项目“单结构与多结构集成式光子晶体光纤及器件”(项目编号：2003AA311010)，863计划项目“光子晶体光纤及器件的研制与开发”(项目编号：2007AA032447)，以及国家留学基金委资助项目(学号：2007U48018)。 本论文主要对偏振复用光纤通信系统的传输特性以及基于微结构光纤的光通信器件进行了理论和实验研究，主要研究内容和创新点如下： 1、对于采用光域偏振解复用技术的偏振复用直接检测系统，研究了偏振模色散和偏振相关损耗对系统性能的影响。研究结果表明：偏振模色散的影响大小很大程度上由两个偏振态上信号的相对时延与信号的频谱带宽决定，而偏振相关损耗的影响大小与相对时延和频谱带宽的相关度很小；通过采用恰当的偏振解复用设置，偏振相关损耗引起的两个偏振态之间的信号串扰可以被完全消除；同时，还研究了偏振模色散和偏振相关损耗的综合效应，发现系统中偏振模色散和偏振相关损耗交替发生作用时，各自引起的串扰并无相互增强的效应。这些结论对偏振复用系统的设计与性能评估具有重要意义。 2、针对偏振复用直接检测系统，提出了一种新型的全自动光域偏振解复用技术，该技术使用系统接收端的一个低频电功率探测器输出的幅度信号作为控制信号。该技术基于偏振复用信号的固有特性，因此不需要在信号发送端再附加额外的标识信号。该技术的有效性在2×10 Gb/s的开关键控偏振复用系统上得到了实验验证。 3、提出并验证了一种简单而准确的光纤Kerr非线性系数测量方法。该方法基于光信号的非线性偏振旋转，而这种旋转源于两个同时在光纤中传播的光波之间的交叉相位调制效应。利用该测量方法分别测量了标准单模光纤与TrueWaveTM Reduced Slope光纤的Kerr非线性系数，与已报道的测量结果吻合得很好。 4、与他人合作，研究了非线性偏振散射对偏振复用-波分复用系统的影响。分别实验研究了10-Gbaud的差分四相相位键控、差分二进制相位键控、开关键控的偏振复用-波分复用系统。实验结果表明，通过采用两个偏振方向上的归零信号时域间插的方式，可以显著抑制非线性偏振散射，从而提高偏振复用-波分复用系统对信道间的非线性效应的容限。 5、提出了一种用于宽带色散补偿的微结构光纤的设计方案。该光纤具有三角对称的周期性空气孔结构，空气孔直径有三种尺寸；仿真计算结果表明，这种微结构光纤可以在以1550nm为中心的100nm波长范围内，补偿其自身长度98倍的标准单模光纤的色散，色散补偿率偏离度在0.5％之内；同时，以当前的微结构光纤拉制工艺水平为参考，拉制过程中空气孔直径正常的不规则性对这种微结构光纤的宽带色散补偿能力影响很小。 6、利用光信号在一段80m长的微结构光纤中的交叉相位调制效应实现了对10GHz时钟信号的全光波长变换，变换带宽超过30nm。该实验所使用的微结构光纤非线性系数约为11W-1km-1，其在1530到1570nm波长范围内具有很小的正常色散和平坦的色散曲线。实验结果表明，利用这种微结构光纤可以实现结构紧凑的宽带波长变换器。 7、与他人合作，基于四波混频原理，利用一段30m长、在超过100nm的波长范围内具有平坦的低值正色散特性的微结构光纤实现了对10-Gb/s光信号的波长变换。在以1550nm为中心的20nm波长范围内平均转换效率为-19.5dB，转换效率的起伏在±1.4dB之内；波长转换后的信号眼图具有良好的睁眼度。 8、与他人合作，以锁模半导体激光器产生的1.6ps脉冲作为泵浦源，以一段80m的色散平坦高非线性微结构光纤作为非线性介质，在1.55μm波长区域产生了谱宽超过100nm的平坦超连续谱。实验中获得的宽带、平坦超连续谱在1503nm到1593nm宽达90nm的波长范围内，具有±2.5dB的平坦度。 9、实验实现了一种基于微结构光纤的光纤环激光器。通过微调控制信号的频率，激光器实现了稳定的锁模状态，在C波段获得了重复频率为10GHz、宽度小于8ps的相干光脉冲输出。在该激光器中，采用了掺铒光纤放大器作为腔内增益介质，并使用了一段25m长、具有反常色散、高非线性的微结构光纤作为脉冲压缩介质。通过调整腔内的带通滤波器中心频率可以实现对工作波长的连续调谐，因此该激光器可作为波分复用系统的可调谐光源。 10、与他人合作，利用全矢量有限元方法，对椭圆六角对称分布微结构光纤的双折射特性进行了理论分析，得到了双折射大小与结构参量、入射波长间的依赖关系。分析表明：合理设计结构参数可得到10-3量级大小的双折射；微结构光纤的双折射对光波波长极其敏感，并出现随波长变化快慢轴交换的现象。采用统计的方法对双折射与微结构光纤空气孔直径随机变化的相关性进行了理论分析，计算结果表明由孔径分布不规则所产生的双折射的大小主要取决于孔径的平均值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一部分绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 论文的主要工作

1.3 论文的结构安排

参考文献

第二部分偏振复用系统的相关技术

第一章偏振模色散与偏振相关损耗对偏振复用直接检测系统的影响

2.1.1 引言

2.1.2 偏振复用信道间串扰机制分析

2.1.3 实验验证

2.1.4 本章小结

参考文献

第二章偏振复用信号的自动偏振解复用技术

2.2.1 引言

2.2.2 传统的自动解复用方法分析

2.2.3 偏振复用信号相干特性的理论分析

2.2.4 自动解复用技术的传输实验

2.2.5 本章小结

参考文献

第三章基于非线性偏振旋转的Kerr非线性系数测量技术

2.3.1 引言

2.3.2 原理分析

2.3.3 实验结果

2.3.4 本章小结

参考文献

第四章偏振复用-波分复用系统中的非线性偏振散射效应

2.4.1 引言

2.4.2 偏振散射的原理分析

2.4.3 实验分析

2.4.4 本章小结

参考文献

第三部分微结构光纤及相关光通信器件

第一章宽带色散补偿微结构光纤的研究

3.1.1 引言

3.1.2 基本模型分析

3.1.3 数值仿真结果及讨论

3.1.4 本章小结

参考文献

第二章基于微结构光纤中交叉相位调制效应的波长变换器

3.2.1 引言

3.2.2 波长变换实验设置及原理分析

3.2.3 波长变换实验结果与分析

3.2.4 本章小结

参考文献

第三章基于微结构光纤中四波混频效应的波长变换器

3.3.1 引言

3.3.2 实验结果与讨论

3.3.3 本章小结

参考文献

第四章利用微结构光纤产生超连续谱的实验研究

3.4.1 引言

3.4.2 产生超连续谱的实验装置

3.4.3 实验结果与分析

3.4.4 本章小结

参考文献

第五章基于微结构光纤的光纤环激光器

3.5.1 引言

3.5.2 光纤环激光器实验装置

3.5.3 实验结果及分析

3.5.4 本章小结

参考文献

第六章椭圆六角结构微结构光纤中的双折射

3.6.1 引言

3.6.2 微结构光纤的双折射

3.6.3 光纤结构不规则造成的双折射

3.6.4 本章小结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表的学术论文和申请的专利