调Q技术是掺铥光纤激光器获得纳秒脉冲激光输出的主要方式。本文首先介绍主动调Q、被动调Q和增益调制这三种调Q技术在掺铥光纤振荡器中的应用现状，对比和分析三种技术的优点与不足。其次，介绍窄脉宽、高平均功率、大脉冲能量纳秒掺铥光纤放大器的现有典型研究结果和面临的技术瓶颈，并从热管理、非线性效应抑制、放大自发辐射抑制三个方面进行了优化措施分析。最后，对纳秒掺铥光纤振荡器和放大器的技术发展趋势进行展望。

不经过光电转换的全光相位调制是实现无电中继的相干通信的关键技术之一。半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)由于具有非线性系数高、体积小等优点成为全光相位调制系统的关键器件。但因SOA中交叉相位调制与交叉增益调制同时存在, 使目前基于SOA的相位调制信号不可避免地产生功率起伏, 影响了信号质量。为此, 提出了一种利用差动平衡信号控制级联SOA的全光相位调制方案, 分析了方案原理, 并实验实现了全光相位调制, 消除了相位调制过程中因SOA交叉增益调制效应产生的波形起伏, 完成了原理验证。该调制方案对实现高阶编码格式的全光波长变换, 提升网络的灵活性和扩展性具有重要意义。

对基于半导体光放大器交叉增益调制效应的全光波长转换后的信号啁啾特性进行了分析。通过数值模拟方法研究了归零码和非归零码经过波长变换后的啁啾及波形变化特征,并研究了两种码型信号的啁啾与光功率、信号速率、波长、信号光消光比、码元波形参数、半导体光放大器偏置电流的关系。结果表明,当码元数量较少时,归零码与非归零码相比,信号会有更大的啁啾;上升沿(下降沿)占比小于10%信号周期时,转换光波形均会出现明显的过冲(下冲)现象,过冲(下冲)导致了转换光的啁啾峰值大于啁啾谷值;增加偏置电流会缓减过冲现象,同时会增加交叉增益效应,偏置电流在不同阶段对啁啾的影响效果是不同的;增大数据传输速率会使载流子浓度的变化加快,导致啁啾峰值(谷值)增加。光注入下增益峰值红移会使转换光啁啾对参考光波长和信号波长具有敏感性;消光比的变化也会改变半导体光放大器中的载流子浓度,进而影响转换光啁啾;增大参考光功率或者降低信号光功率能够导致啁啾降低。研究结果对基于半导体光放大器交叉增益调制效应的全光波长转换系统的实用化具有重要的意义。

对增益调制掺铥光纤激光器展开了系统性探究,基于速率方程与传输方程构建了增益调制掺铥光纤激光振荡器和放大器的数值模型,并通过时域有限差分法进行求解,从理论和实验上探究了不同的泵浦光及激光器结构参数下输出的2 μm激光特性。通过数值仿真和实验优化,获得了高转换效率、窄线宽、单一偏振的2 μm波段纳秒激光输出。种子源振荡器获得了最高功率为796 mW、脉宽为67.9 ns、斜效率为54.4%的脉冲激光;在一级放大器后得到了最高功率为9.13 W、脉宽为50.5 ns的2 μm脉冲激光。数值仿真模型的模拟结果与实验结果较好地吻合,该模型能够为该类型激光器的实验研究和工程设计提供参考。

在5G网络中,用户数据通过超密集基站汇集成大数据包,这些数据包被异步交换体制的密集波分复用(DWDM)系统中的掺铒光纤放大器(EDFA)放大时,会产生信道间串扰,导致数据包的误码率(BER)恶化。在测定EDFA增益恢复时间的基础上,对BER恶化进行了深入研究。推导了串扰引起的BER计算公式,讨论了影响BER的因素,搭建了大数据包串扰的实验装置。理论和实验结果表明,一个信道数据包的包长和光功率越大,对另一个信道数据包BER的影响也越大,当数据包的包长小于5 μs时,串扰对BER的影响是可以忽略的。

为消除光时分/码分多址等光数字通信系统中的多址干扰(MAI)噪声，提出了一种新型的基于分布反馈式(DFB)激光器腔内的交叉增益调制(XGM)效应全光阈值判决技术。通过将光数字脉冲信号注入DFB激光器，激光器内部出现XGM效应，使用光带通滤波器(OBPF)滤出XGM效应产生的新光谱即可消除信号中的MAI噪声，从而提高数字信号的接收性能。

为提高全光波长转换器的波长转换效率，在量子点半导体光放大器(QD-SOA)波长转换特性研究的基础上，分别对基于交叉增益调制(XGM)效应和交叉相位调制(XPM)效应的全光波长转换器的转换效率进行了仿真分析。利用三能级QD-SOA模型并基于XGM型全光波长转换器，计算了输入脉冲宽度、有源区长度、损耗系数、最大增益模式和电子跃迁时间的变化对转换效率的影响。结果表明，减小输入脉冲宽度、损耗系数、电子跃迁时间和增加有源区长度、最大增益模式均可以提高全光波长转换器的转换效率。该研究对全光逻辑异或门的设计及QD-SOA的应用有一定的指导意义。

从光电集成电路的角度出发, 根据量子点半导体光放大器(QD-SOA)中载流子跃迁速率方程和光场传输方程, 建立了QD-SOA等效电路模型, 并通过电路仿真的方法对QD-SOA的增益谱、饱和增益特性等进行了仿真和分析; 利用QD-SOA的交叉增益调制研究了速率分别为40 Gbps、100 Gbps和160 Gbps时的波长转换特性, 并分析了不同的偏置电流、功率的信号光和探测光对输出信号消光比和Q值的影响, 其转换速率可达到100 Gbps, 消光比ER约为10 dB, Q值约为2.2.该研究对提高基于QD-SOA的交叉增益调制波长转换的性能具有指导意义.

为了对单端量子点半导体光放大器(QD-SOA)全光波长转换器的增益恢复特性进行系统分析, 采用分段法和4阶龙格-库塔法, 利用单端QD-SOA的交叉增益调制效应的全光波长转换原理分别求解速率方程和光场方程, 分析了注入电流、后端面反射率以及最大模式增益等变化时对单端QD-SOA全光波长转换器增益恢复时间的影响。结果表明, 当增大注入电流和后端面反射率、减小最大模式增益时, 均可以减小增益恢复时间, 进而可以通过优化上述参量改善单端QD-SOA的增益恢复特性。

全光波长转换技术在波分复用网络中有着非常重要的作用, 尤其是基于SOA(半导体光放大器)的全光波长转换技术, 已有较为成熟的理论研究, 但其性能上仍存在很多不足。文章对基于SOA的全光波长转换技术的原理和性能特点进行了分析和比较。由最基础的不同类型的基于SOA的全光波长转换技术扩展到改进的技术方案, 对不同结构和类型的全光波长转换技术进行了特性分析和比较, 并对它们的应用前景和发展方向进行了展望。结果表明, 通过改变SOA的增益特性或者改变系统结构, 均能在不同方面改善全光波长转换技术的性能参数。