（无线电物理专业论文）宽带掺铒光纤超荧光光源特性研究.pdf

摘要 掺铒光纤超荧光光源由于其优异的特性已经广泛应用于密集波分复用系统 ( d w d m ) 、光纤传感系统和光纤陀螺( f o g ) 中。早期的研究主要集中于c 波段 ( 1 5 2 5 1 5 6 5 n m ) ，但是最近几年由于光纤通信业务的飞速发展对l 波段 ( 1 5 6 5 - 1 6 2 5 n m ) 的扩展成了迫切需求，于是对l 波段以及c + l 波段s f s 的研究也 成了最近研究的趋势和热点。本文主要研究稳定的l 波段宽带掺铒光纤超荧光 光源( s f s ) 以及c + l 波段平坦的宽带光源。论文的主要工作包括三个部分： 第一部分包括前三章，这部分主要是对国内外光纤宽带光源的发展历史、 研究现状和趋势进行了较为详细的阐述。首先介绍了超荧光光源的基本原理， 讨论了掺铒光纤超荧光光源的理论模型并给出了s f s 的传输和速率方程。第三 章在介绍l 波段s f s 产生的基本原理的基础上，先对结构简单的d p f 结构的l 波段s f s 的特性进行了理论研究，在理论的指导下选择合适的光纤长度进行了 相关验证实验，实验和理论模拟取得了较好的吻合，证明常规的双程前向结构 可以获得l 波段的输出，也说明所采用的仿真软件具有很好的准确性。 在第二部分提出了级联的双程前向结构( d p f ) l 波段s f s 。通过理论模拟 发现通过选择优化的光纤长度l ：l , f f o 和泵浦比例，两级d p f 结构的输出功率和输 出线宽均优于单级的d p f 结构，并且两级d p f 结构可以获得平均波长对泵浦功 率不敏感的特性。随后的实验结果验证了这一结论。 在第三部分研究了同时可以覆盖c + l 波段的s f s 。通过对产生c + l 波段的 原理分析发现对于两级的d p f 结构，通过选择合适的光纤总长度以及合理分配 两级光纤的长度，可以获得同时覆盖c + l 波段的平坦a s e 光谱输出。在理论模 拟优化结构参数的基础上，实验中在未加任何滤波器的情况下通过参数的优化 获得了一组带宽超过8 0 h m 的平坦c + l 波段s f s 输出。 关键词：掺铒光纤；超荧光光源；放大自发辐射 v a b s t r a c t t h ee r b i u m - d o p e ds u p e r f l u o r e s c e n tf i b e rs o u r c e ( s f s ) i sw i d e l ya p p l i e d i nd e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) ，f i b e r s e n s o r s y s t e m s ，f i b e rg y r o s c o p e sa n ds oo n ，f o ri t sb r o a ds p e c t r a lr a n g e ，h i g h o u t p u tp o w e ra n ds t a b i l em e a nw a v e l e n g t h 。t h ef o r m e rr e s e a r c h e s w e r e m a i n l yo nc - b a n d ( 1 5 2 5 1 6 2 5 n m ) h o w e v e r ，r e c e n td e m a n df o ri m m e d i a t e e x p a n s i o no ft h ef i b e ro p t i cc o m m u n i c a t i o nw i n d o wh a sl e dm o r ea t t e n t i o n s t ot h ed e v e l o p m e n to fl - b a n d ( 1 5 6 5 1 6 2 5 n m ) a n dc + l b a n d ( 1 5 2 5 1 6 2 5 n m ) i n t h i sp a p e rt h es t a b l el - b a n ds f sa n df l a tc + l b a n ds f sa r er e s e a r c h e d t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e rc o n t a i n st h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r tc o n t a i n sc h a p t e ro n e ，t w oa n dt h r e e i nt h i sp a r ta f t e r t h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fe r b i u m - d o p e ds f s ，t h ed e v e l o p m e n t o fs f sw a si n t r o d u c e d a f t e ri n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo fa m p li f i e d s p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) a n dd i s c u s s i n g t h et h e o r ym o d e lo f e r b i u m - d o p e ds f s ，t h ep r o p a g a t i o ne q u a t i o n sa n dt h er a t ee q u a t i o n sw e r e s u m m a r i z e d i nc h a p t e rt h r e et h ef u n d a m e n t a lt og e n e r a t el - b a n ds f sw a s i n t r o d u c e df i r s t t h e nt h e s i m p l e d o u b l e p a s s f o r w a r d( d p f ) c o n f i g u r a t i o nw a si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y t h ee x p e r i m e n tw a sd o n e u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h et h e o r e t i c a lr e s u l t s i t sp r o v e dt h a tt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s i nt h es e c o n dp a r t ，at w o s t a g ed o u b l ep a s sf o r w a r d ( d p f ) c o n f i g u r a t i o n o ft w o s t a g el - b a n ds f sw a sp u tf o r w a r d a n di n v e s t i g a t e d t h r o u g h s i m u l a t i o ni tw a sf o u n dt h a tu n d e rt h eo p t i m u mf i b e rl e n g t hr a t ea n dp u m p p o w e rr a t e ，t h ep u m p i n ge f f i c i e n c ya n do u t p u tl i n e w i d t ho ft w o s t a g ed p f c o n f i g u r a t i o nw e r em u c hb e t t e rt h a nt h o s eo fo n e s t a g ed p fc o n f i g u r a t i o n i na d d it i o n ，i tw a sa l s of o u n dt h a tt h em e a nw a v e l e n g t ho ft w o s t a g ed p f v i i c o n f i g u r a t i o nw a si n s e n s i t i v et op u m pp o w e r t h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t p r o v e dt h i sc h a r a c t e r i s t i c c h a p t e rf i v ew a st h et h i r dp a r t ，w h i c hi n v e s t i g a t e dc + l b a n ds f s a f t e r l e a r n i n gt h ep r i n c i p l et og e n e r a t ec + l b a n d ，w ef o u n dt h a tt w o s t a g ed p f c o n f i g u r a ti o nc o u l da l s og e n e r a t ef l a tc + l 。b a n ds f sb yc h o o s i n go p t i m u m f i b e rr a t ea n dp u m pr a t e as e r i e sf l a tc + l b a n ds f s w i t hb a n d w i d t ho v e r 8 0 n mw e r ea t t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ： a s e ：e r a + - d o p e df i b e r ：s u p e r f l u o r e s c e n ts o u r c e s v i i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人 在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标 明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 山印 瓠日 儡，7 关月 t，儿岁 签 ( 、_ 人 力筹 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保 留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 r 。2 不保密( ( 请在以上相应括号内打“”) m 舌年f 月7 日 矽矿年f 月刁日 期期 日日 端财 雇扭 口秒，锄瑶 名名 签签 者师 作导 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我们现在所处的时代是个信息化的时代，海量信息的高速传输是信息网络 化的技术基础。信息化的到来，首先归功于电子学技术的发展。但是电子学技 术均受到电子载体固有特性的局限，其运行能力已表现出严重的“瓶颈”效应。 为了克服电子学技术所遇到的困难，光子学技术孕育而生。光电子技术进而又 与微电子技术结合，形成了市场可观、发展潜力巨大的光电子产业，如光纤通 信系统。光纤通信、卫星通信、移动通信并列为上世纪9 0 年代的三大通信技术。 到目前光纤通信的应用已遍及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等领域。 光纤是现代化通信网中传输信息的媒质，以光子或光波代替电子或电磁波作 为信息载体是超高速率和超大容量现代信息科技发展中的必然选择。光纤在传 输中具有良好的噪声控制、更小的信号衰减、更高的线宽以及光纤尺寸小和重 量轻等无与伦比的优点，使光纤通信技术具有了通信容量大、中继距离长、抗 电磁干扰等优点，并已经成为支撑全世界海量信息交换的最重要的技术支柱之 一o 1 9 7 0 年，贝尔实验室研制出能在室温下连续工作的双异质结半导体激光器 ( g a a l a s ) 髓3 和美国康宁玻璃公司研制出的传输损耗仅为2 0 d b k m 的光纤1 ，这两 项关键技术的突破，使得应用光纤进行通信从理想走向现实，从而揭开了光纤 通信时代的序幕。到目前为止光纤通信系统已经经历了多次的更新换代，第一 代光纤通信的工作波长为短波长8 5 0 n m 波段，传输光纤用多模光纤。光源使用 铝稼砷( a 1 g a a s ) 半导体激光器，光电检测器为硅( s i ) 材料的半导体p i n 光电二 极管或半导体雪崩光电二极管( a p d ) 。这一代光纤通信是以1 9 7 7 年美国芝加哥 进行的码速率为4 4 7 6 3 m b s 的现场实验为标志。第二代光纤通信的工作波长为 1 3 1 0 n m ，传输光纤仍是用多模光纤。该波段是石英光纤的第二个低损耗窗口。 相应的光源是长波长的铟镓砷磷铟磷( i n g a a s p i n p ) 半导体激光器，光电探测 器采用锗( g e ) 材料。1 9 8 4 年实现了工作波长在1 3 1 0 n m 的单模光纤通信系统， 这是第三代光纤通信。单模光纤比多模光纤色散低得多，损耗也更小。这代光 宽带掺铒光纤超荧光光源特性研究 纤通信厂泛地用于长途干线和跨洋通信中。第四代光纤通信应该从8 0 年代中后 期开始，通信系统的工作波长为1 5 5 0 n m ，传输光纤用单模光纤，1 5 5 0 n m 是石英 光纤的最低损耗窗口。这代系统日前正处在实用化的高潮阶段。在第四代光纤 通信中，具有代表性的技术是掺铒光纤放大器( e d f a e r b i u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 和波分复用( w d m w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 这两项关键技 术。1 9 8 6 年英国南安普顿大学研制出的第一只掺铒光纤放大器h 1 ，使得可以直 接对光信号进行放大，实现全光中继，这在光纤通信发展史中具有里程碑的意 义，可与当年用晶体管代替电子管相提并论。而在一根光纤中同时传输多路信 号的波分复用技术的提出，充分利用了光纤的线宽资源，大大提高了光纤通信 容量。e d f a + w d m 使得通信容量大大增加。第五代光纤通信则是在现行的通信 设备基础上实现更大容量和更长距离的通信。 对于通信系统，由于互联网的迅猛发展，光传输由p d h 准同步数字系列到 s d h 同步数字系列，速率由1 4 0 m b i t s 到2 5 g 直至1 0 g ，传输由原来只是满足 语音业务到目前语音与数据同平台处理，因之引起的容量问题成为人们关注的 焦点，于是为了解决光纤和容量问题，一种新型设备d w d m ( 密集波分复用) 问 世了，d w d m 技术极大地提高了系统传输数据的容量，然而近年来不断增长的通 信业务对d w d m 系统传输容量的要求日益增大，现有的d w d m 仍然无法满足迅速 发展的网络数据要求。这就使得提高系统的容量成为亟待解决的问题。 传统的扩容方法主要有两种：一是提高单信道的传输率，二是减少信道间 隔，增加信道数量。前一种方法会增大色散对系统的影响，从而对系统的色散 管理和补偿要求提高，加大了系统的成本。后一种方法会导致非线性效应增强， 同时对系统器件的波长稳定性要求更加严格，同样使成本上升。为了解决这些 矛盾，人们逐渐将研究思路转向如何充分“发掘”光纤的带宽传输潜力上，利 用c 波段以外的l 波段，实现对c + l 波段信号同时传输，这样就避免了传统 扩容方法所面临的技术难题。可直接在现有的d w d m 系统中实现扩容，是一种 更直接更根本也更行之有效的方法：而掺铒光纤超荧光光源作为d w d m 系统中 最为关键的器件，人们对其线宽也提出了新的要求。 随着c 波段光源的研究n 2 ，”j 钔越来越趋向成熟并迈向市场化，且由于迅速增 长的光通信对线宽的要求，为满足将来人们对通信容量的更大需求，科研人员 2 第一章绪论 正在继续开拓l 波段的资源，扩展l 波段光源及相关器件的研究便显得尤为迫 切，同时，在分布式光纤光栅传感中，为了满足大范围、密集多点分布传感点 的应用，则需要高功率、宽线宽的s f s 光源，因此使得c + l 波段宽带光源便 成为研究的焦点乜”2 3 引。 1 2 研究背景和发展现状 1 2 1 掺铒光纤超荧光光源特性 掺铒宽带光纤光源是近年来发展起来的新型光纤传感器用超荧光光源。自 从1 9 8 9 年提出用激光二极管( l d ) 抽运的掺铒光纤超荧光光源以来，人们对其进 行了广泛的理论和实验研究。它的谱宽较宽，可以达到数十个纳米，而且温度 稳定性也很好，相干度低，目前已经被认为是最有潜力、很有前途的宽带光源。 掺铒光纤超荧光光源( e d - s f s ) 因其优良的特性，在光纤陀螺、e d f a 测量、光 纤传感、光谱测试以及低成本接入网等很多领域得到了广泛的应用。尤其在近 年，研究比较多的都是用于高精度导航级的光纤陀螺中，由于高精度惯性导航 级光纤陀螺( f o g ) ，要求光源的平均波长稳定度达到1 0 一，谱宽大于5 n m ，考 虑到光纤陀螺中的噪声，光源耦合到光纤陀螺中的光功率在l o m w 左右。与目前 商用的宽带超发光二极管( s l d ) 相比，掺铒光纤s f s 具有的主要优点如下： ( 1 ) 输出功率高。与s l d 比较，e d s f s 通过一段掺铒光纤提供了很高的放大 增益，不仅可以得到高功率的宽带辐射，而且还能与f o g 光纤有效的耦合。提 高了光纤陀螺光路系统的信噪比。 ( 2 ) 波长稳定性好。由于稀土离子的能级比半导体二极管的能级稳定，因此 e d a s e 有较好的谱稳定性。实验表明，s f s 平均波长的温度稳定性比超辐射二 极管至少大一个数量级。因为光纤陀螺的标度因素与波长成正比，采用s f s 很 容易达到几个p p m 的波长稳定性，这放宽了对光源温度控制的精度。 ( 3 ) 偏振无关性。e d - s f s 出射的是非偏振光，这有利于减少双折射引起的偏 振非互异性，所以对于光纤陀螺仪的源耦合器，人们可以采用一般的单模光纤 耦合器。对于在掺铒光纤放大器( e d f a ) 或光纤喇曼放大器( f r a ) 增益测量中保持 了信号源的偏振独立性。 宽带掺铒光纤超荧光光源特性研究 ( 4 ) 使用寿命长。从人们对e d - s f s 的研究来看，公认其寿命比目前广泛用于 光纤陀螺的s l d 的寿命要长。 总之，掺铒光纤宽带超荧光光源是一种理想的低相干性宽带光源，它在光 纤传感系统( 如目前应用比较广泛的光纤陀螺仪f o g ) 和某些信号处理、光学 层析、医用光学、密集波分复用通信系统( d w d m ) 以及接入网等领域有广泛应 用。实际上，也正是光纤陀螺及光通信领域里的一些潜在应用推动了宽带光纤 光源的发展。 1 2 2 掺铒光纤超荧光光源的研究进展 对掺铒超荧光光纤光源的研究始于2 0 世纪八十年代末九十年代初，从那时 起，国外的大学和研究所陆续研制出在各方面性能均l l - 极管优越的掺铒光纤 宽带光源。在1 9 8 9 年，由d e s u r v i r e 等人提出了掺铒超荧光光源的物理模型， 并且运用了激光器的速率方程对物理模型进行了叙述，奠定了掺铒超荧光光源 研究的基础5 3 6 | 。 在掺铒超荧光光纤光源的研究中，最著名的是由斯坦福大学的w y s o c k ipf 等人组成的研究小组，他们从2 0 世纪9 0 年代初开始，对掺铒超荧光光纤光源 进行了全面的理论和实验的研究口踟毗m 1 。研究内容涉及到：超荧光光源实验结 构，光功率在光纤内的演变情况，还有光纤长度、泵浦功率、泵浦波长、端面 反馈等参数的变化对超荧光输出功率、平均波长、谱线宽度以及平均波长稳定 性的影响的特性曲线。 到了1 9 9 5 年，w y s o c k ipf 等人口儿蚰州1 0 1 所研制的掺铒光纤超荧光光源已经 能满足惯性导航级级光纤陀螺的应用了，当时报道的光源性能指标为：输出能 量 l o m w ，谱宽 2 5 n m ，平均波长稳定性 1 9 n m ，平均波长稳定 度约等于1 0 1 0 。6 。c 。2 0 0 1 年，他们对双程后向结构( d p b ) 的超荧光光源进 行了数值模拟，填补了w y s o c k i 在此结构上的空缺n ”。之后又继续提出并且实 现了前向抽运两级双程结构的掺铒光纤超荧光光源，这种结构的优点就是可以 在比较小的抽运功率，而且保持高稳定的情况下，能获得大功率的宽光谱的a s e 输出1 引。 2 0 0 2 年，黄文财等n 们采用双向泵浦的单级结构实现带宽达8 0 n m 的c + l 波 段s f s 输出。该结构前向采用波长为1 4 8 0 n m 的半导体激光器泵浦，后向采用波 长为9 8 0 n m 的半导体激光器泵浦，在总泵浦功率为9 5 7 m w 时获得了1 3 5 d b 的 c + l 波段s f s 输出。 在2 0 0 5 年，黄文财等h 2 3 还研究了利用单级双向同步泵浦技术实现了稳定的 l 波段s f s 输出。该实验采用了一个1 4 8 0 n m 的半导体激光器，通过一个泵浦耦 合器将功率分别对一段e d f 进行前向和后向泵浦，在泵浦比例为0 2 时获得了 稳定的l 波段s f s 输出。 2 0 0 5 年，南开大学的陈胜平等人h 门利用两级的l 波段a s e 作为种籽光，通 过e r 和y b 共掺的光纤进行放大，在4 4 w 的泵浦功率下获得了高达0 9 4 w 的功 率输出。 5 宽带掺铒光纤超荧光光源特性研究 此外，国防科学技术大学肖瑞、冯莹等人乜“2 2 1 以及西安石油大学郭小东、 乔学光等人乜4 1 在c 波段、c + l 波段s f s 上也做了一些研究工作，取得了一定的 实验成果。 1 3 本文主要工作 本文的工作主要是围绕应用于高精度光纤陀螺( f o g ) 、d w d m 光纤通信系统 以及光纤传感中的宽带光源展开的。为满足该方面的应用，需要研制具有高功 率、宽带宽、中心波长高稳定的掺铒光纤超荧光光源。 本论文的内容安排如下： ( 1 ) 概述了国内外s f s 光源的研究进展。在分析了掺铒光纤s f s 的产生 原理的基础上，建立方程，对掺铒光纤s f s 进行了理论分析。 ( 2 ) 对l 波段s f s 宽带光源的形成机理进行了深入研究，并针对单级双 程前向( d p f ) 结构进行了仿真，确定最优光纤长度。在此基础之 上开展了相关实验，实验结果与理论结果较好的吻合。 ( 3 ) 研究由两级前向结构构成的级联前向泵浦的l 波段s f s 特性。从理 论上详细研究该结构光源的输出特性与结构参数的关系，得出两点 重要结论：一是双级结构的输出效率较单级结构有明显提高，此外， 双级结构具有实现平均波长对泵浦功率不敏感的重要特性。从实验 上对理论模拟得到的优化结构进行详细研究，实验结果与理论模拟 吻合得较好。 ( 4 ) 提出并研究了两级d p f 结构的c + l 波段的s f s 宽带光源。通过理论 模拟了解了两级光纤长度比例以及两级泵浦功率比例等参数对c + l 波段输出光谱特性的影响。在理论研究指导下开展了相关实验，在 最优的光纤长度i ：r , f f i j 条件下通过调节两级的泵浦功率获得了一系列 光谱平坦的、3 d b 线宽达8 0 h m 的c + l 波段s f s 输出。 6 第二章掺铒光纤超荧光光源的理论分析 第二章掺铒光纤超荧光光源的理论分析 2 1 超荧光光源的基本原理 2 1 1 光的自发辐射 光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的自发辐射过程是a s e 光源的物理基础。爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克 公式，认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射 跃迁和受激吸收跃迁三种过程： ( 1 ) 、自发辐射：处于高能级e 2 ( 能量) 的个原子自发地向低能级e 1 ( 能量) 跃