（光学专业论文）可调谐与双波长锁模脉冲掺饵光纤激光器研究.pdf

华南师范人学硕：t 学位论文 摘要 摘要 i i i iiii lr l l r ，i l l l ij i iijiiij y 17 6 8 3 9 8 随着通信技术的飞速发展，超短脉冲光源己成为光纤通信系统中的核心技术 之一。其中能够产生可调谐和多波长输出的超短脉冲光纤激光器，在密集波分复 用( d w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 通信领域中占有越来越重要的地位，同时在军 事、医疗、光信息、生物技术等领域也将发挥越来越重要的作用。本论文从理论 和实验两方面对可调谐超短脉冲光纤激光器和双波长超短脉冲光纤激光器及相 关技术进行了较为深入细致的研究。主要内容包括： 1 非线性偏振旋转锁模实验研究。理论上分析了不同偏振态的光波通过非 线性偏振旋转装置后的透射率与光强及其波长的关系。研究表明，当偏振控制器 的方向和最强光波的偏振方向一致时，可以等效为可饱和吸收体而实现被动锁 模；当合适设置偏振控制器的状态，激光器还可以实现波长可调谐和多波长激光 输出。实验中我们搭建了环形腔光纤激光器，实现了1 3 5 f s 的超短脉冲输出。 2 可调谐锁模脉冲光纤激光器研究。利用非线性偏振旋转效应作为等效可 饱和吸收体来实现自起振被动锁模，通过使用偏振控制器和偏振相关光隔离器作 为波长调谐器件，在输出端使用输出耦合器为工作波长在1 5 5 0 5 0n n l 的宽带耦 合器，因此实现了光纤激光器的输出锁模脉冲激光中心波长较宽范围可调谐。实 验上获得了低阈值自起振，重复频率为1 0 2 3 m h z ，中心波长在1 5 4 8 6 4 16 0 0 2 4 n m 内连续可调，边模抑制比大于4 4 d b 的超短脉冲输出。 3 双波长锁模脉冲光纤激光器研究。非线性偏振旋转效应会引起激光器的 波长相关损耗和功率相关损耗，可以有效地实现稳定的双波长锁模输出。双波长 锁模激光器的波长调谐和开关转换只需要适当地调节偏振控制器的状态而实现， 在整个4 3 4 n m 的调谐范围内边模抑制比一直高于4 1 d b 。此外，我们还在实验中 观测到三波长锁模脉冲输出。 关键词：可调谐；双波长；掺铒光纤激光器；锁模脉冲；非线性偏振旋转；环 形腔 华南师范人学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a no p t i c a lu l t r a - s h o r t p u l s es o u r c eh a st u mt ob eo n eo ft h em o s te s s e n t i a lt e c h n o l o g i e so fo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t u n a b l ea n dm u l t i w a v e l e n g t hu l t r a - s h o r tp u l s ef i b e rl a s e r s ， w h i c hn o to n l yp l a ya ni n c r e a s i n gr o l ei nt h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e d ( w d m ) a n do p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x e d ( o t d m ) c o m m u n i c a t i o nf i e l d ，b u ta l s ob e c o m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ef i l e do fm i l i t a r ya f f a i r s 、m e d i c a lt r e a t m e n t 、o p t i c i n f o r m a t i o n 、b i o l o g yt e c h n o l o g ye r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ec a r r i e do u tt h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h ef i e l d so ft u n a b l eu l t r a - s h o r tp u l s ef i b e rl a s e r sa n d 华南师范人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t e r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e rb a s e do nn p re f f e c ti sp r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e d t h en p re f f e c t e f f e c t i v e l y i n d u c e s w a v e l e n g t h - d e p e n d e n t a n d i n t e n s i t y - d e p e n d e n tl o s s t or e a d i l yi m p l e m e n ts t a b l e d u a l w a v e l e n g t hp a s s i v e l y m o d e - l o c k e do p e r a t i o n t h ew a v e l e n g t hs w i t c h i n ga n dt u n i n go ft h ed u a l w a v e l e n g t h u l t r a s h o r tp u l s el a s e ra r ea c h i e v e do n l yb ya p p r o p r i a t e l yr o t a t i n gt h ep c s t h e s i d e m o d es u p p r e s s i o nr a t i oo ft h eo u t p u tp u l s ei s l a r g e rt h a n 41d bo v e ra w a v e l e n g t h t u n i n gr a n g eo f4 3 4n n l m o r e o v e r , t r i p l e - w a v e l e n g t hu l t r a - s h o r tp u l s e c a na l s ob eo b s e r v e d k e y w o r d s ：t u n a b l e ；d u a l - w a v e l e n g t h ；e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r ；m o d e - - l o c k e dp u l s e ； n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ；r i n gc a v i t y 华南师范人学硕：仁学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪言1 1 1 光纤通信技术的发展概况1 - 1 1 1 波分复用( w d m ) 技术2 1 1 2 光时分复用( o t d m ) 技术3 1 2 可调谐锁模脉冲光纤激光器的应用与发展5 1 2 1 可调谐掺铒光纤激光器5 1 2 2 基于被动锁模的可调谐脉冲光纤激光器6 1 2 3 基于主动锁模的可调谐脉冲光纤激光器7 1 3 双波长锁模脉冲光纤激光器的应用与发展8 1 3 1 基于掺铒光纤的双波长锁模脉冲光纤激光器8 1 3 2 基于半导体光放大器的双波长锁模脉冲光纤激光器o bo o 1 0 1 3 3 基于其他结构的双波长锁模脉冲光纤激光器1 0 1 4 本论文的主要研究内容1 1 第二章光纤激光器的原理与技术1 2 2 1 光纤激光器的基本结构和基本原理- 1 2 2 1 1 光纤激光器的基本结构1 2 2 1 2 光纤激光器的基本原理1 4 2 2 掺e r 3 + 光纤激光器的特性分析一1 6 。 2 2 1 掺e r 3 + 光纤的特性1 6 2 2 2 掺e ，光纤激光器的能量吸收辐射过程1 7 2 3 超短脉冲光纤激光器- 18 2 3 1 锁模激光器的物理机制18 2 3 2 锁模实现的方法一2 0 2 4 本章小结2 3 一 v 华南师范大学硕上学位论文 目录 第三章非线性偏振旋转被动锁模环形腔掺铒光纤激光器2 4 3 1 利用非线性偏振旋转效应实现被动锁模的基本原理2 4 3 2n p r 锁模器件的特性分析2 5 3 3 被动锁模实验结果与讨论3 0 ”3 1 一 “3 3 ”3 3 ”3 5 4 0 4 1 4 1 4 3 oo o 4 6 一5 2 一 一5 3 ”5 5 ”6 1 一6 2 华南师范人学硕： ：学位论文第一章绪言 第一章绪言 1 1 光纤通信技术的发展概况 随着网络化时代的到来，计算机、互联网技术迅速发展，特别是i p 业务的 迅猛崛起，给人们的物质和精神生活带来了翻天覆地的变化，人们对信息的需求 与同俱增，全球信息量呈级数增长，通信业务由传统单一的电话业务转向高速i p 数据业务和多媒体为代表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高 的要求，通信向超高速、超大容量、超长距离的方向发展已经是必然的发展趋势。 由于光波具有极高的频率( 大约3 亿兆赫兹) ，可以容纳巨大的通信信息，所以 用光波作为载体来进行通信一直是人们多年来追求的目标之一。中国古代用于边 防报警的烽火台就是一种原始的光通信方式。近代光通信还要从2 0 世纪6 0 年代 激光器的问世开始说起，1 9 6 0 年t h m a i m a n 首先研制成功了红宝石激光器 1 】， 从此开始，激光技术不断地渗透到物理、化学、医学、生物等各种重要的领域。 1 9 6 6 年，被誉为“光纤之父”的英藉华裔学者高锟( k c k a o ) 博士在p i e e 杂 志上发表了一篇十分著名的论文用于光频的光纤表面波导，该文从理论上分 析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波 导结构( 即阶跃光纤) 。更重要的是科学地预言了制造通信用的超低损耗光纤的 可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的损耗系数降低到 2 0 d b k m 以下【2 】。1 9 7 0 年美国康宁公司根据高锟论文的设想，用改进型化学汽 相沉积法( m c v d ) 制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，成为使光纤通信 爆炸性竞相发展的导火索 3 】。 光纤通信从1 9 7 0 年真正起步，迄今为止虽然仅有三十多年的时间，但光纤 通信的技术无论是光纤制造技术还是光电器件的制造技术，以及光纤通信系统的 水平都取得了极其惊人的进展，它已经成为现代通信最主要的通信方式。光纤通 信面世初期，光纤传输的损耗严重限制着传输距离的增加，当时的光纤损耗达到 2 0 d b k m ，而现在已经低达o 1 4 d b k m ，它已经十分接近石英光纤的理论损耗极 限o 1 d b k m 。在光纤通信系统中由于掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现，光纤损 华南师范大学硕：l 学位论文第一章绪言 耗的问题已经基本得到解决。光纤的带宽也从刚开始1 0 m h z k m 发展到现在的 1 0 0 0 g h z k m 以上。光源器件从刚开始的结构十分简单、发光功率只有几十微 瓦、寿命仅几小时的g a a s 激光器发展到现在的发光功率在l 毫瓦以上、寿命 达几十万小时的分布反馈式和多量子阱的单纵模激光器。光纤通信系统的水平也 在不断地提高，从4 5 m b i t s 增加到现在的1 0 g b i t s 、4 0 g b i t s 甚至更高。要进一 步增加传输系统的容量、降低每比特传输成本，唯一现实的途径就是转向使用光 波的复用技术。从分割复用技术所分割的“域”的角度可将复用技术分为空间域 的空分复用( s d m ) 、时间域的时分复用( t d m ) 、频率域的频分复用( f d m ) 和码分域的码分复用( c d m ) 。目前光网络真正的复用方式主要以波分复用 ( w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 技术为主。 1 1 1 波分复用( w d m ) 技术 光纤具有巨大的带宽，在1 5 5 0 n m 波长附近2 0 0 n m 范围内，对应带宽约 2 5 t h z 可以利用；在1 3 1 0 n m 波长附近，也有约2 5 t h z 可利用的带宽。最新的 水峰光纤的传输波长范围扩展到1 2 5 0 - 1 6 5 0 n m ，传输带宽约为5 0 t h z 。波分 用技术作为一种非常有效的扩容手段，可以充分利用光纤的带宽，并随着技术 成熟越来越显示出强大的生命力。 图1 1w d m 原理图 波分复用( w d m ) 或密集波分复用( d w d m ) 是指一条光纤中同时传输具 不同波长的多个光载波的大容量光传输技术，即根据每一信道光波的频率( 或 长) 不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在 送端，采用波分复用器( 合波器) 将不同波长的信号光载波合并起来( 复用) 华南师范人学硕上学位论文 第一章绪言 入一根光纤进行传输；在接收端，再由另一波分复用器( 分波器) 将这些不同波 长承载不同信号的光载波分开( 解复用) 的复用方式。w d m 通信的原理如图卜1 所示。国际电信联盟i t u t 已建议w d m 的参考频率设在氪灯谱线1 9 3 1 t h z ( 即 1 5 5 2 5 2 n m ) 附近，频率间隔为1 0 0 g h z 的整数倍，即波长间隔为o 8 n m 的整数 倍，最近i t u t 等机构正在考虑将信道间隔减少到5 0 g h z ( 波长间隔为0 4 n m ) ， 甚至更小2 5 g h z ( 波长间隔为0 2 n m ) 4 。 具有不同波长、各自载有信息信号的若干个载波经由通道c h i 、c h 2 c h n 等进入合波器( m u x ) ，被耦合到同一根光纤中，再经过此条光纤链路长距离传输， 到达终端进入分波器( d e m u x ) ，按波长将各载波分离，分别进入各自通道c h l 、 c h 2 c h n ，并分别解调，从而使各自载荷的信息重现。在传输过程中，为了 补偿各种损耗对信号造成的衰减，每隔一定距离要加入一个e d f a 对信号进行放 大。 目前w d m 系统主要指这种波长间隔0 8 n m 以下的d w d m 系统，它的主要 优点为： ( 1 ) 可以充分利用光纤的低损耗波段，同时在一根光纤中复用多路波长， 将大大增加光纤的传输容量，降低成本； ( 2 ) 对各信道传输的信号的速率、格式具有透明性，有利于数字信号和模 拟信号的兼容； ( 3 ) 节省光纤和光中继器，便于对己建成系统的扩容； ( 4 ) 可提供波长选路，使建成透明的、具有高度生存性的w d m 全光通信 网成为可能。 w d m 通信系统的关键技术包括：波长可调谐及多波长技术、e d f a 技术、 光纤传输技术等等。 1 1 2 光时分复用( o t d m ) 技术 随着光纤通信系统复用的信道增加，会使信道问彼此间隔减小和光脉冲功率 加大，从而使传输线路中的非线性效应变得突出起来，导致四波混频( f w m ) 分量和受激拉曼散射散射( s r s ) 对w d m 系统产生的不利影响加剧，并有可能 造成系统码间串扰、性能恶化，严重时，甚至会破坏系统j 下常工作。因此，复用 华南师范人学硕上学位论文第一章绪言 的信道不可能增加太多，这对进一步提高传输速率形成了障碍，于是光时分复用 ( o t d m ) 技术成为弥补w d m 系统不足的另一热门技术。 o t d m 技术是仅利用一路光载波，将若干个信号源发出的光脉冲在时间上 进行等间隔的交叉排列，从而在单根光纤链路上形成一个超高速的皮秒或飞秒综 合光脉冲序列。o t d m 技术类似于电时分复用( e t d m ) ，因此具有许多优点。 与w d m 相比，o t d m 具有更高的带宽利用率，并且不存在w d m 面临的波 长稳定性、放大器的增益平坦等固有问题，但是传输速率一般在5 0 0 g b s 内， 单信道通常采用1 0 g b s 。因此，将o t d m 技术和w d m 技术结合使用，可以 增大w d m 信道间距，降低信道问的非线性串扰，同时由于采用了多信道，可 以降低单信道o t d m 的速率，从而减小超短脉冲产生和传输的难度，这将大大 的提高系统的信道容量，是最佳的选择。 于 因 技 脉 择 到 体 的 冲 大 重 乍南师范大学硕士学位论文 第一章绪言 1 2 可调谐锁模脉冲光纤激光器的应用与发展 随着光纤通信系统传输容量和传输速率要求的不断提高，以及d w d m 系统 的广泛应用，可调谐锁模脉冲光纤激光器日益显示出它的重要性和优越性，而传 统的固定波长锁模激光器的缺点逐渐显现出来：综合成本高；生产后勤和仓储存 货管理复杂；在光网络中的动态波长分配中，每只激光器的使用率很低，造成资 源浪费。此外，可调谐光纤激光器在光纤传感、光纤放大器测量等领域都有重要 的应用。利用波长可调谐光纤激光器还可能实现全光波长变换、光交叉连接 ( o x c ) 、光分插复用( o a d m ) 、光包交换以及基于波长的个人虚拟网络( v p n ) 等功能，从而为实现可升级、可重组的网络结构提供了可能。总之，可调谐光纤 激光器是未来全光网络( a o n ) 的关键器件，近年来成为国内外的研究热点。 1 2 1 可调谐掺铒光纤激光器 目前，波长可调谐光纤激光器多是基于掺铒光纤，在回路中加入滤波组件来 控制激光器的激射波长，从而实现波长的可调谐。可调谐滤波器一般是f p 调谐 滤波器、光纤光栅、光纤环形镜等。e d f a 的增益波段也已经从常规的c 波段 ( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，扩展到c + l 波段( 1 5 3 0 1 6 1 0 n m ) ，这是提高光纤通信系统容 量的有效的手段，而基于c + l 波段的宽带可调谐掺铒光纤激光器以其具有较低 的相干性和偏振敏感性和容易与光纤系统连接的优点而成为d w d m 传输系统的 理想光源，近年来备受重视。例如，加拿大的b e l l e m a r e 等人报道他们使用2 7 m 长的普通掺铒光纤和峰值功率为l8 0 m w 、中心波长为9 8 0 n m 的泵浦l d ，在增 益光纤深度饱和的工作条件下，通过努力减小腔内损耗，实现环形腔激光器的可 调谐带宽超过1 2 0 n m ( 1 5 0 0 1 6 2 0 n m ) ，覆盖了整个c + l 波段【5 】，如此宽谱可调 谐范围基本可以满足当前光纤通信系统的需要。我国南开大学的董新永等人采用 f p 滤波器和带通滤波器的组合获得1 0 0 n m 的宽谱可调谐输出 6 】。另外，可调 谐的单纵模掺铒光纤激光器由于其输出线宽窄和激射波长可精度预定等优点而 被广泛应用到光纤通信和光纤传感等领域，也成为当今研究的热点。2 0 0 8 年， 张艳等 7 】利用光纤f p 调谐滤波器以及光学光栅滤波器两种滤波器和多环形腔 华南师范大学硕j ：学位论文第一章绪言 结构相结合来共同选模的掺铒光纤激光器实现波长调谐范围为1 5 2 8 1 5 6 5 n m 的 单纵模激光输出，如图卜2 所示。 f i b e rf a b r y - p 6 r ) t u n a b l ef i l t e r 图1 2 单纵模多环形腔掺饵光纤激光器实验结构示意图 1 2 2 基于被动锁模的可调谐脉冲光纤激光器 被动锁模光纤激光器由于其结构简单、起振阈值低、波长易调谐以及容易与 光纤连接等优点，正逐渐被人们所重视。而波长可调的超短脉冲光源是高速波分 复用、光时分复用通信系统中的关键器件之一，因此近年来对基于被动锁模的光 纤激光器的报道层出不穷。1 9 9 3 年，d u n o s k e 等人【8 】用腔内f 。p 滤波器实现 在8 字形腔铒镱共掺被动锁模激光器中获得了光谱带宽1 8 n m ，中心波长在2 0 n m 范围内连续可调的锁模脉冲输出。1 9 9 5 年，k t a m u r a 在非线性偏振旋转锁模激 光器中，用一对双折射滤波片和起偏器构成带宽1 9 2 n m ，自由光谱区8 2 n m 的可 调谐滤波器，实现输出中心波长在1 5 2 8 - - 1 6 1 0 n m 可调 9 。2 0 0 0 年，m yj e o n 等人在8 字形被动锁模光纤激光器中插入声光可调谐滤波器，得到1 5 5 7 - - 1 6 0 7 n m 的宽带可调谐光纤激光器，重复频率2 4 9m h z ，脉宽1 5 p s 1 0 。我国的 王肇颖 1 1 等利用非线性偏振旋转效应构成环形腔被动锁模掺铒光纤激光器，结 合可调谐滤波器腔外滤波的方法实现锁模脉冲中心波长在1 5 5 3 2 1 5 7 1 4 n m 内 华南师范人学硕：1 ：学位论文第一章绪言 连续可调，得到谱宽2 5 n m 以下，脉宽小于1 8 p s 的近变换极限的超短光脉冲输 出，实验结构图如图卜3 所示。 i s o l a t o r 图1 3 可调谐非线性偏振旋转被动锁模掺铒光纤激光器结构示意图 1 2 3 基于主动锁模的可调谐脉冲光纤激光器 高速、大容量光纤通信网是光通信研究的主要方向之一。o t d m 与w d m 相结合可以大大提高光通信系统单信道的速率，减少波长信道数目，因此被认为 是克服电子器件瓶颈、提高通信容量和实现未来全光通信网络的有效途径，是实 现未来t b i t s 光通信的优选方案。而高重复频率的超短光脉冲的产生则是实现超 高速o t d m 、w d m 通信和光孤子传输的关键技术之一，近年来成为了人们的研一 究热点。相对于主动锁模半导体激光器，主动锁模光纤激光器由于具有较高的平 均输出功率，更短的输出脉冲且脉冲啁啾小，与光纤系统的兼容性好，且几乎可 以覆盖整个e d f a 增益谱的波长调谐范围等优点，因此一直被认为是o t d m 系 统的理想光源。同时，主动锁模光纤激光器也可被用于o t d m 系统作时钟提取 与解复用。总之，随着通信容量和传输速率的日益提高，主动锁模光纤激光器必 将在未来的光纤通信系统中发挥越来越大的作用。 波长可调谐的超短光脉冲光源在o t d m w d m 通信系统、非线性光学、瞬 态光学及光纤传感等方面有着同样重要的应用。人们提出了各种方法在主动锁模 掺铒光纤激光器中实现了输出波长的调谐，这些技术包括在腔内插入全光纤的可 华南师范人学硕上学位论文第一章绪苦 调谐滤波- 器 1 2 1 ，调节腔内调制器和其他器件之间的时间延迟 1 3 】，改变作为调 制器的f - p 半导体激光器的温度 1 4 ，以及应用色散波长调谐技术 1 5 】。 1 3 双波长锁模脉冲光纤激光器的应用与发展 正如前面所述，随着现代光纤通信的发展，为了进一步提高通信容量，w d m 通信系统正朝着信道数越来越多的方向发展，尤其是d w d m 己成为实现光纤通 信系统升级扩容最为经济和有效的途径。最直接提供多路信号的方法就是采用多 个单波长激光器。但如果单纯地增加光源数量，势必会增加成本，因此性能优良 的多波长光纤激光器更为人们看好。多波长激光器可以同时为多个信道提供所需 光源，使光发射端的成本大大降低，因而在d w d m 系统中有很重要的用途。同 时，多波长光源在光谱分析、激光测距和分布光纤传感等领域中也有极大的应用 价值。所以，多波长光纤激光光源成为人们研究的热点。 作为多波长光源中的能够产生超短光脉冲的双波长锁模光纤激光器，对 w d m 、o t d m 和光纤传感的研究和发展也是有着非常重要的意义。实现双波长 锁模脉冲输出的方法有几种，从已报道的结果来看，主要有以下几种类型： 1 3 1 基于掺铒光纤的双波长锁模脉冲光纤激光器 由于掺铒光纤激光器可以输出波长的带宽较大，功率输出光谱较平坦，比较 适合制作用于d w d m 系统的多波长光纤激光器，基于掺铒光纤的双波长锁模脉 冲光纤激光器一直都是大家的研究热点。主要有主动锁模和被动锁模两种方式实 现双波长脉冲激光输出： ( 1 ) 主动锁模：首次报道的双波长锁模脉冲光纤激光器是在环形腔中连入 一段保偏光纤，由于保偏光纤的双折射特性为激光腔提供了两个不同的光程长 度，使得激光器可以同时满足两个不同波长处于锁模状态 1 6 】。实际上，锁模光 纤激光器并不限于输出一个波长的脉冲，还可以是两波长、多波长脉冲输出。在 非线性偏振旋转锁模光纤激光器中，输出锁模脉冲波长数与激光腔中的保偏光纤 双折射系数、保偏光纤段数，以及保偏光纤连接时偏振主轴角度衔接有关。双波 华南师范大学硕士学位论文 第一章绪占 长、多波长输出的原因在于一段保偏光纤将提供两个偏振主光程，这两个主光程 分别对应于两个不同波长。其波长间隔兄为： a 2 ：go b ( 1 1 ) p 式中，b 为保偏光纤双折射参数，口为保偏光纤在腔中所占长度比例，为材料 色散系数。若腔中有多段保偏光纤，则输出就有多个波长。直接利用掺铒光纤的 增益特性，在谐振腔内插入两个对不同波长反射的光纤布拉格光栅，通过调节两 个波长的光程同时满足锁模条件来获得双波长脉冲激光输出【1 7 。但这两种方法 对于波长的调谐却存在一些不足。使用可调谐的光纤光栅同时作为波长选择镜、 调谐滤波器和输出耦合器，可以得到有效的可调谐单双波长主动锁模光纤激光器 1 8 】。以上的光纤激光器输出的两个波长的脉冲重复频率都相同，能够输出不同 重复频率的双波长脉冲光纤激光器也有所报道 1 9 】。 ( 2 ) 被动锁模：主动锁模的双波长光纤激光器固然具有输出高重复频率、 窄线宽、多波长数脉冲等优点，但也存在不足：较宽的脉冲宽度、较低的峰值功 率和由于使用了主动调制器所造成的高成本价格以及高插入损耗。因此，利用被 动锁模技术产生多波长脉冲也逐渐被重视起来。8 字形掺镱光纤激光器中使用两 个滤波器，控制两个波长的光程长度相等可以实现双波长脉冲输出 2 0 。利用非 线性偏振旋转效应也可以实现双波长锁模 2 1 ，2 2 1 。在文献 2 2 】中，实验装置图 如图1 - 4 所示，作者使用两段保偏光纤在两个固定波长1 5 5 8 n m 和1 5 7 0 n m 处实 现了被动锁模，但因为双波长之间的间隔距离由腔中保偏光纤的长度所决定，所 以不容易实现波长的调谐。 图1 41 线性偏振旋转舣波长被动锁模掺饵光纤激光器实验装置图 9 华南师范大学硕二l 学位论文第一章绪言 1 3 2 基于半导体光放大器的双波长锁模脉冲光纤激光器 随着半导体工艺的发展，采用应变量子阱技术的半导体光放大器( s o a ) 在 偏振灵敏度、增益带宽、饱和输出功率等性能方面获得很大改善，其在光纤通信 中的广泛应用重新引起人们的重视。在激光腔内插入s o a 可以有效降低两个波长 间的增益竞争，配合一个锁相环用于控制腔的长度稳定性，可以实现稳定的双波 长主动锁模脉冲输出 2 3 】。该激光器所使用的l i n b 0 3 调制器的驱动频率是 1 0 g h z ，使得其中一个波长处于基频锁模状态，而另一波长处于四倍的谐波锁模 状态，脉冲宽度的变化范围是5 - - , 8 p s 。通过调节延迟线来控制腔长的变化也可以 得到两个波长工作频率同时处于4 0 g h z 。另外，利用单端反射的s o a 的交叉增益 调制也可以产生多波长锁模脉冲 2 4 】。该方法可以同时产生三个波长的主动锁模 脉冲，重复频率为1 0 g h z ，波长间隔为1 1 2 n m ，可以通过调节等效腔长、调制频 率或者偏振控制器来调谐输出波长。相对于其他的双波长锁模光纤激光器，基于 s o a 的激光器具有不需要光泵浦，在常温下更容易输出多纵模激光，并且输出功 率可观，因此具有相当大的研究价值。 1 3 3 基于其他结构的双波长锁模脉冲光纤激光器 掺钕光纤激光器由于可以输出高功率激光，具有相当高的实用价值。硅光纤 中掺杂钕离子，其外层电子组态为4 f 3 5 s 2 5 p 6 ，其中4 f 未满，而5 s 和5 p 均已填 满，4 f 上的三个电子可以处以不同的运动状态，结果形成一系列的能级，能级 4 f 3 2 向4 f u 2 的跃迁将非均匀裂变为1 2 条能级线 2 5 这可以有效抑制模式间的增 益竞争问题。此外，相对于掺铒光纤，掺钕光纤的激射波长更短，可以在腔内利 用高色散棱镜进行色散补偿 2 6 而保证双波长同时激射，而且钕玻璃的增益带宽 也是铒玻璃的两倍，因此更容易产生双波长振荡。m h o b e r 等人 2 7 】研制成了 同时在1 0 6 0n l n 和1 1 0 0n m 波长处产生飞秒脉冲的掺钕光纤激光器，而且两个波 长的重复频率可以改变。最近，x z s a n g 等人 2 8 】利用在激光腔内插入硅波导 的方法，研制成了在1 5 4 0n n l 和1 6 7 5n n l 波长处同时锁模的双波长光纤激光器。 这种利用硅集成片的技术可以产生一些有价值的应用，比如双光子吸收效应和非 华南师范大学硕士学位论文第一章绪言 线性效应，包括拉曼效应和四波混频等，特别是可以用此技术产生更长波长的激 光，而这无疑可为长波通信提供理想的光源。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文与近期的光纤通信领域内的研究热点紧密相联系，就可调谐锁模脉冲 光纤激光器和双波长锁模脉冲光纤激光器，并结合实验室现有的条件进行了如下 的研究工作( 按照章节内容划分为六部分) ： 第一章主要介绍了现代光纤通信的发展概况，阐述了w d m 和o t d m 技术的 研究进展及其对光纤通信系统的重要性；分别介绍了可调谐锁模脉冲光纤激光器 和双波长锁模脉冲光纤激光器的应用与发展。 第二章介绍了光纤激光器的结构、基本原理，分析了掺铒光纤的基本特性， 着重介绍了锁模光纤激光器的结构和基本工作原理。 第三章介绍了非线性偏振旋转被动锁模环形腔掺铒光纤激光器的结构、基本 原理，通过对环形腔光纤激光器的等效模型分析了不同状态激光输出的物理机 制，从实验上得到了脉冲宽度约为1 3 5 f s 的稳定锁模光脉冲。 第四章研究设计了结构简单、波长稳定可调的被动锁模环形腔掺铒光纤激光 器【2 9 】，分析了波长调谐的工作原理，并对结果进行了测量，实验上获得了低阈 值自起振，中心波长在1 5 4 8 6 4 , - - 1 6 0 0 2 4n m 内连续可调，边模抑制比大于4 4d b 的超短脉冲输出。 第五章研究设计了一种单双波长可切换和双波长间隔距离可调谐的双波长 被动锁模掺铒光纤激光器 3 0 】，分析了单双波长可切换和间隔可调谐的工作原 理，并对实验数据进行了分析。 第六章对全文进行了概括性的总结，并提出了不足之处。而且对以后的研究 方向作出了一定的展望。 华南师范火学硕士学位论文第二章光纤激光器的原理与技术 第二章光纤激光器的原理与技术 2 1 光纤激光器的基本结构和基本原理 2 1 1 光纤激光器的基本结构 光纤激光器和传统的其它激光器如半导体、气体激光器一样，由能产生光子 的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励 光跃迁的泵浦源三部分组成。 增益介质一般为掺稀土杂质光纤或者非线性光纤，到目前为止比较成熟的掺 稀土杂质光纤主要有e ，、y b 3 + 、n d 3 + 、p ，、t m 3 + 等光纤【2 0 ，2 1 ，3 1 3 3 ( 本 文中研究的是掺e r 3 + 光纤) 。常用的基质材料主要有：石英晶体、磷酸盐光纤、 硅酸盐光纤等。掺杂光纤有单掺杂或者混合掺杂( 如e r 3 + 、y b 3 + 共掺) 。当一定 量的泵浦光注入到掺杂光纤中时，光纤纤芯中的稀土离子吸收泵浦光，跃迁到激 光上能级，产生粒子数反转，反转后的粒子以受激辐射或自发辐射方式跃迁到激 光下能级，即出现激光过程。 泵浦源为信号放大提供足够的能量，为粒子数反转提供了必要的条件。泵浦 一般用半导体激光器( l d ) 采用光泵浦的形式。常用的泵浦波长主要有8 2 0 n m 、 9 2 0 n m 、9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 等。功率达到几百毫瓦。 光纤激光器的工作物质光纤为柔性介质，这使得光纤激光器在腔形设计方面 可以灵巧多变，所以光纤激光器按谐振腔的结构也可以分为许多类，典型的如f p 腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及8 字形腔、d b r 光纤激光器、d f b 光纤 激光器。具体可归结为线形腔、环形腔和8 字形腔三类。 ( 1 ) 线形腔 在线形腔光纤激光器中，又以f p 腔为主要研究对象。 华南师范大学硕j ：学位论文 第二章光纤激光器的原理与技术 l 一 l a s e rc a s i t ，- 图2 - 1f p 谐振腔的结构示意图 f p 腔是激光器中最常见的谐振腔，如图2 1 所示，激光谐振腔是由一对平行 放置的介质镜构成，只要将掺杂光纤作为增益介质放置在腔内就能实现振荡。早 期的光纤激光器都普遍采用这种结构，这种腔的损耗非常小，只需非常低的泵浦 功率就可达到激光阈值。然而这种腔的调整较为困难，光纤端面或腔镜稍微倾斜， 就会使损耗急剧增加，允许的倾斜度小于一度。当然这对介质镜也可以直接镀在 光纤的端面，这样可以使结构和调制大为简化。同样这样的介质镜也能被写在光 纤上的光纤光栅所替代，形成全光纤系统。 ( 2 ) 环形腔 p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r s i s o l a t o r d o p e d 靠b e r 图2 - 2 单向环形腔光纤激光器示意图 环形腔也是激光器中经常用到的一种谐振腔。环形腔是行波腔，可以避免 空间烧孔效应，而且即使没有反射镜，只用环形腔也可以构成简单的环形腔激光 器，如图2 。2 所示：波分复用器( w d m ) 耦合器的两端连接在一起形成了环形腔， 环内串接着掺杂光纤；环内插入了隔离器( i s o ) 以保证激光的单向运转。另外， 吐 弋y p 一一 一 _n 旷艮 日 jllil，_lt 华南师范大学硕十学位论文 第二章光纤激光器的原理与技术 如果所使用的是普通的掺杂光纤而不是保偏光纤，还需要使用偏振控制器( p c ) 。 由于环形腔中不需要介质镜，它可以构成一个全光纤系统。 ( 2 ) 8 字形腔 p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r s 图2 38 字形腔光纤激光器示意图 图2 3 给出了一种用于锁模光纤激光器的结构，这种结构因其形状而被称为8 华南师范大学硕十学位论文第二章光纤激光器的原理与技术 且释放能量，热量或光子，完成辐射。从高能级向低能级辐射方式有两种，即自 发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干 性很好的激光。激光发射是要求不断有光子产生的物理过程，为了使这种过程持 续发生，必须形成粒子数反转。粒子数反转指的是在辐射的两个能级之间，高能 级的粒子数大于低能级的粒子数，然而一般是低能级的粒子数远远大于高能级的 粒子数，这就要求泵浦源提供能量，并且参与跃迁的能级数至少为三能级。因此 粒子数反转是实现激光输出的必要条件。 当增益介质对光信号的放大已经达到增益饱和光强时，才会有稳定的激光输 出，但是要达到增益饱和光强需要很长的增益介质，为了减少激光器的体积，一 般在激光的增益介质两端放反射介质，轴向光波模就能在腔内往返传播，等效于 增加增益介质的长度。腔内存在的微弱的自发辐射光经过多次受激辐射放大就有 可能在轴向光波模上产生光的自激振荡，这就是激光器。这样激光器的增益介质 的长度就等价于谐振腔的2 m 倍( m 为正整数) 。另外激光谐振腔还具有模式选 择的作用。 激光介质一旦形成了粒子数反转，便可实现光的放大，它是实现光放大的充 分条件，但是它只是激光振荡的必要条件，要实现激光振荡，光强必须放大到饱 和状态。在光放大的同时，还存在光的损耗，要想获得稳定的激光输出，必须要 求光放大大于或等于光损耗。即g o 口，g 。为小信号增益系数，口为腔内平均损 耗系数，包括腔内元器件的吸收，腔的散射，衍射损耗，输出损耗等一切损耗， t， 此时腔内光强i 。为i 。= ( g 。一口) 1 形其中i ，为增益饱和光强。当g o = 口时腔内的 光强维持在非常小的初始信号水平上，此时称为振荡阈值，对应的泵浦光源的输 出功率称为激光器的功率阈值。当g 。口时，腔内的光强i 。迅速增加，并且正比 与( g 。一口) ，因此增益和损耗的关系决定是否振荡。特别指出激光器的一切特性 ( 输出功率、单色性、方向性等) 都与损耗和增益特性有关。例如激光器的输出 功率，如果激光器的输出比例较小( 相当于输出损耗小) ，那么腔内的光强就大， 如果输出比例大( 输出损耗大) ，此时腔内的光强小，因此存在一个最佳的输出 比例，此时激光器的输出功率最大。 华南师范大学硕上学位论文 第一二章光纤激光器的原理与技术 2 2 掺e r 3 + 光纤激光器的特性分析 2 2 1 掺e r 3 + 光纤的特性 掺e r 3 + 光纤是在基质光纤中加入e r 3 + 离子，基质材料主要有石英晶体、磷酸 盐光纤、硅酸盐光纤等。基质对铒元素光谱的影响主要表现在两个方面。其一是 引起s t a r k 3 5 分裂，光谱上将出现精细结构。第二个影响是使能级加宽。掺e r 3 + 光纤激活离子为铒元素，属于b 族镧系。由于其4 f 层剩余电子被5 s 和5 p 层屏 蔽而不易受到外场干扰，所以荧光和吸收波长对外场依赖性较小。掺杂在不同基 质中的e ，离子，其光谱性质相似，但并不完全一致。主要区别是光谱宽度会因 基质的不同而不同。 邑 萎 墨 委 9 _ lh 一1 = 譬 il n 幽2 _ 4 掺饵光纤的能级图 e r 3 + 作为一个多电子粒子，其基态为4 1 1 5 2 ，第一、二激发态分别为4 1 1 3 2 和 4 i l l 2 。第一激发态是一个亚稳态，寿命长达1 0 m s 左右，第二激发态的寿命很短， 仅有7 s 左右，因此基态和第一激发态可以作为粒子数反转的上下能级。如图 2 4 所示。 掺e r 3 + 光纤在o 5 1 6 , u m 波长范围内有几个吸收峰，如图2 5 所示，分别 为5 1 4 5 n m 、5 2 3 n m 、6 6 7 n m 、8 0 0 n m 、9 8 0 n m 、1 4 8 0 n m 。按照激光原理可以用 这几个波段的光进行泵浦。其中9 8 0 n m 、1 4 8 0 n m 的吸收截面大，泵浦效率高， 并且激发态吸收( e s a ) 效应小，因此在实际应用中主要采用9 8 0 n m 或1 4 8 0 h m 半 导体激光器进行泵浦。我们的实验系统所使用的正是9 8 0 n m 半导体激光器，泵 浦功率大约为3 0 0 m w 。9 8 0 n m 波长泵浦对应着4 1 1 北_ 4 i l l 2 能级问吸收跃迁，与 激光上能级4 1 1 3 彪构成一- “b y 级结构的光吸收辐射系统。 华南师范大学硕士学位论文第二章光纤激光器的原理与技术 d 矗i l 、 -、 l l 3o 1 ln ：儿 1 i 一、八一、i“ i 、 f wv 7 乞 图2 5 掺铒光纤的吸收谱 2 2 2 掺e r 3 + 光纤激光器的能量吸收辐射过程 e ，离子在未受激励的情况下，处于最低能级即基态4 1 1 5 2 上。当9 8 0 n m ( 对 应基态4 1 1 5 2 ，激发态4 i 呲