（光学专业论文）多波长光纤光源的研究.pdf

摘要 摘要 随着现代社会对光纤通信容量需求的不断增长，密集波分复用系统成为国 内外研究的热点，多波长光纤光源作为其中重要的光纤有源器件而备受青睐。 本论文选取多波长光纤光源作为研究课题，介绍了作者在掺铒光纤多波长 超荧光光源、多波长掺铒光纤激光器和多波长拉曼光纤激光器方面进行的一些 理论和实验研究工作，主要内容可归纳如下： 1 对透射式、反射式和双程式m a c h z e h n d e r 干涉仪的滤波特性进行了理论研 究和模拟；采用这三种干涉仪分别对自行研制的双程后向掺铒光纤超荧光光 源进行光谱分割，构建了三种多波长超荧光光源；其中，采用双程 m a c h - z e h n d e r 干涉仪的多波长超荧光光源获得了优良的输出特性，其消光比 高达2 7 d b ，1 5 5 0 r i m 附近的2 0 个波长输出功率起伏小于o 5 d b 。 2 利用双程m a c h z e h n d e r 干涉仪对双程后向掺铒光纤超荧光光源进行光谱预 分割，得到的多波长超荧光光源性能更佳：波长间隔o 8 r i m 、消光比1 8 d b 、 输出功率2 5 3 m w ；并通过改变m a c h - z e l m d e r 干涉仪的臂长差，使器件实 现了1 5 5 0 r i m 波长附近波长间隔o 4 r i m 、消光比1 6 d b 的5 0 个波长输出。 3 采用两个光纤环镜作为腔镜，构建了一种线形腔可调谐多波长掺铒光纤激光 器。利用m a t h z e h n d e r 干涉仪，采用液氮冷却的方法，并通过调节输出端光 纤环镜的反射率，成功实现了掺铒光纤激光器在1 5 2 5 1 5 5 5 n m 范围内波长 间隔为0 4 r i m 、最多波长数目4 8 个的密集多波长输出，并实现了多波长激 光运转区域的灵活调节。利用m a c h z e l m d e r 干涉仪构建了一个环形腔多波长 掺铒光纤激光器，实现了激光器在波长间隔分别为o 4 n m 、o 8 r i m 的2 8 和1 6 个波长激光输出，并在输出稳定性方面有较大改善。 4 对拉曼光纤激光器进行了理论研究和数值模拟。引入了多波长拉曼光纤激光 器的理论模型，提出了适合m a t l a b 软件编程的矩阵模型：对模拟算法进 行了改进，并结合矩阵模型，对几种拉曼光纤激光器的输出特性进行了数值 模拟。结果表明，改进后的矩阵模型有效地提高了程序设计的灵活性和通用 性，大大缩减了编程模拟的工作量。 摘要 5 分别构建了1 2 4 5 n m 和1 4 9 5 n m 线形腔级联拉曼光纤激光器，并分别将它们 作为泵浦源，设计了三种多波长拉曼光纤激光器。采用1 2 4 5 n m 线形腔级联 把曼光纤激光器作为泵浦源，对种简单结构的环形腔多波长拉曼光纤激光 器进行了实验研究：实现了包括四级s t o k e s 波及其谐波在内的多条激光谱线 输出，输出最大波长1 6 0 0 n m ；观察到光谱展宽和分裂等丰富的实验现象， 详尽的分析认为受激拉曼散射和四波混频过程是产生这些实验现象的主要原 因。 关键词：多波长掺铒光纤超荧光光源激光器拉曼光纤级联数值模拟 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o rt h ec a p a c i t yo ff i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，d e n s 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 i n g ( d w d m ) f i b e rd e v i c e sh a v e b e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o t so f c o m m u n i c a t i o nf i e l d s a st h ek e yd e v i c e so f d w d m s y s t e m s ，m u l t i w a v e l e n g t hf i b e rs o n v ：e sh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n f o c u s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fm u l t i - w a v e l e u g t hf i b e rs o u r c e s ，t h i st h e s i s m a i n l y d e s c r i b e st h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lw o r ko n e r 3 d o p e d m u l t i - w a v e l e n g t hs 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 ( m w - s f s s ) ，m u l t i w a v e l e n g t h e r j + - d o p e df i b e rl a s e r s ( m w - e d f l s ) a n dm u l t i - w a v e l e n g t hr a m a nf i b e rl a s e r s ( m w - r f l ) t h em a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h r e ek i n d so f f i b e rm a c h - z e h n d e ri n t e r f e m m e t e r s ( m z i s ) i e t r a n s m i r e dm z i ，r e f l e c t e dm z ia n dd o u b l ep a s sm z i ，a r et h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h e s em z i s ，as p e c t r u ms l i c i n gt e c h n i q u ea n dak i n do f d o u b l ep a s sb a c k w a r de r 3 + - d o p e ds u p e r f l u o r e s e e n tf i b e rf o u r c e ( d p be d s f s ) ， t h r e em w - s f s sa r ec o n s t r u c t e d t h em w - s f s ，w h i c he m p l o y st h ed o u b l ep a s s m z i ，h a st h eb e s to u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，w i t ha ne x t i n c t i o no f 一2 7 r i ba n dp o w e r f l u c t u a t i o n sa m o n gt h e2 0c h a n n e l sa r o u n d1 5 5 0 r i ml e s st h a n0 5 d b 2 b a s e do nt h ed o u b l ep a s sm z i ，as p e c t r u mp r e s l i c i n gt e c h n i q u ea n dt h ed p b e d - s f s ，am w - s f sw i t hb e t t e rq u a l i t yi sr e a l i z e d ，w h i c hh a sa l lo u t p u tp o w e ro f 2 5 3 m w , w i t hc h a n n e ls p a c i n go f o 8 r i ma n de x t i n c t i o no f 一1 8 d b t h r o u g h c h a n g i n gt h ed i f f e r e n c eo ft w oa r m so ft h ed o u b l ep a s sm z i ，t h em w - s f s a c h i e v e s5 0o u t p u tw a v e l e n g t h sa r o u n d1 5 5 0 n m , w i t hc h a n n e ls p a c i n go f “0 4 n m 3 al i n e a rc a v i t yt u n a b l em u l t i w a v e l e n g t he r 3 + - d o p e df i b e r l a s e ri ss e t u pb y e m p l o y i n gt w ok i n d so ff i b e rl o o p sa st h ec a v i t ym i r r o r s u t i l i z i n gt h ef i l t e r c h a r a c t e r i s t i c so fm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra n de m p l o y i n gt h et u n a b l ef i b e r l o o pm i r r o ra st h eo u t p u tm i r r o r , am u l t i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e rw i t hc h a n n e l s p a c i n go f , - 0 4 n ma r eg o tt h r o u g hc o o l i n ge r j + - d o p e df i b e ri nl i q u i dn i t r o g e nt o 7 7 k am a x i m u mn u m b e r4 8o fo u t p u tl a s i n gw a v e l e n g t h si sa c h i e v e d a n dt h e a b s t l a c t l a s i n gm u l t i - w a v e l e t l g t hr e g i o n c a nb ec o n v e n i e n t l yt u n e df r o ml5 2 5 n mt o 1 5 5 5 n m ar i n gc a v i t ym u l t i - w a v e l c n g t he r ”一d o p e df i b e rl a s e ri sa l s or e a l i z e db y e m p l o y i n gt h em a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r t h er i n gl a s e ra c h i e v e st h en u m b e r s o fo u t p u tl a s i n gl i n e so f2 8a n d1 6 ，r e s p e c t i v e l y , w h e nc o r r e s p o n d i n gc h a n n e l s p a c i n gi s 4 n m a n d 0 8 n m r e s p e c t i v e l y t h e s t a b i l i t y o ft h e o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so ft h er i n gl a s e ri sa l s oi m p r o v e d 4 b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r a m a nf i b e il a s e r s ( r f l s ) a r et h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d t h et h e o r e t i c a lm o d e l so fm w - r f l s a r ei n t r o d u c e dw i t ht h eb a s i so f t h em o d e l so fc a s c a d e dr a m a nf i b e rl a s e r s ak i n do fm a t r i xm o d e l ，w h i c hi s d e s i g n e df o rt h es i m u l a t i o nu s i n gm a t l a bs o f t w a r e ，i se s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h e m o d e l so fi 江l si nt h i st h e s i sa n dt h es i m u l a t i o nm e t h o d sa r ea l s oi m p r o v e d b a s e do nt h ei m p r o v e dt h e o r e t i c a lm o d e l sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lr f l sa r es i m u l a t e d a st h er e s u l t sr e v e a l ，o n r i m p m v e m e n t ag r e a t l ye n h a n c et h ef l e x i b i l i t yo ft h es i m u l a t i o np r o g r a m sa n dc u t d o w nt h es i m u l a t i o nw o r k l o a d , a sw e l l 5 t w ol i n e a rc a v i t yc a s c a d e dr a m a nf i b e rl a s e r s ( c r f l ) ，w h i c hh a v eo u t p u t w a v e l e n g t h so f1 2 4 5 n ma n d1 4 9 5 n m ，r e s p e c t i v e l y , a r cs e t u pt ob ee m p l o y e da s t h ep u m ps o i h c c so ft h r e em w - r f l s e m p l o y e dt h e1 2 4 5 n mc r f la sp u m p s o u r c e ，am w - r f lw i t hp r i m i t i v ec o n f i g u r a t i o ni se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h eo u t p u tl a s i n gw a v e l e n g t h sa r em o r et h a nd e s i r e d i n c l u d i n gf o u rs t o k e sw a v e s a n dt h e i rh a r m o n i c t 1 l em a x i m u mo u t p u tw a v e l e n g t hi s1 6 0 0 n ma n dc o m p l i c a t e d e x p e r i m e n t a ls p e c t r u me v o l u t i o n s ，s u c ha ss p e c m n nb r o a d e n i n ga n ds p l i l f i n g ，a r e o b s e r v e d d e t a i l e da n a l y s i sr e v e a l st h a t ，s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n ga n d f o u r - w a v em i x i n ga r et h em a i nc a u s e so f t h ep r o c e s s k e yw o r d s ：m u l t i w a v e l e n g t h ( m w ) ，f i b e rs o u r c e ，s u p e r f i u o r e s c e n tf i b e rs o u r c e ( s f s ) ，e r ”一d o p e df i b e r ( e d f ) ，r a m a nf i b e rl a s e r ( r f l ) ，c a s c a d e d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m a c h z e i m d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z l l i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：豸葛方 谚# 年亨旯 b 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学化论文作者签名：东家豸 硝年j 月f 7 日 第一章绪论 第一章绪论 自1 9 7 0 年美国c o m i n g 公司制成损耗小于2 0 d b h o n 的光纤后，三十多年来， 光纤通信系统以其信息容量大、传输速率高、损耗小、保密性好、抗电磁干扰 能力强等诸多优点在通信领域得到突飞猛进的发展，在很多方面逐步取代丫传 统的电通信系统，特别是在远距离通信系统中，高质量、高速率的光纤通信占 据了绝对丰导地位。光通信必将成为2 1 世纪传输信息的主要方式。 然而，当代光纤通信技术仍然面临着许多需要解决的新问题，光源则是需 要重点研究的关键技术之一。 同前，用于光纤通信系统的光源主要是半导体激光器( l a i rd i o d e ，l d ) 。 l d 的相关技术已经比较成熟。量子阱结构的采用明显改善了l d 的温度性能， 省去或简化了复杂的温控系统，提高了其电光转换效率，使其成本大幅降低。 分布反馈结构的采用又提高了l d 的波长稳定性，使其能够应用在对波长要求严 格的d w d m 系统中。然而，应用在光纤通信系统中的l d 有其先天不足性：波 长选择性不灵活，较难使其发射波长与i t u t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 建议的w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 波长标准相符合：通常需要散热装置，增加了器件的体积； 寿命不会太长：与光纤通信系统的兼容性不好，耦合会损失很大一部分能量。 在目前大力发展的d w d m 系统中，l d 波长选择不灵活成了其致命缺点，有多 少个信道，就必须有多少个l d 与其对应。l d 阵列也只是简单的将多个l d 集 成在一块硅片上，波长并不能随意选择和调谐，不利于系统的扩容升级。 与半导体激光器相比，光纤激光器具有波长选择灵活、体积小、重量轻、 与光纤兼容性好、散热能力强等特点，被认为是未来长距离、大容量的超高速 光纤通信系统的理想光源。光纤激光器的研究起步于上世纪7 0 年代前期，但真 正有实用价值的光纤激光器出现在8 0 年代中期。此后，特别是上世纪9 0 年代 巾期至今，光纤激光器一直是国内外研究的热点。 第一节多波长光纤激光器概述 随着信息化时代的到来，数据传输业务容量迅速增长，以波分复川( w d m ) 第一章绪论 为核心的宽带、高速、长距离光纤传输网络得到了迅猛发展，更多的信道个数、 更小的信道间隔、更宽的通信频带成为现代光通信系统的发展方向，使得满足 w d m 技术要求的多波长光纤激光器得到了广泛深入的研究。多波长光纤激光器 在提高系统效率的同时，避免了复用单波长激光器产生的复杂性，有效降低了 系统的成本；与分布反馈式半导体激光器阵列相比，多波长光纤激光器在稳定 性、散热性、寿命、兼容性和价格等方面具有巨大优势。此外，多波长光纤激 光器还在光纤传感、光谱测量和信息处理等领域发挥着重要作用。 多波长光纤激光器种类繁多口2 ，大致可以分为三类：基于e ，+ 受激辐射的 多波长掺铒光纤激光器、利用普通单模光纤中的非线性效应一布里渊散射和掺 铒光纤线性放大作用制作的b r i l l o u i n e r b i u m 多波长光纤激光器、以及基于光纤 介质非线性效应的多波长拉曼光纤激光器。 1 1 1 多波长掺铒光纤激光器 随着高容量光纤通信网的迅猛发展，作为密集波分复用( d w d m ) 系统关 键器件之一的c 一波段多波长掺铒光纤激光器( m u l t i w a v e l e n g t he r b i u md o p e d f i b e r l a s e r , m w e d f l ) 引起了人们的广泛关注。由于增益谱较宽，多波长掺铒 光纤激光器可以在1 5 5 0 r i m 波段实现宽带光谱以及功率调谐、等间隔、功率平坦 的多波长激光输出，并具有与光纤通信系统完全兼容等优点，因此得到国内外 学者的广泛关注，结构新颖的掺铒光纤激光器不断出现p 。l ”7 1 。 m w - e d f l 种类繁多，从不同的角度可以将其分成不同的类型。 从腔结构来分，m w - e d f l 有线形腔b 1 、环形腔 】和复合腔 6 1 z 种结构。 从工作环境来分，m w - e d f l 有在常温下工作的【7 】，也有在液氮中工作的 3 - 5 。采用液氮冷却的方法可以减小掺铒光纤均匀展宽效应的影响 8 】，将均匀展 宽线宽减小至o 8 n m 。 按照实现多波长的机制，m w - e d f l 又可以分为五类： 一类是激光腔中含有滤波装置，如内置f - p 标准具 3 1 ( 图1 1 a ) 、 m a c h z e h n d e r 干涉仪4 1 ( 图1 2 ) 、取样b r a g g 光纤光栅”、高双折射光纤环形镜 【9 l 、光纤光栅s a g n a c 环形镜、保偏光纤滤波器等； 第一章绪论 图1 1 利用f - p 标准具的m w - e d f l图12 利用m z 干涉仪的m w - e d f l 第二类是在激光器中引入选择性反馈，如多级光栅串接；文献【1 2 采用 图1 _ 3 的结构进行了详细的研究，实现了c + l 波段5 个波长激光的平坦输出。 射。 图1 3 利用串接光纤光栅构成的线形腔m w - e d f l 第三类是利用光纤中传导模式的差异和偏振态的变化1 1 3 1 来实现多波长激 图1 4 使用m q w 波导的线形腔m w - e d f l 图1 4 是由多量子阱( m q w ) 波导( 工作在阚值偏置电流之下的多量子阱激光 器) 和非线性环镜组成的一种线形腔结构的m w e d f l 。通过调整m o w 波导的偏 置电流和偏振控制器( p c ) 的状态，可以在输出端得到稳定的多波长输出。文献 1 3 中采用这种方法在室温下用5 0 r o w 的9 8 0 n m 泵浦光获得了问隔为0 9 n m 的1 1 个波 长输出。文献【1 4 中利用偏振旋转、偏振烧孔和空间烧孔效应，在掺e r ”光纤环 器蔓 则阳一 第一章绪论 形腔激光器中实现了2 4 个波长同时激射。 第四类是在腔内引入移频器“5 1 或相位调制器 1 等装置，在常温下实现多 波长输出，如图1 5 和16 所示。 图1 5 基于移频器的环形腔m w - e d f l图1 6 基于相位调制器的环形腔m w - e d f l 由于掺铒光纤在室温下为均匀展宽增益介质，当有一个波长形成稳定振荡 后，其它波长将被其抑制而不能起振，所以即使谐振腔中有梳状滤波器存在， 也不能得到多波长振荡。为了使m w - e d f l 在常温下实现多波长输出，国内外学 者提出了多种解决方案i f , 1 5 1 。在图1 5 中，通过在腔中插入频移器，激光在谐振腔 中每循环一周，其频率将移动u 。( 频移器的频移量) ，这样反馈回的功率就转移 到了相邻的频率分量上，从而可以抑制单个波长的稳定振荡，实现了掺铒光纤 激光器的多波长输出。 此外，在谐振腔中插入相位调制器，通过对激光产生相位调制，起到类似 于频移器的作用，也能产生室温下多波长激光的输出。文献【7 】利用图1 6 的结构 成功实现了m w e d f l 在常温下的稳定运转，并从理论上给予了详细分析。 第五类是采用特种铒光纤在室温下实现稳定的多波长输出，如采用双芯掺 铒光纤【l ”、椭圆芯掺铒光纤【”】。 双芯掺铒光纤由间距很小的两根平行纤芯组成，由于不同波长的光在双芯 中耦合的周期不同，所以它们在e d f 中的强度分布也是不一样的。双芯掺铒光纤 是非均匀展宽介质，其非均匀展宽特性由两芯的参数和光纤的长度决定，因而它 可以允许在腔内同时有多个波长的光振荡。文献 1 6 中在室温下用双芯掺铒光纤 ( 两芯间距4 5um ) 得到了3 8 个波长输出。 文献1 7 齐t j 用椭圆芯掺铒光纤巾增益的各向异性，实现了l 一波段4 个波长的 输出。 第一章绪论 1 1 2b r i | i o u in e r b i u l t i 多波长光纤激光器 b r i l l o u i n e r b i u m 多波长光纤激光器同时利用了普通单模光纤( s m f ) 或色 散位移光纤( d s f ) 中的非线性效应一布里渊散射( s b s ) 和掺铒光纤线性放大 作用。其原理是，b r i l l o u i n 泵浦光在s m f 或d s f 中产生逆向传播的s t o k e s 信号 ( 频率为泵浦光频率加上s m f 或d s f 中一个声学支声子的频率，在1 5 u m 波段， 其频移量为1 0 g h z ，相当于波长间隔o 0 8 r i m ) 。这个信号经过e d f 的线性放大 后一部分形成激光输出：另一部分作为新的b r i l l o u i n 泵浦光，在s m f 中产生新 的s t o k e s 信号。如此形成振荡，因此在输出端可以输出多波长激光。图1 7 是两 种典型的b r i l l o u i n e r b i u m 多波长光纤激光器。1 9 9 6 年g r e g o r yj c o w l e 等首次提 出将布里渊散射的非线性效应与掺e ，光纤的线性放大效应相结合进而产生等 间隔、多波长的激光输出【”l ，其结构如图1 7 ( a ) 。1 9 9 8 年，l i mds 等利用s a g n a c 光纤环的反射、透射特性提出了一种线型腔结构的b r i l l o u i n e r b i u m 光纤激光器， 如图1 7 ( b ) ，得到了频率间隔为1 0 g h z 的3 4 个激光波长的输出i i 。2 0 0 2 年， w a n g - y u h lo h 等将l i mds 等的单线型腔结构的m w - e d f l 改为双线型腔结构 的m w - e d f l ，实现了1 0 g h z 2 0 g h z 的多波长激光输出j 。 j b 出 ( a ) 环形腔结构 s - - 耳t 傻 图1 7b r i l l o u i n e r b i u m 多波长光纤激光器 1 1 3 多波长拉曼光纤激光器 9 o 艄i 曩罅克 ( b ) 线形腔结构 多波长拉曼光纤激光器( m u l t i w a v e l e n g t hr a m a n f i b e rl a s e r , m w - r f l ) 是 在级联拉曼光纤激光器发展的基础上逐渐发展起来的一种新型的多波长激光 器。级联拉曼光纤激光器是一利t 基于受激拉曼散射效应的光纤激光器，它利用 增益光纤的拉曼频移效应，以波长较短的激光逐级泵浦下级的s t o k e s 波，经 第一章绪论 多级泵浦之后获得特定波长的高阶s t o k e s 波输出；它可以根据实际需要进行合 适的级联光学腔的设计，从而得到需要的波长。从理论上讲，只要具备合适的 泵浦源，它就能够在很宽的波长范围内获得任意波长的激光输出，并可进行宽 带调谐。 1 级联拉曼光纤激光器 泵浦源、增益光纤以及谐振腔结构是构建级联拉曼光纤激光器的关键。 泵浦源早在2 0 世纪7 0 年代人们就研制了拉曼光纤激光器，但由于泵浦 源及光纤制作工艺的制约，这种激光器的性能一直未达到实用的水平。近年来， 激光器和光纤技术取得了巨大进步，为拉曼光纤激光器的发展创造了十分有利 的条件。目前发展较快、应用较多的是利用双包层光纤激光器泵浦的拉曼光纤 激光器。包层泵浦技术成功地克服了泵浦光不能有效耦合进单模光纤的缺点， 转换效率可达到8 0 ，输出功率可达1 0 0 w 乃至千瓦量级【2 ”。 因此，为获得合适波长的激光输出，可以采用输出波长为1 0 6um 或1 1 2 1 2m 的掺镱双包层光纤激光器作为级联拉曼光纤激光器的泵浦源。 增益光纤拉曼增益光纤主要有锗硅光纤和磷硅光纤两种。对于锗硅光纤， 拉曼频移为4 4 0 c m ，若泵浦源波长为1 0 6um ，则各级斯托克斯光波长为别为 1 1 2 i t m ，1 1 8u m ，1 2 4u m ，1 3 1u m ，1 4 0u m ，1 4 8u m 。对于大频移的磷 硅光纤【2 2 】，拉曼频移为1 3 3 0 c m 一，一级斯托克斯波可以达到1 2 4 um ，二级斯托 克斯波就可达到1 4 8um 。 谐振腔结构设计级联拉曼光纤激光器的关键在于构造谐振腔结构，使得 所需波长的斯托克斯波在腔内获得有效的转化和输出。按照谐振腔的构造可以 将级联拉曼光纤激光器分为线形腔和环形腔两种类型。 线形腔结构通常是在光纤的两端刻写反射波长和反射率台适的光纤光栅， 利用光纤光栅对构成线形谐振腔，实现泵浦光到输出斯托克斯波的有效转化。 线性腔结构简单，转换效率和输出功率都较高，而且通过对光纤光栅反射率的 合理设计可以实现多级斯托克斯波的同时输出，通过对光纤光栅的调谐还可以 改变输出波长，这对于实现拉曼光纤放大器的宽带和平坦增益非常有利。 环形腔结构通常由耦合器件、选频元件以及光纤组成。耦合器件由w d m 复 用器、环行器或者耦合器构成，可以将泵浦光耦合进腔内，并且将特定波长输 出。选频元件由带通滤波器或者光纤光栅充当，通过选取合适的透射波长和透 6 第一章绪论 射率可以形成激光振荡，以获得所需波长的输出光。与线形腔类似，环形腔一 般采用具有高拉曼增益系数的锗硅或者磷硅光纤。 2 多波长拉曼光纤激光器 与多波长掺铒光纤激光器相比，多波长拉曼光纤激光器( m w - r f l ) 能够在 室温下输出稳定的多波长激光，并且，m w - - r f l 对波长的扩展是无限的，其输 出谱线灵活多变，可获得各通信窗口和同一窗口不同波段的多波长激光。此外， m w - r f l 还具有结构简单、无须复用器、低损耗、可调谐、全光纤运作等优点， m w - r f l 还是拉曼光纤放大器的理想泵浦源，因此m w - r f l 作为一种非常有前 途的光源很快成为国内外研究的热点 2 3 - 2 5 】。 和级联拉曼光纤激光器类似，m w - r f l 也主要有线形腔2 3 1 和环形腔结构2 ”。 i 1 ) 线形腔洲一r f l 和线形腔级联拉曼光纤激光器类似，线形腔m w - r f l 采用多级光栅串接的 方式，利用光纤光栅对构成谐振腔，使低阶的s t o k e s 波不断地通过拉曼增益光 纤，泵浦产生高阶的s t o k e s 波，这样经多级泵浦之后就得到了特定波长的s t o k e s 波输出。光纤光栅的反射率和工作波长由泵浦光的s t o k e s 波长及所需的输出波 长决定通过设计输出光栅的透过率或使其具有可调节性就可以实现线形腔r f l 的平坦的多波长激光输出。 p h t 呷h a e l l e nf i b e r 蠲帆 图1 9 线形腔多波长级联拉曼光纤激光器结构图 图1 9 是一种典型的线形腔多波长级联拉曼光纤激光器结构图1 2 ”，它同时利 用了硅光纤和磷光纤的拉曼频移：采用3 0 0 m 磷硅光纤与1 1 只光纤光栅构成级 联谐振腔，以输出波长为1 1 1 7 n m 的掺y b 双包层激光器作为泵浦源，利用磷光 纤频移获得1 3 1 2 n m 的一级s t o k e s 波，再利用硅光纤频移产生1 3 7 5 n m 的二级 s t o k e s 波，最后再通过硅光纤频移分别得到1 4 2 7 n m 、1 4 5 5 n m 和1 4 8 0 n m 的激光 输出。通过调节输出端三个可调光纤光栅的中心波长，可以调整谐振腔的整体 损耗，从而达到各波长输出功率的合理分配和输出波长可调的目的。 文献 2 3 1 采用这种结构得到三个波长的输出，斜率效率达到5 0 。但是其闽 第一章绪论 值泵浦功率也较高，达到2 8 w ，而且闽值功率会随着斜率效率的提高而大幅增 加，因此，这种结构的激光器对泵浦源的输出功率等参数的要求比较高。 ( 2 ) 环形腔洲一r f l 图i 1 0 是一种环形腔结构的m w - r f l 原理图。泵浦光经w d m 耦合进增益 光纤，作为选模器件的多通道滤波器( m u l t i c h a n n e lf i l t e r ，也可以称为梳状滤波 器) 允许多个波长同时在腔内振荡，只要选择合适的多通道滤波器和适当增益 带宽的增益光纤，就能在输出端得到多波长输出。可以根据不同的需求选择不 同的多通道滤波器或添加其它的器件。如隔离器、偏振片等。 o n 4 m y 脚d 脯州 o u t l 图1 1 0 利用l p f g 作滤波器的环形腔 m w - r f l 结构图 图1 1 l 基于s a g n a e 环形滤波器的可调谐 m w r f l 结构图 文献 2 4 】中采用级联长周期光纤光栅作为滤波器件，选用图i 1 0 的结构， 得到了1 3 7 0 r i m 处间隔为0 6 6 n m 的9 个波长输出。 图1 1 l 是c s k i m 等人【2 5 1 提出的一种采用高双折射光纤( h b f ) s a g n a c 环 形滤波器的环形腔m w - r f l 结构图。这种m w - r f l 采用全光纤结构，可以在通 信窗口附近形成稳定的多波长输出，并能实现宽带调谐，具有波长密集、带宽 大、功率谱平坦、输出稳定等优点。文献f 2 4 】采用这种结构，在泵浦功率8 2 w 的情况下，得到了7 级s t o k e s 波。输出激光波长间隔0 4 3 n m 可调，多波长激 光输出范闱在1 1 2 0 n m 和1 5 8 0 n m 之间。 第二节多波长超荧光光纤光源 与多波k 光纤激光器一样，基于光谱分割技术的多波长超荧光光纤光源 ( m u l t i w a v e l e n g t hs u p e r f l u o r e s c e n tf i b e rs o u s e ，m w - s f s ) 也具有波长选择灵 8 第一章绪论 活、体积小、重量轻、与光纤兼容性好、散热能力强等特点。对掺杂光纤的宽 带超荧光辐射或非线性光纤的宽带输出进行光谱分割，较容易得到符合i t u - t 标准的多波长光源。相对于多波长光纤激光器而言，这种光源结构简单、制作 成本低、稳定性好、可重构性强，并且输出光为非相干光，因此在光纤通信系 统和分布式传感等方面比多波长光纤激光器具有更为广泛的用途。但这种结构 输出功率较难提高，单通道带宽也比较宽。 在以往的研究方案中，一般都采取对宽带超荧光光纤光源( s u p e r f l u o r e s c e n t f i b e rs o u r c e ，s f s ) 进行光谱分割瞄】来获取m w - s f s 。这种将光纤型梳状滤波器 置于宽带s f s 输出端的光谱分割技术由于结构简单和全光纤化等优点而得到广 泛的研究 2 6 , 2 7 , 2 9 1 。 1 2 1 掺铒超荧光光纤光源 基于光谱分割技术的多波长光源由宽带光源和光学梳状滤波器组成。梳状 滤波器将宽带光源发射谱中有用的部分选出，无用的损耗掉，从而得到想要的 多波长输出田j 。掺铒超荧光光纤光源( e 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 r s o u r c e ，e d s f s ) 在光纤通信系统、光纤传感系统中具有广泛的应用前景，也是 基于光谱分割技术获得高性能多波长光纤光源的基础。e d - s f s 利用掺铒光纤 ( e r b i u m d o p e df i b e r , e d f ) 中的超荧光发射制作而成，是一种空问相干性好而 时间相干性差的宽带光源。 国内对超荧光光源的研究起步较晚。虽然近几年有较多关于e d s f s 的实验 和理论研究报道 2 鼬9 】，但实验得到的输出功率水平和光光转换效率均不够理想。 目前市场上商用的较大功率e d s f s 也多为价格昂贵的进口产品。为此，本课题 组在这方面进行了深入细致的研究工作，取得了较好的成果1 2 明。 。f 奸f t “”“ ” 由 ” 卤 “ e 圃；_ o u t p m t ” 由 叶j 擎呵t 。 由 ” 由“” ( e ) 取程双向 图11 2 不同结构e d - s f s 实验装置示意l 芏| 9 第一章绪论 根据泵浦光和超荧光传播方向的异同以及光纤端面的反射情况，通常将 e d - s f s 分为单程前f 甸( s i n g l ep a s sf o r w a r d ，s p f ) 、单程后i 句( s i n g l ep a s sb a c k w a r d ， s p b ) 、双程前i 句( d o u b l ep a s sf o r w a r d ，d p f ) 和双程后向( d o u b l ep a s sb a c k w a r d ， d p b ) 四种基本结构驯，如图1 1 2 所示，输出光为前向放大自发辐射光( a s e ) 的即为单程前向结构，输出光为后向a s e 的为单程后向结构。所谓前向、后向 是相对于泵浦光传播方向而言的，与泵光传播方向相同的a s e 称为前向a s e ， 相反的称为后向a s e 。在单程结构基础上加上反射镜就成为双程结构。在四种 基本结构的基础上，可以根据需要构建双程双向泵浦结构、多级结构等。理论 和实验研究结果均表明【2 ”，在整体性能上，双程后向结构的e d - s f s 明显优于其 他结构的e d s f s 。 1 2 2 基于光谱分割技术的掺铒光纤多波长超荧光光源 光谱分割的概念最初是在1 9 8 8 年由英国电信研究实验室提出的【3 ，利用滤 波装置，将宽带源发射的连续宽带光谱中有用的部分提取出来，无用的部分则 衰减掉，便可得到多波长光源。随后的研究均采用这种光谱分割技术。但是， 滤波器滤去了大量的荧光，使得结构的功率损耗过大，导致m w - s f s 的输出功 率和转换效率偏低，大大限制了其实际应用。为此，国内外学者不断地进行新 结构的尝试。1 9 9 9 年，c d s u 和l a w a n g l 3 1 把两个级联的长周期光纤光栅插 入双程后向结构的掺铒光纤超荧光光源中，获得了消光比在1 2 d b 以上的2 0 个 通道输出，波长间隔为1 7 n m 。长周期光纤光栅不仅起到了滤波器的作用，而且 能使功率重新分配，利用该结构得到的输出功率比利用光谱分割技术得到的输 出功率在每个波长上都要大。我们称这种结构为光谱预分割结构。 2 0 0 4 年，本人所在的实验小组利用双程马赫一曾德尔干涉仪进行光