（光学专业论文）应用于全光纤wdm系统的光纤激光器的研究.pdf

曼茎奎兰堡主堡兰! 塑兰 州( 7 2 7 f 摘要 ， f 近年来，随着光纤器件的发展和完善，全光纤w d m 通信技术在实际应用中展 现出了明显的优势。作为其光源，全光纤激光器由于本身所具有的一系列优越性， 受到越来越多的关注本文综述了光纤激光器的基本原理及发展状况，并介绍了 自行研制的各种多波长环形腔、线形腔光纤激光器及有关的研究工作。本论文的 主要内容有： ( 1 )提出一种新型的基于光纤光栅的四波长全光纤环形腔激光器，己经 成功的应用于全光纤w d m 通信系统中。由两个泵浦源泵浦，其中心波长分别为 l 为】5 5 5 8 n m 、1 5 5 6 6 n m 、1 5 5 2 4 n m 、1 5 5 8 2 n m 。线宽： 3 0 d b ；单波长输出功率： l m w ；经过了1 0 0 公里的传输实验，调制速率为 、 2 5 g b s ，( 最高可达5 g b s ) 。】n 一 ， ( 2 )提出一种由一个泵浦源泵浦，每个腔输出两个波长的新颖的四波长 全光纤环形腔激光器，并对其在通信系统中的应用进行了讨论。 ( 3 )对双波长线形f a b r y p e r o t 腔( f p 腔) 高掺铒光纤激光器进行了研究。 ( 其谐振腔由两个中心波长相同的高掺铒光纤布拉格光栅( f b g ) 对组成，发现其 、 输出含有严重的自脉冲现象。，卜、，一 ( 4 )利用在激光器的输出端接x - - 定长度的掺铒光纤的方法，对输出激 光进行放大，有效的利用了泵浦剩余能量，获得了较高的输出功率。 ( 5 )对掺铒光纤激光器( e d f l ) 的信噪比及a s e 噪声进行了研究( 利用 在谐振腔中加入一个反向的隔离器的方法，有效的压制了e d f l 的后向a s e 噪声， 将激光器的信噪比提高了5 6 8 d b 。卜、一一 关键词：光纤光栅，波分复用，掺铒光纤激光器 鸯开走学嫒士论文 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 ta n dp e r t 麓c t i o no f o p t i c a lf i b e r 洒r e c e n ty e a r s 、a t l * f i b e r w d mc o m m u n i c 鑫醢o nt e c h n o l o g yh a sd e m o n s t r a t e dl t se v i d e n ta d v a n t a g ew h e np u t i n t op r a c t i c a lu s e a c t i n g 嚣t h ei l l u m i n a n t 。a l l * f i b e rl a s e r sh a v ed r a w nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nd u et ot h e i rs u p e r i o r i t i e s t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n d e v o l u t i o no f a t l ，f i b e rl a s e r , m e a n w h i l ei n t r o d u c e sv a r i o u ss e l f - m a d em u l t i * w a v e l e n g t h a i l f i b e rr i n gl a s e r sa n dl i n e rl a s e l $ a sw e l la st h er e l e v a n tr e s e a r d tw o r k + t h es u b j e c t m a t t e r sa r e 珏sf o l l o w i n g ： ( 1 ) an o v e lf o u r - w a v e l e n g t ha l b f i b e rr i n gl a s e rb a s e do nf i b e _ tb r a g gg r a t i n g si s p r e s e n t e d t h el a s e r 粥sa p p l i e di naw d m s y s t e mm a dp m n p e db yt w o9 8 0 r a n l d s w i t h t h e f o u r w a v e l e n g t h s a s1 5 5 5 8 r i m 、1 5 5 6 6 r i m 、1 5 5 7 。4 r i m a n d1 5 5 8 2 n m r e s p e c t i v e l y 。e a c ho u t p u t l a s e ri s o 3 n mi nl i n e - w i d t ha n d lm wi np o w e r t h e s u p p r e s s i o n r a t i ob e t w e e ne d j a e e m w a v e l e n g t h si s 3 0 d b + t h r o u # t o o k m t r a n s m i s s i o na n dw i t h6 2 2 0 8 0 m b l sn r z , t 2 g s sr z ，2 。5 g h za n a l o g u es i g n a l a n d5 g h z a n a l o g u es i g n a l d i s t i n c te y ed i a g r a m sa n dw a v e d i a g r a m a r eo b t m n e d ， 灞a n o v e lf o u r - w a v e l e n g t ha l l - f i b e rr i n gl a s e rt h a ti sp u m p e d 酚o r i e9 8 0 n ml d i s p r e s s e d t h e l a s e r 8a p p l i c a t i o ns t u a t i o ni nw d ms y s t a m i sa l s od i s c u s s e d 0 t h es t u d yo nt h et w o - w a v e l e n g t hl i n e rf a b r y - p e r o tc a v i t ye r - d o p e da l ! f i b e r l a s e rw i t ht h ec a v i t yc o n s i s t i n go ft w oh i g he r - d o p e df b g si ns a l v ew a v e l e n g t h ， r e v e a l sas e r i o u sp h e n o m e n o n o f s e l f - p u l s e i ni t so u t p u t 4 ) i nt h ew a y o fc o n n e c t i n g 龇e r - d o p e df i b e ri nac e r t a i nl e n g t ha tt h eo u t p u te n d o ft h el a s e r , t h eo u t p u tl a s e r sp o w e ri ss t r e n g t h e n e d ，t h u st h er e m a i n e dp o 、】v e ri s e f f e c t i v e l yu t i l i z e dw i t h a e o m p a r a t i v d yh i g ho u t p u tp o w e r f 5 ) s t u d yo ns n r o fe d f la n da s en o i s ei sc o n d u c t e d b ym e a n so fa d d i n ga r e v e 档e di s o 鳃t h el a s e r sc a v i t y , t h ee d f l sa s e b a c k w a r dn o i s ei ss u p p r e s s e d e f f e e t i v e l ys o 氆a t t h el a s e r ss n r i si n c r e a s e db y5 6 8 d b t k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g ，w d m , e d f l l l 一塑要奎鲎醒主堡塞! 塑二雯煎童 1 1 课题背景： 第一章蘸言 自9 0 年代以涞人类社会逃入了一个1 i f 所宋商的信息爆炸时代，伴随黄个 人魄脑翡骜及瑟来黪i n t e m e t 靛飞速发展，蠢数字移动逶倍泣务导融拿大通信孺 引越的常规通信的薄命，以及多媒体通信业务的出现，导致了全球通信业务的疯 狂增长，曩鞋这耱癜狂壤长瀚最直接嚣慕是蹬现了瓣谬豹“巍绎耗尽”现象堙 下去的光纤郝用完了。以i n t e m e t 为例，箕骨干网的带宽每6 9 个月就翻番。 1 9 9 5 年i n t e m e t 嚣予弱戆繁宽为1 5 5 m b i f f s ，1 9 9 7 年必6 2 2 m b i f f s ，丽爨了1 9 9 8 年达到2 5 g b i t s ，到1 9 9 9 年则突破1 0 g b i t s 。也就是说，仪i n t e r a c t 的数据流量 裁可鞋占演整个单波长光野系统静容蠢。 由于光缆线黪的敷设赞用很疑，如何利用现肖的光缆系统实现最大限度煦 扩簿，已经成为太 】研究的蓬赢方内。传统豹扩容方法是采用e t d m ( 电时分复 用) 方式，即对电信号避章亍时阅分膈复用。笼论是p d h 的3 4 m b i t s ， 1 4 0 m b i f f s ，5 6 5 m b i f f s ，还是s d h 静1 5 5 m b i f f s ，6 2 2 m b i t s , 2 4 8 8 m b i t s ，都是按照这一 原则进行的。然两。随着现代电信网对传输容量要求的急剧提高，利用e t d m 方式已嚣豢接遥麓秘砷纯镓攘拳魏裰狠；并且传输设备静徐格瞧缀麓，光纤色度 色散和极化模色散的影响也日益加璧。因此人们正越来越多的把兴趣从电时分复 异l ( e t d m ) 转移戮光菱用，帮菰必熬波长夔矮( o w d m ) 黎巍对分笺尾( o t d m ) 来改进传输散率，提高复用速率。从世界范围来看，目前越在建设戏将要建设的 亵璃竞纾通信系统，基奉上都是w d m 走缚逶绩系绫，暴有稳竞纾遥蓿系统也蘩 将陆续被改造成w d m 系统。 从科黼领域采褥，毽界各国藏致力子彩路、嵩速w d m 系统酾研究。例如， 瞪本n t t 网络创掰实验室予1 9 9 9 年提出了离达 i b i s 的1 9 鼹光载波的w d m 实 验系统l l l ，每路载荷蠡光辩分复雳( o t d m ) 产雯1 6 0 g b l s 的数字遴率，箕总容 量为1 9 x1 6 0 ，达3 1 w s 以上。日本k d d 研究开发实验室则提出5 0 0 g b s 传输 4 0 0 0 k m 靛实验系统翻，它燕由鞠路w d m ，每黯剩惩e t d m 产生的1 0 g b s ，难 备用于越滞海底光缆的犬容量、长距离光纤避信系统。工作波长范围是 1 5 4 1 4 1 5 6 1 0 n m ，光载跋闯隔0 4 r i m 。对于欧湖来说，法国电信公司撬潞了 1 0 2 t b s 传输1 0 0 0 k m 的实验系纠引，是由5 l 路w d m ，每路2 0 g b s 组成的。准 备疲躅予麓缝长途干线豹巍纾逶信系统。菸波长王俸范疆是1 5 4 i 1 1 5 6 1 1 n m ， 波长间隔为o 4 n m 。荚国的t y c o 公词同样予1 9 9 9 年提出了6 4 0 g b s 传输7 2 0 0 k r n 南开大学硕士论文：第一章前言 的实验系统。由6 4 路w d m 组成，每路利用电的e t d m 产生1 0 g b s 信号，其 波长工作范围是1 5 4 3 7 1 5 5 8 8 n m ，波长间隔o 2 5 n m 。 从商业领域上看，波分复用系统从1 9 9 6 年就已经在北美开始大规模应用， 敷设量已超过5 0 0 0 多终端，目前的商用系统主要为( 8 - 1 6 ) 2 5 g b s 系统，4 0 波及8 0 9 0 波系统也已经投入应用。从国内的情况来看，w d m 通讯系统也已经 完全实现了商用化，烽火通信公司于1 9 9 9 年已经通过验收了国家一级干线济南一 青岛8 2 5 gd w d m 通讯系统，2 0 0 0 年又有大连沈阳的3 2 2 5 gd w d m 及贵 州新义3 2 x 2 5 gd w d m 等一系列通讯系统投入运行，华为公司的s b sw 3 2 大 容量d w d m 系统也已应用于吉林省1 0 gd w d m 干线中。可以说，在商用方面， 国内并不比国外落后多少，但是由于众所周知的原因，这些公司的核心技术仍掌 握在国外大公司手中。 正是在这种背景下，我们课题组承接了国家自然科学基金重点项目全光纤 集成波分复用通信系统实验研究及国家高技术研究发展计划( 八六三计划) ； d w d m 用全光纤激光器与自调准a d m 器件。本论文的主要工作是围绕这个项 目中的基于光栅的多波长全光纤激光器的子项目展开的。在本章中将简要介绍一 下w d m 及现阶段主要应用于w d m 的光源。 1 2w d m 及应用于w d m 的光漂介绍 1 2 1w d m 光波分复用( 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 ) 技术是在一根光纤 中同时传输多波长信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同的光信号组合 起来( 复用) ，并耦合到光缆线路的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合 波长的光信号分开( 解复用) ，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终 端，因此将这项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。 w d m 技术的主要特点是：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量 比单波长传输迅速增加几十至上百倍；在大容量长途传输时可以节约大量光纤和 再生器，大大降低长途传输成本：与信号速率及格式无关，是引入宽带新业务和 兼容不同体制或不同厂家设备的方便手段；可利用w d m 选路实现网络交换和恢 复从而实现未来透明的、具有高度生存特性的光联网，可以说，w d m 不仅成为 解决容量问题的手段，而且成为加速新业务生成的基础。 一般来说，w d m 系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光 南开大学硕士论文：第一章前言 接收机、光监控信道和网络管理系统。 本论文的主要内容一光发射机是w d m 系统的核心，根据i t u t 的建议和标 准，除了对w d m 系统中发射激光器的中心波长有特殊要求外，还需要根据w d m 系统的不同应用( 主要是传输光纤的类型和无电中继传输的距离) 来选择具有一 定色度色散容限的发射机。总之，w d m 系统对光源的具体要求应该是：传输的 频率要稳定，频带要窄。下面将就现有的应用于w d m 系统的光源进行简要介绍。 1 2 2 用于w d m 系统的光源 1 分布反馈半导体激光器 分御反馈( d f b ：d i s t r i b u t e df e e db a c k ) 半导体激光器的结构特点是：激 光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化的波纹结构( 波纹光栅) 来提供，即在有源区的一侧生长波纹光栅，如图1 1 所示。其激光振荡是依赖沿 纵向等问隔分布的光栅所形成的光耦合实现的。 电流注入 图1 1d f b 激光器的结构 d f b 激光器与一般的卜p 激光器相比，具有以下优点： ( 1 ) 动态单纵模窄线宽振荡 由于d f b 激光器中光栅的栅距很小，形成了一个微型的谐振腔，对波长具 有良好的选择性，使主模和边模的阐值增益相对较大，从而得到比f - p 腔激光器 更窄的线宽，并能保持动态单纵模振荡。 ( 2 ) 波长稳定性好 一亘要盔堂堡主堡苎! 笙二兰垫直 由于d f b 激光器内的光栅有助于锁定在给定的波长上，其温度漂移约为 0 8 a 。比f - p 腔激光器好的多。 ( 3 ) 动态谱线好 d f b 激光器在高速调制时仍然保持单模特性，这是f - p 腔激光器所无法达到 的。尽管d f ? b 激光器在高速调制时谱线有所展宽，即存在啁啾，但比f - p 腔激光 器动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。 2 分布布拉格反射激光器 分布行拉格反射( d b r d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t i o n ) 半导体激光器的 结构与d f b 激光器的结构基本相同( 见图1 2 ) ，不同之处在于光栅位于有源区 的外面，从而易于制作并减小在制作时因晶格损伤引起的损耗。 布拉格反射器有源部分 _ l l - _ - 输出光 圈1 2d b r 撒光器 d f b 激光器的光栅是制作在有源区的波导层上，这时光栅起分布反馈的作 用，所以不再需要端面反射镜。d b r 激光器的光栅是制作在有源区两端外的波导 层上，这时光栅起着端面反射镜的作用。 d b r 激光器的特点与d f b 激光器基本相同。 3 量子阱半导体激光器 量子阱( o w ：q u a n t u mw e l l ) 半导体激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带 隙半导体材料中间或交替重叠生长的半导体激光器。其结构与一般的双异质结激 4 璧堑盔兰堡主笙壅! 蔓= 茎壁壹 光器结构相似，只是有源区的厚度很薄，般仅为几十。 通常用于半导体激光器的q w 结构主要肖三种类型，即多量子阱( m q w ) 、渐 变折射攀波导限制型单量子阱( g r i n s c h - s q w ) 和带蠢超晶格缓冲层的渐变折射 率波导限翎黧单量子阱( s l b - g r i n - s c h s q w ) 。如图1 3 所示 m q w s l b n - s 错 图1 3q l 激光器结构示意圈 与一般的双异质结激光器相比，量子阱半导体激光器的优点在予： ( 1 ) 溺篷毫滚低。一般隽双舅震续激先器豹：3 和 s 。壶予溺蕴鬯溅翁 降低，同时逐带来了功耗低、温度特性好等优点。 ( 2 ) 绒宽窄。与双异质结激光器相院，可缩小一倍。 ( 3 ) 频率羁嗷小，裁态零毂模特性好，横模控铡毙力强。 1 3 企光纤激光器在w d m 系统中应用的优势及前景 如上所商，现强w d m 通信系统中多采用备种l d 作光源，并已完金实现了商 鼹。僵是，乙d 在湿度稳定燃、可纛性以及舄光纤的耦合特燃等方面却存在天然 的弊病，为解决这些闻题剐必须采取多种复杂的控制措箍和稀入各种必备的辅助 设髯等。由此人们开始考虑，在现行d w d m 通信系统中使用l d 不一定怒唯一的选 择。 遮年来，骧罄必缍嚣穆，特剐是党绎光援的发袋翻完善，全光纾1 l l 濒邋僚技 术不但在研究领域融成为热点，而且在实际威用中也展现出了明显的优势。人们 蟪光经光撩躅于光终激光技零，研制出各秘多波长全光纤激光器。相j c 母l d 来说， 它有一系列优越性：结构简举，容易实现；内于使用了高反射率的光纤光栅，使 南开大学硕士论文：第一章前言 得在不用附加滤波器的情形下得到的激光输出具有较高的稳定性和很窄的线宽； 具有较高的光功率输出，损耗低，有利于增大通信的无中继距离；具有较高的波 长抑制比，用于波分复用通信系统时可以大大降低信道之间的串扰等等。而且越 来越多的实验结果也令人置信不移：多波长光纤激光器作为d w d m 系统的光源， 将成为又一种重要选择。我们的实验研究及其理论分析结果已经表明，利用光纤 光栅来实现多波长输出，为d w d m 通信系统提供光源是一种简单易行的好方法。 实际上，基于光纤光栅的全光纤激光器已经有了突破性的发展”。在很多 方面已经成为半导体激光器的有力竞争者。国外，以光纤光栅为核心构成的全光 纤激光器件层出不穷，例如，用光纤光栅压缩线宽的光纤激光器，其输出线宽可 达k h z 量级“3 ：用光纤光栅调谐的光纤激光器，其调谐范围可达几十n m “2 等。 特别是，利用光纤光栅的选频特性研制多波长的光纤激光器，在增益线宽内可获 得多波长输出”1 ，为d w d m 系统提供了又一种有重要意义的新光源。此外，还有 利用光纤光栅的干涉特性，研制出自调q 、自锁模光纤激光器8 1 等等。国内，主 要在近期，由于光纤光栅相继被研制成功，各种光纤光栅激光器件也陆续丌始得 到实质性地研制开发。 以上情况表明，使用特殊设计的光纤光栅已能研制出高效率、性能稳定可 靠、结构简单的多波长全光纤激光器，将其用于d w d m 通信系统并形成高技术 产品的时机已经趋于成熟。 总之，随着光纤通信技术的迅速发展，特别是掺杂光纤放大器的成功研制， 全光纤通信已经成为现在研究的一个热点，特别是随着全光纤激光器和全光纤 器件的相继问世，整个光纤通信必将发生质的飞跃，使全光纤通信系统得以实 现。 本论文所涉及的即是各种基于光栅的全光纤激光器，在下面的几章中，将 介绍光纤激光器的基本原理，并详细说明我们所研制的各种激光器的结构、特 性及有关的其他研究工作。 6 j 堑查兰塑主搀苎：墨三塞垄堑堂堂塑盟三堡堕望 第二章光纤激光器的工作原理 对使用掺有源杂质的光纤作增益介质的光纤激光器、放大器的研究始于6 0 年代。早在1 9 6 1 年制成的第一个光纤激光器就使用了一根芯径为3 0 0 “m 的掺 钕( n d ) 光纤一j 。后来，低损耗的二氧化碳光纤一经出现，人们就用其制成了半 导体激光泵浦掺钕( n d ) 光纤激光器( 1 9 7 3 年) 【1 0 1 。虽然此后又进行了一些这 方面的研究工作【l “，但是直到8 0 年代中期，英国南安普顿大学对掺杂光纤的研 究才取得突破性进展f l2 u j 。他们演示了用m c v d 方法制作的单模光纤构成的光 纤激光器，唤起了人们对这一领域的重视。人们最初的研究重点是掺钕和掺铒光 纤激光器。也使用了其它一些掺杂元素，如钬( h o ) ，钐( s m ) ，铥( t m ) 和 镱( y b ) 等。从1 9 8 9 年开始，才关注于锁模掺铒光纤激光器。因为它能够通过 主动或被动锁模在1 5 5um 波段产生超短光脉冲。事实上，掺铒光纤激光器在 1 9 9 3 年就已经实现了商品化。光纤激光器在光通讯，传感技术和光电转化领域 有着广泛的应用前景。 国内从8 0 年代末和9 0 年代初开始了这一领域的研究工作，并取得了一些阶 段性的成果。例如清华大学，中国科技大学，南开大学以及邮电部和电子部所属 的一些研究机构在光纤激光器、放大器和相关器件的研究中都取得了一定的进 展。但是由于工艺条件和加工技术以及相关器件的制备方面还与国外有一定的差 距，只有部分产品实现了实用化。 本章主要研究掺杂稀土离子光纤激光器。并将介绍适用于所有掺杂光纤激光 器的一般概念及理论分析。 2 1 光纤激光器的基本组成 和其它的激光器一样，光纤激光器也是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n - 部分组成。如图2 1 所示。因而光纤激光器也有着和其它激光器相n 瞰j - r 作原理。 蝥鞋竺瑚意二 下面将对此进行分别讨论。 图2 1 光纤激光器的基本结构 一一壹茎查燮堡主笙塞! 墨三里韭堑堂堂道堕三堡璺堡 2 2 泵浦与光增益 当激光奔蒺被泵滤露达羁鞍子数反转对，裁产生了毙增益。壤握掺杂物韵 不同，有三能级系统和四能级系统，如图2 2 所示，其掺杂元素怒激光器的工作 貔貘。在三毙级系统中，激光下戆级强是蒸态，或是投靠避基态蛉能级，囊子热 激发而有较多的拳立子。在四能级系统中，激光下能级和基淼能级之间仍然存在着 个跃迂，逶豢为无辐射跃迂。在三能级系统孛，出于吸收终发生基态到激光上 能级的直接跃迁，引起与激光光予发射之间的竞争。因此，在稳态状态下。三能 级系绞器蒺较高瓣泵溥动攀以获褥粒子数反转。导数三能级系统的阕值功拳比四 相当】：e r l 5 3 6 n m 跃进 圈2 2 ( a ) 三熊缀系统 稻警予n d l 0 6 0 n m 酝迂 ( b ) 四能级系统 能级的商，这是通常愿意采用四能级系统的原因所在。 与上述两种能缓系绫不同，上变换激觉器蹙一种薪静驻缀系统。零2 。3 掰示 为一个掺铥光纤上变换激光器的能级图。一般来说，在上变换激光器中，来自同 一个泵漓激光器( 或不网装漓激懋嚣) 的磷令或两个戳上鸽光子被掺杂离予蔽授， 使掺杂离子跃迁到激发态，而这个激发态的跃进能量又高于单个泵浦光子的能 爱。这梯，激光器就会发射出菝攀嵩予聚溱毙豹激宠来，这静瑗象在 # 线牲光学 中称为上变换。这种泵浦方式引起了人们的注意，是因为用这种浆浦方式可制成 半导体巍光或缎耱竞激先泵漓豹，发懿先谱在蘸必莛戮瘗豹光纤激光嚣。磐圈 2 3 所永，三个波长为1 0 6 1 tm 矗勺泵浦光光子将锤离子t m ”激发剃激发态。g 4 ， t m 3 + 嚣逶过g 4 峙3 珏s 甄；乏瑟发窭波长为4 7 5 n m 豹蓝光。虫予存在基度诱导瀑赛 效应，圈2 3 所示的各能级实际上是能缀带。 在现阶段，掺锤毙纾激兔器在先野遁僖审穰蠢广泛教痤弱薅最，溅蘧也是 我们讨论的重点。掺铒光纤激光器为三能级系统，并且由发射波长为0 9 8 或1 4 8 pm 。静半导俸激先器逡行离效袋滚。为7 滋鞠爨麓缀裂滚宠纾激毙爨黪泵清方 塞 南开大学颂_ 上论义：第二章光纤激光器的工作原理 式，图2 3 ( b ) 中也给出了掺钕光纤激光器工作时参与激光产生过程的各个能级。 该激光器可由半导体g a a s 激光器发射的波长为0 8 9 m 的激光进行高效泵浦，实 现4 1 9 ，2 到4 f 5 n 跃迁。当掺杂n d 离子从激发态4 f 3 ，2 跃迁到三个较低的能级时，激 光器就发射出波长分别为o ，9 2 ，1 0 6 和1 3 5um 的激光，1 0 6 9 m 跃迁的泵浦效率 最高，因为它是四能级泵浦产生的。虽然1 3 5 1 a m 跃迁也是由四能级采j _ i t j “! i i 的， 但是由于4 f 3 2 4 g 7 ，2 跃迁对其的吸收作用使得1 3 5 t m 激光出现了激发态吸收而 被削弱。实际上，1 9 6 1 年出现的第一台光纤激光器就是用1 0 6 1 tl r l 跃迁实现的【9 j 。 1 9 7 3 年又制成了二极管泵浦的光纤激光器【l “，从那以后，掺钕光纤激光器的性 能获得了显著提高。 p u m p f 0 4 8 - hj p u m p r 举、 p u m o 图2 3 ( a ) 上转换激光器的能缓圈 给出了t m 离子的能缎，箭头衰示了能 级间的迅速弛豫每发射一个o 4 8pm 光子 吸收二个10 6 p m 光子 2 3 激光阈值 m 4 1 1 5 2 4 i l3 2 4 i l i ，2 4 1 9 2 e x c i t e d s t a t e jl e j a b s o r p t i o n罱 一 g 旨 巨瘩g jj j n oon od o + r 1r 圈2 3 ( b ) 四能级激光嚣的能级图 给出了n d 3 + 离子的能级，用0 8um 泵浦掺n d 光纤激光器，发射靠近的 0 9 2 ，10 6 ，i 3u m 二三个波长 激光器的两个最重要的参数是泵浦功率闽值和激光器达到阈值以上将泵浦 功率转化为激光功率的转化效率( 称为斜率效率) 。只有当光在谐振腔内往返一 次的总增益等于腔内的总损耗时，才能说达到了激光阈值。下面我们考虑在一个 简单的光纤f a b r y p e r o t 腔中光波往返一次的情况。f p 腔反射膜的反射率分别为 r l 和r 2 ，它们镀在一根长为l 的光纤两端，则阈值条件为： g 2 r l r 2e x p ( - 2 仅i n t l ) = 1 ( 2 31 ) 9 2 彪 心 踟忆惯 协惕慨 憾恨慨 南开大学颂上论文：第二章光纤激光器的工作原理 g = e x p ( ! g ( 0z ) d z ) 亿，固 ， 6 。是跃迁截面，n i 和n 2 分别为受激辐射过程中低能态和高能态上的粒子数 圭i g ( z ) d z = 仪。i r + = 。 。印 其中仅。r = 一l n ( r l r 2 ) 2 l 是有效镜损耗，仪。a v 是腔内总损耗a 警= f n 2n f 2 ( 2 3 5 ) 其中跃迁几率w p 和w s 与泵浦功率p p 和激光功率p s 成如下线形关系： = 蔫，职= 蔫 ，固 m=罐1+ps,。 ”， 宁；尝甲：等 ( 2 删 9 仃。正 4 盯。正 1 0 南群大学顿士论文：第二二章光纤激光器的工作联理 由于泵浦功率和信号功率淤腔长发生变化，所以n 2 也相应的沿轴向z 发生 交讫。在低予或褛近激光蠲擅瀚清凝下，增益饱和可忽珞不计，因为p s p 。“ i k w ) 的光脉冲，并凰 峰毽波长瓣调港蓬圈越过3 0 - 4 0 h m 。然嚣，调q 产生豹毙辣秘较宽( 约l o o n s ) 。 相比较之下，由于有较大的增簸带宽( 一5 t h z ) 。锁模可产生不到l o o t s 的光脉冲。 在旱期雳掺钕建纾激党器迸器豹锬摸实验孛郅产生了i n s 的光熬冷 1 1 , 3 9 t 。如周淀 入锁定二极管阵列泵浦的掺钕光纤激光器，则w 产生1 2 0 p s 的光脉冲 4 0 1 。从1 9 8 9 年开始，人翻把注意力集中在1 5i tm 豹锁模e d f l 上，因为宅在光通信上有饕 潜在的应用价值。这种激光嚣能发射小于1 0 0 f s 的光脉冲。 2 。7 1 镁模梳理 镂模是姆多级摸邀行援馒锁定爱褥同时掇荡。考虑连续波光绎激光器，如果 没有标准具这样的选频元件，激光腔所允许的大量纵模将同时振荡。振荡纵模之 闽载频率阑蹑是： 加忍 7 _ 1 8 南开大学硕士论文：第二章光纤激光器的工作原理 l o p ，为激光在腔内绕行圈所经过的光程。列于环形腔。= 石，石为有效模系 数，l 为光纤长度，但对于f - p 腔l 叫大于2 万三。之所以产生多纵模振荡，是因 为增益带宽相对于模间隔( i o m h z ) 丽言非常宽。在增益曲线范围内的模式有 成千上万，只有位于增益峰值附近的纵模才可得到相同的增益并同时达到阂值。 激光器的总光场可以写为 ， e ( f ) = e me x p ( j 九一帆，) m = - m ( 2 7 2 ) 其中e k 、厶和w 。是第m 个纵模的振幅、位相和频率。纵模的总数为2 m + 1 。如 果所有模式都各自独立的发生振荡，它们之间没有固定的相位关系，那么总强度 i e o 】2 中的交叉项将会消失，从而不随时间发生变化，这就是多纵模连续波激光 为了了解这样一个相位关系的作用，令丸= m 石+ 九为方程的一个解。模式频率 简单起见，假设所有的模式都具有相同的振幅e o ，就可算出总强度l e a 2 为 瞰卜鬻爵 旺似， 主动锁模要求对腔内光场的振幅或频率( 或相位) 进行调制。调制频率厶 等于模式侧隔v 或者是它的整数倍。这被成为a m ( 调幅调制) 或f m ( 调频调 制) 。主动锁模的理论是众所周知的，我们可以定性理解这种激光器的工作过程。 a m 和f m 都会产生多调制边带，边带间隔为调制频率磊，当 = a v 时，这姥 边带与相邻的模式相重合。这样，每个模式的相位信息就通过调制边带传到相邻 的模式上，从而实现了相位同步。我们也可以从时域了解脉冲的形成过程。图 2 1 l 所示为a m 锁模的情况。腔损耗被以频率v 调制。由于激光器在损耗最低 1 9 南开大学硕士论文：第二二章光纤激光器的工作原理 模脉冲列。换句话说，就是因为腔内光强只在低损耗的时间间隔内出现，所以脉 冲的有效腔损耗总是低于连续波的损耗。这就降低了脉冲发射的激光闽值。其结 果是激光器发射脉冲列而不是连续波。p m 锁模过程也基本相同。 弋；、 、兰 ii lp：i il a八 图2 1 l 通过调制腔损耗而进行的主动a m 锁模示意图 声光调制和电光调制都可用于主动锁模。然而，一般情况下，这些调制器都 非常笨重，而且由于尺寸和耦合损耗的原因，它们并不适用于光纤激光器。 l i n b 0 3 电光调制器是一个例外，它可以集成到光纤腔内，而且耦合损耗也比较 低。它们可以具有很宽的调制带宽( 高达约2 0 g i - l z ) 。由于这些原因，l i n b o ， 电光调制器总是被用于进行光纤主动锁模。 2 7 3 x p m 锁模 光纤激光器的主动锁摸不利的一面是，由于要在激光腔内安装l i n b 0 3 调制 器，不但导致附加损耗的产生，而且引入了非光纤元件。近年来出现了不需要电 光调制器的主动锁模技术。其中一个方案是利用交叉相位调制( x p m ) 的非线 性现象制成全光纤锁模e d f l t 4 1 ，4 2 】。图2 1 2 为这个激光器的示意图。在激光器中， 一条比较长( 几公里) 的光纤通过两个w d m 耦合器插入环形腔。来自外部激光 器的泵浦脉冲传入这根光纤并通过x p m 对激光相位进行调制。如果泵浦脉冲的 重复频率是模间距的整数倍，那么x p m 就促使光纤激光器产生f m 锁模脉冲。 用这个方法可以产生重复频率高达4 0 g h z 的1 0 p s 短脉冲。这种激光器可以把任 意模式从泵浦脉冲波长转移到激光波长，从而实现波长移动。另外，这项技术也 可用于制造光学可编程锁模激光器，它发射的脉冲可表示驱动脉冲列各个元素之 间的逻辑运算结果1 4 。 商开大学坝f ：论文：宝f ；二章光纤馓光器的t ：作原理 p u m p 口”i 瓣2 1 2 髓瓣光纤激光瓣中x p m 锁模静实验装譬蓬 网步泵潍技术也爵翊寒进抒光野激光嚣的f m 锁摸。这颂技术躲实瑷对于 半导体激光祷聚浦静e d f l 来说非常简单，霹为我们可以对系浦激光器的电流带 合适豹频率逑程调制。由于锝离子的焚光寿鑫较长( 约1 0 m s ) ，所以不可能用超 过1 m h z 静频率对增蔻迸杼调节。尽管x p m7 1 趋的耀位移动非常小，但是，泵 浦脉 申仍可通过x p m 对激光塌进行调制。捆位调制则可以导致f m 锁模。 2 8 其住光奸激光瓣 诲多萁她耩嚣爨翡褰予瞧霹蔫予餐遥毙绎激巍嚣。铡擞，在1 9 8 8 年，欲、 钐、锾、和镱就被同时用于制诲发射从可见光到红外光范国的激光器f 4 4 。w 。后来， a 饲又把注纛力案中在蠲掺p ，竞终寒实理工俸波长猩13 鼙m 豹激光器帮鼓大 器上，因为这个波段也可用予通信。掺卵+ 激光器还w 发射波长为1 0 5i tm 的激 巍。最近，人稻又翻成7 发射霹觅毙瓣上转换掺镨光纾激光嚣。【媲4 9 】 对掺钕光纤激光器来说，由于它可用工作波长在0 8 i im 附近的g a a s 半导 傣激炎器避镫鬃瀵；对它豹礤究嚣雾广泛。1 9 7 3 苹藏裁黢了一螽互终波长在1 um 的掺钕二氧化硅光纤激光器【，光纤的纤芯中还同时掺了氧化锅。这样光 拜藏戏了梯寝辑瓣率澎纾，其簿芯妻经失3 5 # m 。激港器浆f p 麓楚将t c a n 黪 光纤端砸抛光后镀上介质膜反射镜制成的，反射镜对激光波长1 0 6um 的反射率 离子9 9 。5 。该激燹器在泵涪凌率兔0 ，6 r o w 辩这妥溪毽，吸收泵满功率据嵇计 只有o 2 m w 。 掺铥毙鳋激走器也雩 起了广泛美液。嚣蓊邑裁残鹣掺铥二戴纯疆巍纾激光辫 既有上转换裂浦发射蘸光的激光器，又有以3 f 4 3 战跃进发射波长为1 9 um 的激 竞器，惹者赘宽较竟，胃在1 7 1 - 2 1 肚m 范暴露逢行谤漤翊。藏丘1 9 9 0 年，鼗 类激光器的输出功率已i 超过了lw t s l , s 2 。利用3 f 4 - - 3 h 4 跃迁可用来制造工作波长 为 。碡5 i 5 i 壮m 静可调谐激必器，该激光器露雳予髭遥 嚣窥泵滚e d f a l 5 j j 。如 栗以工作波长为1 0 6 n m 的n d ：y a g 激光器为泵浦源，该激光器的输出功率可达 褒嚣大学硕士论文：第二章_ 怒缚搬光器的工作原理 1 w ，激光瓣毯楚 7 5 m w ，斜率效率瓷2 9 ，调谶范鼹麦1 4 4 5 # m 。l 。s l # m 5 4 】。 第台掺镱光纤激光嚣于1 9 8 8 年制成 捌，它的工作波长为1 o lpm ，诫谐薄 弱趣避6 0 n m ，艇是这种激光器的输离功率魄较低。1 9 9 2 年使用鬣佬物惑纤屠涔1 ， 掺镱光纤激光器在1 0 2 弘m 工作波长处达翻了t 0 0 m w 豹输乐功率。在螽慕避行 的一次实验中q ，台淤：戴纯硅为蒸底的掺德先纾激光器蹋波长8 6 9 n m 豹光 泵浦这餐了8 0 豹餐予效率，徐窭功率达到了2 0 0 r o w 。在这螽激涎器中，掺德 毙终上写入了掰令b r a g g 光援，爱毒搴率分别必6 5 秘9 9 ，从嚣黪成了个长 达7 m 酌f ，p 陂。 2 9 小绪 本章主要淫谂了巍野激光嚣魏些基本原理，出以上理论分辑可知，光纾激 巍器其寿诲多优良特援，褒缀多方嚣，都蠢重甏佟鲻。悫递绩辩是其串之。赉 第一章哥熟，光纤遽信系统一般是半导体激光器织光源。但是，当激光被耦会进 入党纾僖穰弩簧臻霹，慧楚存在藕仓矮耗嚣缺焦。愆重壤会效率兹长麓稳定程恣 是一个主要豹趣慰。光纾激悲器则鹅决了耦仓阅题，因为光纾一光纾耦合不仅效 率麓，嚣基簿鬻稳定。 多通遂逶信系统簧求激必器波长貔够控裁。在2 ，6 串已经进霞了讨论，e d f l 可馘设计成戳萃缎模王佟，波长胃戬农5 0 r i m 藏豳蠹谰谤，弱辩线宠髹羚低予 1 0 k h z 。毅菇接对跑，半导体激光器黪线宽远犬予氆l 渊陵，劳且其调谐范围小 予t o n m 5 引。这样，巍绎激戆器裁蹩遥焉予多遮逶光滚系统，牵等_ ；l | 楚足台竞绎激 光器懿输爨波长帮戳瘸党绥光据糖镶接制，可以用必终复题器以极低驰损耗会波 输入巍纾传辕链。在次俦输实验巾，一叁蠲溪个毙绎竞掇澍终数f p 腔党野 激光器以2 5 g b s 速率传输馈息1 5 8 】。虽然撂准通信光纤有捆当大的色散，信号还 怒健辕了6 5 4 k m ( 莠l9 个e d f a3 1 馁是纾鹣攒耗) ，圭要是透必簧辕数撰瓣返蛙 交接叛艰黥冲线宽缀零。 光纤激光器的第二伞应瑗爨镀穰毙磐激瓷器霉苏竣诗戏产整夜重复频率 一1 0 0 h z ，缓接近交换极黻鹣孤子翘矮光皴 孛( 短达t 0 0 f s ) 输如。这搀的脉；中_ e 鬻适翔予孤予逶信系统。使瘸谐波镁模熬悫绣激光嚣起璧鸯p 呻豫定器) 产 釜鹣鞭子在巍纾孛传瓣鹊疆离嚣远大子锬横半导体激巍爨产生的孤子( 远达 3 0 0 0 k m ) 1 5 9 1 。在雯一次实验巾，没傻丽滤渡器，瞧束在传输鼹程审避露控到， 番蕊子娃2 5 g b s 熬速率转辕了1 7 6 0 0 k m 6 0 。奄此次实验中，使用的是主动锁模光 野激光器，冀糖使弼一令镄穗繇鼹逡行控爨，魏鞭踩腔羲交纯。 光纾激巍器融被薅l 予健感疆域。搽测筇壤涅壤朝皮力豹变化。它们的工作原 诱扦大学l _ 弛卜论文t 第一带光纤激光器的t 作j 糸理 瑾最激光器的波长随着溢赓袋应力的变纯丽产生移动。先纾激竞器一般楚连续渡 运转，并且键潮光纾b r a g g 淹撵 萋靛镜。这群的激淹器工 擎波长囱光绣惫糖载 b r a g g 波长决定，蔼薏纛是自光绎静有效挢鸯孪率决定。懑凄鞠赢力的交纯逶过改 变揆瓣率孬捷激毙滚妖发生变纯。薅e d f l 遴行实验测褥渡授变证爨与座力秘瀑 囊变化成线魏美系： f i 2 2 = ( 0 7 9 0 0 2 ) c + 7 1 1 0 - 6 a t( 2 。7 1 ) 其中5x 为波故交往耋，g 为熬潮豹瘦力，盎t 为掇氏潺寝交落爨。在e d f l 懿工俸渡长簸( 大约1 5 3 譬搬) ，激巍渡长寝1 2 2 1 0 3 r t m 纛1 l n n p c 瓣速 率黛亿，遮髓掇镞了愁够熬癸辨率。 光纤激光器也爵用作偏振传感糖。外界的徽撬改变先绎中的双掰瓣，献两影 确疆交偏掇激光束的撼频，w 鞠于蒜耩壤鹃嶷按方式溺蠡；这样戆编掇传惑嚣溺 量威力具有离分辩察。 总之，出理论分褥可知，光纾激光爨不健在通僚鞭域有筵簧应丽，丽虽旋转 感饕其他领域亦寄广泛的发震前景，正翔本牵所指出的蔼e 样，光纤激光嚣在近年 来。已经成为灏际鬻内研究的黧点。 南开大学硕士论文：第三章多波长光纤激光器的实骏研究 第三章多波长光纤激光器的实验研究 本章的内容主要是围绕我们承担的豳家自然科学基金重点项目：全光纤集 躐波分复惩暹售系统实验勰究及嚣家裹技零磅究发展计划f ，六三计划) ；d w d m 用全光纤激光器与自调准a d m 器件中的全光纤激光器部分来进行的在此基础 上，我 | 、j 逡彳亍了大爨戆实骏硬究，磺铡了多蕈孛光绥激光嚣，其中有部分已经经过了 验收，达到了实用化，下面将分别给予介绍。 3 1 嚣个泵满源泵清攀麓输溱单波长麓銎波长环形腔毙终激毙器 3