（光学专业论文）光纤光栅外腔半导体激光器技术研究.pdf

摘要 介绍了光纤布喇格( b r a g g ) 光栅的种类和制作，用耦合模理论分析了 其基本性质，包括峰值反射率和反射半高全宽度等，同时介绍了光纤光 栅在通信、传感器、滤波器等方面的应用，分析显示光纤光栅在整个光 纤技术领域都有重要的影响。并结合激光原理，研究了光纤光栅外腔半 导体激光器( f b g e c l ) 的理论模型，得到光纤光栅反射率的解析解。根 据等效腔模型，综合讨论了耦合系数、光栅长度以及增透膜等因素对光 纤光栅外腔半导体激光器特性的影响，使得激光器的输出特性达到最 佳，从而实现光纤光栅外腔半导体激光器在光陀螺上的应用。研究结果 对光纤光栅外腔半导体激光器的设计和性能优化具有重要的意义。最后 讨论了器件设计中要注意的问题。 关键字；外腔半导体激光器光纤光栅模耦合耦合效率 a b s t r a c t mv a r i f i e sa n d t e c l m i q u e so f f i b e rb r a g gg r a t i n g 口b g ) a l er e v i e w e d i nt h i sp a p e r , a n di t sb a s i co p t i c a lp r o p e r t i e so fr e f l e c t i o n ，i n c l u d i n gp e a k r e f l e e t i o na n dr e f l e c t i o nf u l l w i d t ha th a l f m a x i m u m 但w h m ) a l ea n a l y z e d w i t hc o u p l e d - w a v et h e o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef b gh a su n i q u eo p t i c a l r e f l e c t i v ec h a r a c t e r w ea l s oi n t r o d u c e di t sa p p l i c a t i o n si nf i b e re o n m m u l c - a t i o n , s e n s o r s 。f i l t e r se t c 。t h es u n l 唧d e m o n s t r a t e st h ef b gw i l lh a v e i m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ew h o l ef i e l do f f i b e rt e c h n o l o g y t h et h e o r ym o d e l o ff i b e rb r a g gg r a t i n ge x q g m a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e rf i b ( 一e c l ) i s s t u d i e db a s e do nm o d ec o u p l e dt h e o r ya n dp r i n c i p l eo fl a s e r sf i r s t l y , t h e a n a l ) ，d cs o l u t i o no ff i b e rg r a t i n gr e f l e e t i v i t yi s 百v e ni nt h i sp a p e r u t i l i z i n g e q u i v a l e n te x t e r n a lc a v i t ya p p r o x i m a t i o nm o d e l t h ei n f l u e n c eo fc o u p l i n g c o e 伍c i e n t , t h el e n g t ho ff b ga n da n t i - r e f l e c t i o nc o a t i n go ff b g - e c li s s y n t h e t i c a l l yd i s c u s s e d , t o o b t a i nt h eb e s t o u t p u ta n da c t u a l i z et h e a p p l i c a t i o ni nt h eo p t i c a lp e g - t o p 1 1 地o b t a i n e dr e s u l t sa r ei m p o r t a n tf o rt h e d e s i g na n do p t i m u mp e r f o r m a n c eo faf i b e rg r a t i n g 础r n a lc a v i t y s e m i c o n d u c t o rl a s e r i nt h el a s tp a r a g r a p h , w ed i s e u s s e dt h ed e s i g na n d e n e a p s u l a t i o no f f b g e c l k e yw o r d s ：e t e r n a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，f i b e rb r a g gg r a t i n g , m o d ec o u p l e dt h e o r y , c o u p l i n g e f f i c i e n c y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，光纤光栅外腔半导体激光器 技术研究是本人在指导教师的指导下，独立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，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者签名： 年一月一日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 年一月一日 指导导师签名：忍翌塑f 兰孕年_ l s 弘_ - b 第一章绪论 光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导，通 常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束 在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传播特性由 其结构和材料决定。光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，内层为纤芯， 外层为包层，纤芯的折射率比包层的折射率稍大。当满足一定的入射条 件时，光波就能沿着纤芯向前传播。实际的光纤在包层外面还有一层保 护层，其用途是保护光纤免受环境污染和机械损伤。有的光纤还有更复 杂的结构，以满足使用中不同的要求“1 。 自1 9 7 8 年h i u 小组首次报道用光纤的紫外光折变效应在光纤中制 作光栅以来2 ，紫外光致折变光纤光栅为人们所广泛重视。9 0 年代以来 若干关键技术获得了重要的突破。主要有： ( 1 ) 利用两束紫外光束的干涉通过光纤侧而在纤芯中写入光栅， 增加了人们选择工作波长的自由度； ( 2 ) 利用相位版技术进行光栅写入，减低了人们对紫外光源相干 性和稳定性的要求： ( 3 ) 利用高压载氢敏化技术对光纤进行预处理，提高了普通商用 通信光纤的光敏性，降低了光纤光栅的成本； ( 4 ) 特殊组分和配比的专用光敏光纤，改善了光纤光栅的传输谱。 这些技术的实现，把光纤光栅的研究和应用推向了高潮。光纤光栅 具有制作简便、插入损耗小、使用灵活、易于同光纤系统集成等诸多优 点，特别是它的稳定准确的选频特性使得光纤光栅在通信，尤其是波分 复用通信，以及传感和测量等方而获得了大量的应用，并开始进入商业 化阶段。 人们普遍认为，光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器技术之后，光纤 技术的又一次新的飞跃，并将在光纤通信、光纤传感等诸多领域产生深 远的影响。现今，随着布喇格光纤光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 制作技 术的不断成熟及应用研究的日趋深入，从光纤通信、光纤传感到光计算 和光信息处理的整个光纤应用领域都面临着由于b r a g g 光纤光栅的实用 化而发生的革命性变化【3 叫，尤其对光纤通信，b r a g g 光纤光栅的影响将 涉及到光发送、光放大、光纤色散补偿、光接收等各个方面。 为了使光纤能像反射镜一样精确控制反射率，可通过周期地感应光 纤的折射率变化形成b r a g g 光栅来实现。光栅的周期、长度和调制强度 决定光纤的反射率及带宽。自 i i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导 产生光栅的效应，其后十余年，m e l t z 等人有发展了紫外光侧面写入光 敏光纤光栅技术”3 。北京大学利用抛磨离子刻蚀法制作出反射率可达 9 6 ，带宽1 5 n m 的b r a g g 滤波器，并开始进行可调谐光纤滤波器等方面 的研究。 近年来，国外的光纤光栅技术发展十分迅速，主要表现在： ( 1 ) 掺杂光纤光敏性的机理研究虽然没有统一的权威性定论，但也 提出了各种模型进行解释。氢载技术的引用，大大的提高了光敏特性， 使光栅写入过程中折射率变化量提高了1 2 个数量级，达到1 0 。，写入光 栅时的暴光量可以降低，从而使暴光时间大大缩短。 ( 2 ) 位相掩膜法的应用，提高了成栅的质量，同时也很容易实现有 计算来设计各种功能性器件，出现了各种各样的近于实用化的性能各异 的功能性器件，并向更广、更深入、更成熟的方向发展。 光纤光栅外腔半导体激光器( f i b e rb r a g gg r a t i n ge x t e r n a lc a v i t y s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，f b g - e c l ) 是近年来发展起来的一种新型外腔结构 的半导体激光器”“。它由光纤光栅和半导体管芯耦合而成，比体光栅 平面反射镜一半导体管芯形式的外腔激光器具有结构紧凑、体积小等 优点。又由于光纤光栅在器件结构中不仅构成谐振腔的个反射面，而 且它还 具有选频特性，因此在密集波分复用( d 咄ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 系统中有潜在的应用价值。目前国内外都对这种 激光器进行了研究，给出了单模输出的结果。但这些文献给出的主边模 抑制比都没有明确说出其边模抑制是针对半导体管芯的残余f p 模式而 言，还是真正的对整个腔体( 包括管芯及外腔) 的边模的抑制。这是由 于这种器件的腔长度比较长，因此模式间距较小，用一般的光谱仪不能 分辨出主边模。1 9 9 8 年s d l 公司的j m d i e l l 发表论文说这种外腔半导体 激光器对整个腔体的边模的主边模抑制比只有1 0 1 5 d b 。 中国科学院上海光学精密机械研究所报道了1 5 p s 、重复频率 1 0 6 g h z 、线宽脉宽接近变换极限的光纤光栅外腔半导体锁模激光器 1 3 - 1 4 e 但是，光纤光栅外腔半导体激光器也有其技术上的难点，主要是 激光二极管芯片同光纤光栅藕合的要求比较高，激光二极管芯片的腔 面要求充分增透，耦合效率和稳定性要求高。因此，在结构设计上， 需对多种参数进行选择和控制。 2 1 1 引言 光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一1 1 5 】。自从 1 9 7 8 年k o h i l l 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第 一只光纤光栅以来，由于它具有许多独特的特点，因而在光纤通信、光 纤传感器等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完 善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具 有代表性的光纤无源器件之一。由于光纤光栅的出现，使许多复杂的全 光纤通信和传感网成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子 相互作用引起折射率的永久改变) ，通过紫外光曝光的方法将入射光的 相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率的周期性交 化，从而形成永久性的空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一 个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜 1 6 1 。利用这一特性可构成许多 性能独特的光纤无源器件。例如，利用光纤光栅的窄带高反射率特性构 成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质即可制成光纤激光器；用光 纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成外腔可调谐激光二极 管；利用光纤光栅可构成：m i c h e l s o n 干涉仪型、m a c h - z e h n d e r 干涉仪 型和f a b r y - p e r o t 干涉仪型的光纤滤波器；利用闪耀型光纤可以制成光 纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅可以制成光纤色散补偿器等。此外， 利用光纤光栅还可制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传 感器和各种光纤传感网。 为了详细定量地研究光纤光栅的传输特性，通常采用模式耦合来分 析其滤波机理。由于光纤光栅的折射率呈周期变化，其纵向折射率的变 化将引起不同的光波模式之间的耦合，因此可以通过将一个光纤模式的 功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在 一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可被耦合到后向传输模也可耦合 到前向传输模中，这决定于相位条件，即： 卢i 一卢2 = 2 m t c a( 1 1 ) 式中，a 是光栅周期，卢。和成分别为模式1 和模式2 的传播常数。聊为 相互作用的阶数，通常一级衍射是主要的。为了将一前向传输模耦合到 一个后向传输基模需满足：2 卢。= 2 n a ，卢。为单模光纤中传输模式的 传输常数。这种情况下得到的光纤光栅的周期较小( h 情况下，它的 取值较小。只有当卢= o ，也就是说当获得相位匹配时，功率的完全交 换才是可能的。 2 5 光纤光栅 1 引言 随着光纤光栅在光纤激光器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤传感 器和高速光纤通信系统中的广泛应用以及潜在的应用前景，光纤光栅领 域的研究愈来愈活跃吲。在光纤中形成b r a g g 光栅，光栅的周期和长度 以及光纤折射率的调制强度决定光栅的反射率和反射带宽。在色散补偿 方案中，采用四波混频中途谱反转技术进行色散补偿的研究虽然取得了 较大进展，但它使用的色散移位光纤的非线性系数较小，所以必须采用 相位匹配的办法，以便在很长的光纤内使得混频信号得到增益，以换取 较大的转换效率。这样，一方面由于相位匹配条件的制约以及偏振的敏 感性问题，f w m 限制了补偿器件的带宽及其应用潜力，并且由于系统 的复杂性和成本昂贵使得这种色散补偿方案难于实用化。而半导体四波 混频色散补偿的放大器自发辐射噪声对信噪比的影响较大。双模光纤色 散补偿的能力有限，而且需要模式转换，并且难于在波分复用系统中应 用。正负色散互补方案对将来欺设的高速光纤通信系统可能是一种切实 有效的方案。f a b r y - p e r o t 环形腔色散补偿方案可用双光纤光栅来替代。 因此光纤光栅色散补偿是一个非常有前景的课题。 2 国内外光纤光栅研究现状p a - 3 6 1 为了使光纤能像反射镜一样精确控制反射率，可通过周期地感应光 纤的折射率变化形成b r a g g 光栅来实现。光栅的周期、长度和调制强度 决定光纤光栅的反射率及带宽。1 9 7 8 年h i l l 等人利用单模阶跃光纤首 先研制出窄带高反射率b r a g g 光栅滤波器。此后光纤光栅的研究成为光 纤无源器件的研究热点光纤滤波器、光纤选频耦合器、可调谐光纤 滤波器、光纤激光器以及高速光纤通信系统中的色散补偿器等。由于光 纤光栅与光纤通信系统易于连接、耦合损耗小等优点而得到广泛应用。 1 9 8 5 年s o r i n 等人把单模光纤镶嵌在石英衬底上，然后抛磨光纤到 靠近光纤纤芯，在光纤的抛光面用离子刻蚀法刻上光栅，加上匹配液后 就制成b r a g g 光纤反射滤波器。当光在光纤中传播时，由于光栅的反馈 作用，产生一个窄带滤波器。在光纤激光器、波分复用系统中，可调谐 光纤滤波器有重要应用。制作可调谐光纤滤波器的主要困难是：光纤的 材料s i 0 2 是一种比较稳定的材料，它的电光效应、热光效应和弹光效 应都非常小。s o r i n 等人在1 9 8 7 年采用机械方法制作了可调谐b r a g g 光 2 0 纤反射滤波器。他们制作了一种扇形分布的光栅，然后把光栅压在磨成 d 形的光纤上，光纤中的消逝场与光栅发生相互作用产生反射。当移动 光栅时，光纤上的光栅具有不同的周期，从而可产生可调谐的效果。最 大可调谐范围为6 5 r i m ，最高反射率8 8 ，线宽l n m 。这种机械可调谐 滤波器的优点是调谐范围大。它的缺点是：为了让消逝场与光栅能很好 地相互作用，必须使光栅与光纤非常紧密地贴在一起，这就使光栅的移 动不可能连续进行，因此不可能连续调谐。并且，这种可调谐滤波器不 易集成和控制。 氢离子激光器产生波长为4 8 8 n m 的激光，通过端面祸合进入掺锗的 单模光纤中，光纤的另一端是一个全反射镜，行波场通过全反射镜的作 用就会在光纤中形成一个驻波场，如果光场足够强并且照射时间足够 长，这个场与掺锗光纤作用会使光纤的折射率发生变化，于是光纤中就 形成了与驻波场空间分布相同的折射率全息光栅。这个光栅在入射场消 失后还可以稳定存在。这种方法制作的b r a g g 光纤反射滤波器线宽可以 很窄( 2 0 0 m n z ) ，反射率很高( 可1 0 0 ) 。但它只能制作反射波长和写入 波长相同的b r a g g 光纤反射器，通过加外力的办法光栅的调谐范围；l i d , ， 这大大限制了它的应用。还由于这种b r a g g 反射器的光栅区较长( 典型 长度l m ) ，因此这种b r a g g 光纤反射器对应力和温度特别敏感。l a i n 等 人对h i n 等人的研究结果作了分析，发现光纤的折射率变化与入射光功 率的平方成正比。因此，4 8 8 n m 激光与掺锗光纤的作用可能是双光子过 程，用2 4 4 n m 的光代替4 8 8 n m 激光应该使相互作用成数量级提高。基 于这种考虑，1 9 8 9 年m e l t z 等人首次利用紫外写入法研制成功b r a g g 光 纤光栅滤波器。a r c h a m b a u l t 等人也报导了用单个准分子激光器制作近 1 0 0 反射率的b r a g g 光纤光栅滤波器。用这种方法制作的b r a g g 光纤 反射滤波器的主要优点是工艺简单、重复性好。其缺点是很难同时制作 高反射率和窄线宽的滤波器，并且无法实现调谐。 北京大学利用抛磨离子刻蚀法制作出反射率可达9 6 ，带宽1 5 r i m 的b r a g g 光纤滤波器，并开始进行可调谐光纤滤波器等方面的研究。综 上所述，离子刻蚀法是目前唯一可制成可调谐光纤滤波器的方法。紫外 写入法工艺最简单，但不易实现调谐。 3 光栅衍射 衍射光栅的折射率剖面可表示为 珂( r ) = + h ae o s k ， ( 2 2 6 ) 其中为平均折射率，n a 为光栅折射率的调制强度，为沿光纤方向的 长度。在单模光纤中，一阶b r a g g 光栅满足的条件可表示为 人：! l 2 聍。 ( 2 2 7 ) 其中k 为b r a g g 波一长，为光纤芯区的有效折射率，a 为光栅周期。 光栅的反射率可表示为 町= 鼬2 ( 警 f 2 2 8 ) 其中三为光栅的长度。光栅的半值全宽( f w n m ) 带宽可近似地表示为 a v 十= j kv b ( 2 2 9 ) 其中v 。为b r a g g 频率。对于高反射率光栅参量s 近于1 ，对于弱反射率 光栅参量j 近于0 5 。 4 光纤滤波器 随着光纤通信和光纤传感技术的迅速发展，光纤器件特别是光纤光 栅反射滤波器( f b r ) 在光纤通信领域的作用越来越重要。光波导光栅结 构是集成光学和各种光电子器件的重要基本结构之一。在d f b 和d b r 激光器中的分布b r a g g 光栅反馈结构，集成光学中的b r a g g 光栅滤波器 或分束器中的光栅结构都利用了b r a g g 光栅的反射机制。利用单模光纤 的低损耗和相互作用长的传输特性可以制成光纤b r a g g 反射滤波器 ( f b r ) 。将光栅结构和单模光纤结合起来还可以构成窄带光纤耦合器以 及光开关和光纤非线性光学器件。光纤光栅不但性能优越，而且还易于 与光纤通信系统耦合连接，在与半导体激光器等光电子器件祸合时效率 高。窄带f b r 器件可以构成混合集成式祸合腔半导体激光器，实现单 纵模和窄线宽的激光振荡，利用f b r 还可以构成光纤激光器的光学腔 并可用于全光纤密集波分复用系统。 5c h i r p 光栅色散补偿 目前，世界上已敷设的光纤传输干线光纤的工作波长大部分在 1 3 1 a n 。对普通单模光纤，1 3 1 v n 对应于一个低损耗窗口和零色散点。 然而，随着掺铒光纤放大器的出现以及对通信容量急剧增加的需要，光 纤传输干线的设计正在充分开发利用光纤通信的第三个窗口1 5 5 t u n 。 尽管色散移位光纤在1 5 5 v n 波长处具有零色散点，但由于世界上已敷 设的光纤干线超过4 0 0 0 万公里，它们在1 5 5 a n 处具有1 7 p s n m 白竹的 色散，因此通过对现有光纤通信系统色散进行补偿的办法升级已敷设的 干线比用色散移位光纤替代己敷设的光纤通信系统更经济。一种非常有 前途的办法是利用线性c h i r p 光纤光栅对光纤的色散进行补偿。线性 e l a i r p 光纤光栅对光纤的色散补偿作用可理解为：对于传统单模光纤在 1 5 5 b u n 处色散值为正，处在反常色散区占， r 2 ，从而使得外腔模的增益阈值g ，远远 小于内腔模的增益阈值g ，外腔模将先于内腔模达到阈值而谐振起来。 为了提高外腔激光器的单模输出功率，要尽量地增加内腔模的增益闽 值，同时尽量地减小外腔模的增益阕值，所以可以通过减小吒，增加b j 2 来实现。从图4 6 中可以看出，随着剩余反射率的减小，等效腔的有效 反射率不断增大。根据实验研究，反射端面的剩余反射率，2 至少要降至 1 0 - 3 以下，这也是外腔激光器的制作工艺中的一个难点。所以说，提高 增透膜的质量也是外腔半导体激光器研究中很重要的一个问题。 4 1 5 阈值增益 w o v e l e n g t hx ( n m ) 图4 6 剩余反射率对等效反射系数的影响 e h 耦合腔理论可得到g = 吨，= e h l l l r d m 参见式( 3 2 5 ) ，可以 得到在譬一| ：l 平而中的一条阈值增益曲线，如图4 7 所示。我们可以看到 在布喇格波长附近，阈值增益曲线存在一个凹陷，我们可以选择合适的 耦合腔的腔长度从而得到高边模抑制比的单模输出。 在光纤光栅外腔半导体激光器的耦合腔结构中，我们容易控制改变 的量是光纤光栅的长度和光纤端面至光纤光栅之间的间距l 。实验中阈 值增益曲线凹陷其实由光纤光栅的反射引起，因此凹陷的深度和宽度应 该和光纤光栅反射率的大小和带宽相关。在实验中我们还可以观察到在 闭值增益凹陷区域外有一些振荡，这些振荡是由复合腔引起的，l 是构 成复合腔的主要部分。当l 增大时，这些振荡的周期就会减小。当l 增大到一定值后，振荡周期小于光纤光栅的带宽后，在阈值增益凹陷区 域中也会出现振荡，同时在这个区域中纵模模式数也增多，模式间隔减 4 0 小，阈值增益差也变小，l 较大时，如果在阈值增益凹陷中存在振荡， 模式较多时，可以通过减小光纤光栅的反射带宽，使闽值增益凹陷的宽 度小于复合腔模式间距。一般用增长光纤光栅可以实现光纤光栅的反射 带宽的减小，但是这会带来其它不利的因素： ( 1 ) 阈值增益凹陷宽度减小，那么在凹陷区域内的相邻纵模模式 间距减小，不利于提高边模抑制。 ( 2 ) 光纤光栅较长，使光栅容易受到温度、振动等外界因素的影 响而造成其反射光谱的不稳定，从而使激光器的稳定性受到影响。 p e 一 ! 由 口 i 图4 7 阈值增益曲线 基于如上考虑，设计光纤光栅外腔半导体激光器时，应该减小l ， 控制光纤光栅的长度使其易于封装。 同时必须指出，光纤光栅反射率的提高会导致两种矛盾的结果：降 低了阈值，同