（光学专业论文）基于集成光学aotf的宽调谐掺铒光纤激光器的研究.pdf

中文摘要 波分复用( w d m ) 是大幅度提高光纤通讯系统容量的有效途径，是国际上光 纤通讯技术的发展方向。波分复用光纤通讯系统中的两种关键器件是可调谐激光 器和可调谐波长滤波器。可调谐光纤激光器不仅是波分复用( w d m ) 光纤通讯系 统中的关键器件，而且还可以运用于相干光通信、光纤传感器和光谱分析等领域。 本课题所研究的基于集成光学声光可调谐波长滤波器( a o t f ) 的可调谐的掺 饵光纤激光器，它具有调谐范围大，输出线宽窄，调谐速度快，调谐方便可靠并 能直接与光纤匹配等优点，非常适合于波分复用( w d m ) 光纤通信系统。 本课题的研究内容主要由三部分组成：1 、声光可调谐滤波器( a o t f ) 滤波 特性的研究；根据耦合模理论，推导出a o t f 的模式转换效率表达式，并采用 m a t l a b 编程，得到a o t f 的理论滤波特性图；然后与实验测得的a o t f 滤波特性 图进行对比；2 、环形腔声光可调谐掺铒光纤激光器输出特性的研究；首先理论 上对环形腔声光可调谐掺铒光纤激光器输出特性进行分析，然后实验上实现了环 形腔声光可调谐掺铒光纤激光器系统，并将实验数据与理论计算数据进行对比， 分析了误差产生原因；3 、环形腔声光可调谐掺铒光纤激光器调谐范围的研究； 从掺铒光纤放大器的速率方程和传输方程出发，理论上解释了决定环形腔声光可 调谐掺铒光纤激光器调谐范围的主要因素是掺铒光纤的增益带宽，并在实验上验 证了这一结论。 关键词：波分复用，集成光学，声光可调谐滤波器，掺饵光纤激光器 a b s t r a c t 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 ( w d m ) i sa n e f f e c t i v e a p p r o a c hw h i c h i n c r e a s e se x t r e m e l yc a p a c i t yo ff i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dw h i c hi sa n i n t e m a t i o n a lp r o g r e s sd i r e c t i o no ff i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t u n a b l el a s e ra n d w a v e l e n g t hf i l t e ra r et w ok i n d so fk e yd e v i c e si nw d m f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， a n dt u n a b l el a s e ri su s e di nt h ef i e l d so fc o h e r e n tc o m m u n i c a t i o n ，f i b e rs e n s o ra n d s p e c t r u ma n a l y s i sa sw e l l t u n a b l ee r b i u m d o p e df i b e rl a s e ru s i n ga l li n t e g r a t e do p t i c s a c o u s t o - o p t i c a l t u n a b l ew a v e l e n g t hf i l t e r ( a o t f ) w a ss t u d i e d ，w h i c hh a sm a n ym e r i t ss u c ha sv e r y w i d et u n a b l er a n g e ，n a r r o wi i n e w i d t h ，q u i c kt u n i n gs p e e d ，e a s ya n dr e l i a b l et u n i n g a n d r i g h tm a t c h i n gf i b e r s oi ti sj u s tf i tf o rw d m f i b e rc o m m u n i c a t i o n t h er e s e a r c hi sc o m p o s e do ft h r e em a i np a r t s ：1 t h es t u d yo ft h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea o t f ；a c c o r d i n gt ot h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ea o t fw h i c hi s p r e s e n t e df r o mt h et h e o r yo fc o u p l i n gm o d e ，af i g u r eo fo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f t h e a o t fa r ea t t a i n e db ym a t l a bp r o g r a m t h e ni t so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d b o t hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t ；2 t h es t u d yo ft h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f a c o u s t o - - o p t i c a lt u n a b l ee r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e r ；i t so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa r e d i s c u s s e db o t hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t ，a n dt h ed i f f e r e n c e sa r ea l s od i s c u s s e d b e t w e e nt h e o r ya n de x p e r i m e n t ；3 t h es t u d yo ft h et u n a b l er a n g eo fa c o u s t o - o p t i c a l t u n a b l ee r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e r ；a c c o r d i n gt ot h er a t ee q u a t i o na n dt r a n s f e r s e q u a t i o n sa p p l i c a b l et ot h ee r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r , t h em a i nf a c t o rc o n f i n e dt h e t u n a b l er a n g eo fa c o u s t o - o p t i c a lt u n a b l ee r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e rw h i c hi s c o n s i d e r e da st h ea m p l i f i c a t o r yr a n g eo fe r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e rw a so b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lo nt h et u n a b l er a n g eo fa c o u s t o o p t i c a lt u n a b l ee r b i u m - d o p e df i b e r r i n gl a s e rw a ss h o w nt h a tt h et u n a b l er a n g ei sc o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t e k e y w o r d s - 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 ，i n t e g r a t e do p t i c s ，a o t f ， e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：南树理 签字日期： 沙窖年多月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：焉书叶理 签字日期：加髫年乡月岁日 导师躲乏陲 导师签名： 贸i 也 签字日期：沙9 年占月多日 第一章绪论 第一章绪论 由于光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传 感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势，近年来 受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。符合光 纤激光器发展需要的各种光纤结构、光纤材料特别是各种稀土掺杂光纤材料和新 的激光泵浦技术均得到了快速的发展，极大地推动了光纤激光器技术的进步【l 】。 特别是2 0 世纪9 0 年代后期，随着半导体激光器及掺杂光纤制作技术的日益成 熟，光纤激光器的研究取得了重大进展。输出功率、波长调谐范围等性能得到了 显著提高。由于具有与光纤系统完全匹配的独特优点，光纤激光器可以方便地应 用于各种光纤通信和光纤传感系统，尤其是可实现稳定多波长激光输出的光纤 激光器非常适合应用于密集波分复用( d w d m ) 光纤系统。 1 1 光纤激光器的分类与发展 和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、 谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器( l d ) ，增益 介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元 件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当 的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非 线性增益并产生自发辐射。所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用 后，最终形成稳定激光输出。 光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可 以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和 相应的激光器类型主要有以下几种： ( 1 ) 按增益介质分类稀土离子掺杂光纤激光器( n d 3 + 、e r 3 + 、y b 3 + 、t m 3 + 等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶) ，非线性效应光纤激光器( 利用 光纤中的s r s 、s b s 非线性效应产生波长可调谐的激光) 。在光纤中掺入不同的 稀土离子，并采用适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。 ( 2 ) 按谐振腔结构分类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。 ( 3 ) 按光纤结构分类单和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种 第一章绪论 光纤激光器。 ( 4 ) 按输出激光类型分类连续光纤激光器，超短脉冲光纤激光器、大功率 光纤激光器。 ( 5 ) 按输出波长分类s 波段( 1 4 6 0 一- - 1 5 3 0n m ) 、c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5n m ) 、l 波 段( 1 5 6 5 1 6 1 0n m ) ，可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 其中掺稀土元素光纤激光器的研究和应用最近几年来受到国际科技界的广 泛重视，不仅因为其成本低，易于制作，而且其工作波长对目前和将来的某些 应用尤其重要，例如在光通信，医学，传感器和光谱学等领域【2 】。掺稀土元素离 子激光器的一个重要性质在于其输出光谱特性受到掺杂离子周围分子环境的显 著影响。这种性质引起两个可利用的特性。其一是可以通过改变基质玻璃的组份 来调节输出波长。其二是当基质是玻璃时，可以观察到较宽的荧光，由此可以利 用调谐元件得到很宽范围内的可调谐激光输出。所掺稀土元素包括l5 种，在元 素表中位于第5 行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有e ，、n d 3 + 、 p ，、t m 3 + 、y b 3 + 等。掺铒( e r ”) 光纤在1 5 5 n n 波长具有很高的增益，正对应 低损耗第三通信窗1 ：3 ，由于其潜在的应用价值，发展十分迅速。掺镱( v b 3 + ) 光纤 激光器是波长1 0 1 2 u m 的通用源，y b 3 + 具有相当宽的吸收带( 8 0 0 - 1 0 6 4 n m ) 以 及相当宽的激发带( 9 7 0 一- - 12 0 0 r t m ) ，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没 有受激态吸收。掺f 丢( t m ”) 光纤激光器的激射波长为1 4 , t n n 波段，也是重要的光 纤通信光源。t k o m u k a i 等人获得了输出功率1 0 0 m w 、斜率效率5 9 的1 4 7 p r o 掺t m 3 + 光纤激光器【3 】。其它掺杂光纤激光器在医疗和生物学研究上均具有广阔的 应用前景。 对于多波长光纤激光器，掺铒光纤增益的均匀展宽线宽是一个重要的参数。 室温下由于掺铒光纤增益的均匀展宽线宽较大，不同波长之间的竞争很激烈，难 以实现多波长的同时激射，需要将掺铒光纤置于液氮之中，因为低温时，均匀展 宽的线宽变窄，减少了不同波长之间的竞争。多波长光纤激光器主要分为光纤光 栅提供反馈并选择波长和用滤波机理来实现多波长两种。前一种激光器结构与多 波长激光器相似，只是用了多个不同波长的光纤光栅或是在一段光纤上写入了超 结构光栅。多波长可调谐光纤激光器在波分复用( w d m ) 系统中是很重要的光 源。s e u n gk w a nk i m 等人报道了使用增益平坦滤波器制成的宽带多波长掺铒光 纤环形腔激光器。该激光器能产生稳定的信道间距，1 0 0 g h z 的3 4 路的激光输 出，波长范围为1 5 3 5 1 5 6 2 n m 。 频率上转换光纤激光器是一种振荡频率比泵浦频率高的光泵浦激光器。上转 换发光的产生主要有3 种过程：步进多光子吸收过程、多个激发态离子的共协上 转换过程及光子雪崩上转换过程。目前，备受人们关注的是对能发出多色光和蓝 第一章绪论 光的掺镨( p r 3 + ) 、铥( t m ”) 的研究；泵浦光源也从钛宝石激光器向半导体激光器发 展；光纤长度有逐渐缩短的趋势；基本上以具有较高的上转换效率的氟化物玻璃 为基质。上转换光纤激光器现已成为可使用的全固态蓝绿光源，广泛应用于光数 据存储、彩色显示、医学荧光诊断和光通信【4 】。s a n d e r ss 等人采用两个 l1 0 0 1 4 0 0 n m 可调谐激光二极管作泵浦源，获得了高达1 0 6 m w 的4 8 0 n m 蓝光上 转换激光器p j 。 自光纤激光器诞生以来，人们不但对其脉冲特性、输出波长和输出功率等方 面作了大量研究工作，而且对光纤激光器在光通信、激光测距、材料加工、成像 以及医学等方面的应用也进行了开发。未来激光器发展的主要方向将会是：扩 展新的激光波段，拓宽激光器的可调谐范围；进一步提高光纤激光器的性能， 如继续提高输出功率、改善光束质量等；使激光谱宽更窄；开发极高峰值的 超短脉冲( p s 和f s 量级) 高亮度激光器；进行整机小型化、实用化和智能化的 研究。近几年的研究热点仍将以高功率光纤激光器、超短脉冲光纤激光器和窄线 宽可调谐光纤激光器为主。 1 2 光纤激光器的特点及应用 由于光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术 相比，光纤激光器在很多方面显示出独特的优点。这些优点可以归纳为以下几个 主要的方面： ( 1 ) 较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵 浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。例如采用双包层光 纤结构，使用低亮度、廉价的多模l d 泵浦光源即可实现超过6 0 的光光转换效 率。 ( 2 ) 易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。光纤激光器 表面积体积比大，其工作物质的热负荷小，易于散热和冷却。 ( 3 ) 易实现单模、单频运转和超短脉冲( f s 级) 。 ( 4 ) 工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构设计、整机封装和使用均十 分方便。 ( 5 ) 激光器可在很宽光谱范围内( 4 5 5 3 5 0 0 啪) 设计与运行，应用范围广 、 泛。 ( 6 ) 与现有通信光纤匹配，易于耦合，可方便地应用于光纤通信和传感系 统。 上述特点使得光纤激光器在很多应用领域与传统的固体或气体激光器相比 第一章绪论 显示出明显的独特优势。 光纤激光器在通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、激光印刷和全色 显示等领域具有广泛的应用： ( 1 ) 通信 在光纤通信两个主要窗1 ：31 3 g n 和1 5 u n 以及从s 、c 到l 波段中，特别需 要低噪声、高功率和窄线宽的光源。可以放大宽波段信号的拉曼放大器需要大功 率的泵浦源，而光纤激光器的层腔叠腔技术为其提供良好的技术基础。光纤激光 器是目前光纤通信研究最为活跃的研究领域之一，它不仅能够产生连续激光输 出，而且能够产生p s - - 一f s 超短光脉冲，在w d m 系统中有巨大的潜在应用。如 外调制的掺铒光纤激光器在1 9 9 6 年就能提供传输距离6 5 4 k m ，速率为2 5 g b m 的信号，其误码率为1 0 一，与d f b 型半导体激光器性能相似，但后者难以实现 波长特定。光纤激光器用于现有的通信系统使之支持更高的传输速率，在未来高 码率通信系统中具有不可替代的重要的地位。 ( 2 ) 军事 美国空军实验室的科学家们正在努力将光纤激光器的输出功率提高到千瓦 数量级。定向能瞄准项目中的激光集成技术分项目的研究人员正与加州s a nj o s e 市的s d l 公司展开合作研究，正在开发一种高亮度、光照面积小的系统。该系统 能作为激光防御武器替代目前最被人看好的化学激光器。 ( 3 ) 工业加工 激光波长在l 0 8 0 n m 附近的掺镱光纤激光器，其极高的效率和功率密度在材 料加工方面可与传统的y a g 激光器相媲美。光纤激光器用于先进加工产业可使 许多大型的激光n - r 设备包括切割、焊接、热处理、激光打标、激光雕刻、精密 打孔等设备以及激光医疗器械的整机小型化和轻量化甚至是便携式的灵巧系统。 ( 4 ) 激光印刷 双包层光纤激光器因其拥有极高的热稳定性和转换效率而大量进入印刷市 场，印刷厂可以利用它进行校样的制模。 ( 5 ) 医疗 功率超过几瓦的光纤激光器在显微外科手术中扮演了十分重要的角色，它能 为外科手术提供较大的高能辐射源。 由于激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器和大型激光器( 如各种体 积庞大的、普通激光加工和打标使用的c 0 2 和y a g 激光器) 拥有更多的优势。 光纤激光器不仅在光纤通信领域中占有越来越来重要的地位，亦是目前激光技术 领域中人们竞相研究的激光光源之一，其中高功率双包层掺杂光纤激光器已成为 近几年研发的热点。 4 第一章绪论 1 3 本课题的研究内容及意义 2 0 世纪8 0 年代后期，由于光纤通信技术的发展，光纤材料特别是掺稀土元 素光纤材料和新的激光泵浦技术的发展，促进了光纤激光技术研究的发展。从那 时起，掺稀土元素光纤激光技术的研究受到世界各国的普遍重视，并得到迅速发 展。掺铒光纤激光器由于其工作波长1 5 5 u n 恰好在低损耗的第三通信窗e l ，在 光纤通信系统中具有重要的潜在应用价值，作为一种新型的激光器受到越来越多 的关注。 可调谐激光器在高速大容量的光通信和分布式传感等许多领域都有着非常 重要的应用，它可为高速大容量光通信提供窄线宽可调谐激光来作为载波，可为 分布式反馈温度传感系统提供波长扫描用的光源。如何使激光器的调谐范围更 宽，输出线宽更窄等一直是人们研究的热点。 本课题研究的基于集成光学声光可调谐滤波器( a o t f ) 的可调谐掺铒光纤激 光器，与其它类型的可调谐掺铒光纤激光器相比，不仅具有更宽的调谐范围，而 且输出线宽窄，调谐速度快，调谐方便，能直接与光纤匹配，并且全都建立在实 验室已研制的器件基础上，所需的昂贵器件明显少于其它设计方案，具有较高的 经济实用性和可行性。 本课题的研究内容具体由三部分组成： 1 、声光可调谐滤波器( a o t f ) 滤波特性的研究；根据耦合模理论，推导出 a o t f 的模式偏振转换效率表达式，并采用m a t l a b 编程，得到a o t f 理论滤波特 性图；然后与实验测得的a o t f 滤波特性图进行对比。 2 、环形腔声光可调谐掺铒光纤激光器输出特性的研究：首先理论上对环形 腔声光可调谐掺铒光纤激光器输出特性进行分析，然后实验上实现了环形腔声光 可调谐掺铒光纤激光器系统，并将实验数据与理论计算数据进行对比，分析了误 差产生原因。 3 、环形腔声光可调谐掺铒光纤激光器调谐范围的研究。从掺铒光纤放大器 的速率方程和传输方程出发，理论上解释了决定环形腔声光可调谐掺铒光纤激光 器调谐范围的主要因素是掺铒光纤的增益带宽，并在实验上验证了这一结论。 第二章掺铒光纤激光器概述 第二章掺铒光纤激光器概述 掺铒光纤激光器的增益介质是掺铒光纤，掺铒光纤具有很宽的增益谱，由它 构造的窄线宽激光器可以在很宽的频率范围内调谐。可调谐掺铒光纤激光器既可 工作在连续状态下，又能以脉冲方式工作。由于光纤具有较高的光学破坏闽值， 采用调q 技术可以使掺铒光纤激光器输出高峰值功率的短激光脉冲。可调谐掺 铒光纤激光器具有很高的增益和泵浦效率，其调谐范围宽，且工作在光通信的第 三窗口即1 5 5 n n 波段，因此作为新型的光源受到人们越来越多的关注。 2 1 掺铒光纤激光器简介 发展至今，掺铒光纤激光器的技术方案多种多样，但最基本的两种结构是： f p 腔掺铒光纤激光器和环形腔掺铒光纤激光器。 在两个反射率经过选择的腔镜之间放置一段掺杂铒离子的光纤，泵浦光从左 面腔镜耦合进入光纤。左面镜对泵浦光全部透射和对激射光全部反射，以便有效 利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。右面镜对于激射光部分 透射，以便造成激射光子的反馈和获得激光输出。这种结构就是f p 腔结构( 图 2 1 ) 。泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺铒光纤介质中 产生受激发射而输出激光l 酬。 e d f 9 8 0 n m 图2 1f p 腔掺铒光纤激光器 o u t p u t 图2 2 环形腔掺铒光纤激光器 图2 2 所示的是环形腔掺铒光纤激光器，将激光二极管l d 的高功率激光作 为泵浦光，由w d m 耦合器耦合到掺铒光纤中构成环形谐振腔，经掺铒光纤放大 6 第二章掺铒光纤激光器概述 后的激光经过输出耦合器分光和腔内器件的滤波、衰减后再次进入铒光纤放大， 只要其增益与循环一周的衰减相等，就能够实现共振和稳定输出。 将以上两种方案进行不同程度的组合，并加入新的光纤元器件，构成复杂的 谐振腔，以获得更好的激光输出，满足实际应用中对激光光源的各种要求。 。 2 2 掺铒光纤中的激光效应原理 当光束通过含有铒离子的光纤介质时，将由于介质的吸收而受到衰减。入射 光子所携带的能量将使介质中的电子被激发到较高的能级。处于高能级的电子， 它通过驰豫返回基态。非辐射跃迁将产生声子，及周围介质的量子化振动。从高 能级到低能级的辐射跃迁包括两种形式：自发辐射和受激辐射。在这两种形式下 都有光子被发射。自发发射过程和无线电衰变的过程相似，即在上能级的电子数 随时间呈指数减少。电子减少的特征时间称为自发辐射寿命。当原子中的电子处 于激发态时，总会有自发辐射产生，而受激辐射才能产生激光。一个能量和激发 能级与基态能级的能量差相等的光子入射到介质中时，就会诱发发射，产生一个 与入射光子同相位的光子。 激光的产生是一个放大的过程。在这个过程中受激辐射所占的比例远大于自 发辐射。当增益存在的条件下，受激辐射所产生的光子继续诱发受激辐射，使受 激辐射光不断增强。当初最初诱发受激辐射的光子源于自发辐射。对于激光波长， 流出一段光纤激光介质的光子流要远大于进入这段光纤的光子流，即实现了光放 大。 产生激光必须满足一定的条件：1 粒子数反转。仅当处于激光上能级的粒子 数超过处于激光下能级的粒子数时，才能使介质发生受激发射而产生增益。2 粒子数反转形成的过程要借助于光子能量较高的光源进行泵浦，而且要求参与激 光工作的能级超过两个。3 光实现反馈放大的谐振腔。激光输出可以是连续也可 以是脉冲方式，依赖于激光工作介质。对于连续输出，激光上能级的自发辐射寿 命必须长于激光下能级以获得较高的粒子数反转，通常当激光下能级的寿命超过 上能级时仅获得脉冲输出。 掺铒光纤能在长距离通信系统中获得应用的关键因素是较长的亚稳态寿命， 因此采用适当的功率，在稳态即可实现粒子数反转。一个光学器件必须具有合适 的泵浦带才有实际意义。图2 3 给出了掺铒玻璃的吸收谱，可见可用多个波长对 掺铒光纤进行泵浦，其中包括厶= 5 3 2 ，8 0 0 ，9 8 0 ，1 4 8 0 n m 等。研究表明，低于 9 8 0 n m 波长的泵浦带存在着激发态吸收( a s e ) ，因此在用掺铒的普通玻璃作介质 的应用中，多用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 的l d 作为泵浦光源。 第二章掺铒光纤激光器概述 ood1 0 d d1 2 0 0l 帅o1 加 w m l , i c h ( m ) 图2 - 3 掺e r 3 + 普通玻璃的吸收谱 i 拈 1 1 一 r l s l a 5 ： l l s b 自a 5 c i 。 ( ：撵：a 3 3 1 a 3 ) 坷 a 2 s i n g l ee r 3 + i o n 图2 - 4e r 3 + 离子能级图 图2 - 4 给出了e r h 的能级图。在s i 0 2 玻璃中，e r 3 + 能级受到周围电场或一 个动态扰动的影响，能级产生斯塔克分裂，导致能级展宽。非均匀展宽情况很复 杂，均匀模型又与实验情况符合得较好，因此，一般我们只考虑均匀展宽的情况。 激光器另外的一个重要因素就是谐振腔，对于普通激光器来讲谐振腔分为各 种不同形式的反射镜，一般根据腔的不同结构可以将谐振腔分为稳定腔，临界腔 和非稳腔。这些不同类型的谐振腔可分别应用于不同的场合。当然对于光纤形式 的激光器，也可以应用反射镜( 尤其是平面反射镜) 或对光纤两端面直接进行抛 光构成平行平面谐振腔，但为了充分利用光纤固有的优点，出现了许多由光纤构 成各种形式的谐振腔，如f p 腔、光纤环形谐振腔、光纤环路反射器及谐振腔、 f a x s m i t h 光纤谐振腔等。 2 3 掺铒光纤激光器的调谐方案 随着人们对网络系统传输容量和传输速度要求的进一步提高，可调谐激光器 日益显现它的优越性和重要性。首先，在信道间隔己降至5 0 g h z 甚至2 5 g h z 的 d w d m 系统中，采用可调谐激光器将大大降低系统的运营成本和备份成本，因 为若采用固定波长激光器，d w d m 系统中每一个波长都需要一个工作用的激光 器和备份激光器：而采用可调谐激光器，只需调谐到不同的波长就可以作为不同 信道的光发射机，并且在为系统备份时只用一个可调谐激光器就可代替多个固定 波长激光器作为备份。此外，利用可调谐激光器还可实现全光波长变换、波长路 由、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，可调谐激光器是未来全光网络( a o n ) 的关 键器件，将给网络带来前所未有的灵活性和动态性能。与外腔半导体激光器相比， 5 4 3 2 ；一1 第二章掺铒光纤激光器概述 光纤激光器虽然调谐范围受到增益带宽的限制，输出功率较低，但是具有较低的 相干性和偏振特性，因此是更为理想的测试光源。可调谐掺铒光纤激光器具有很 高的增益和泵浦效率，其调谐范围宽，且工作在光通信的第三窗口即1 5 5 慨n 波 段，因此作为新型的光源受到人们越来越多的关注。 目前用于可调谐输出的元件有很多，比如光纤光栅、光纤f p 滤波器，m z 干涉仪，声光可调谐滤波器等。为了获得更好的性能，近年来研究方向趋向 于应用复合腔和多元件的组合。d a s m i t h 等人则于1 9 9 1 年首次报道了用集成光 学型声光可调谐滤波器获得单向环形腔结构，4 0 n m 范围内连续调谐的窄线宽激 光器，激光器结构如图2 5 所示。2 0 0 1 年，n a z a m i 等利用质子交换技术在 l i n b 0 3 波导上制作了m z 干涉仪作为腔内的波长选择元件，实现了可调谐线形 腔结构的掺铒光纤激光器1 7 j 。2 0 0 4 年新加坡的x u e m i n gl i u 等人用光纤光栅和光 子晶体光纤实现了室温下双波长掺铒光纤激光器1 8 j ，d a es e u n gm o o n 等人用少模 光纤光栅( f e w m o d ef i b e rb r a g gg r a t i n g ) 实现了多波长掺铒光纤激光器1 9 】。2 0 0 5 年y o u n g g e u nh a n 等人用l y o t - s a g n a c 滤波器实现了1 0 n m 间隔的1 1 路激光输 出和0 8 n m 间隔的1 7 路激光输出【l ，g z h u 等人在激光谐振腔内加入改良再生 反馈环实现了可工作于4 0 g b s 的稳定的四阶有理数谐波锁模掺铒光纤激光器 i l l 。2 0 0 6 年，y o u n g g e u nh a n 等人又利用色散位移光纤( d s f ) 、与波导阵列 ( a w g ) 相连的8 个光纤布喇格光栅( f b g ) 和偏振控制器( p c ) 实现了在室 温下0 8 n m 间隔的1 0 路激光输出，并且波长间隔可调节【1 2 】。 近年来，国内对可调谐掺铒光纤激光器也有许多研究报道。常用的调谐元件 有：光纤光栅 1 3 】、介质薄膜干涉滤波器f 1 4 】、m z 干涉仪f 1 5 】等，2 0 0 6 年，s h i l o n g p a n 等人用一根高非线性光纤( h n l f ) 和f p 滤波器实现了室温下频率间隔为 2 5 g h z 的7 0 个波长的稳定输出【16 j ( 如图2 - 6 ) 。而我们研究的集成光学声光可调 谐滤波器( a o t f ) ，作为掺铒光纤激光器的调谐元件具有独特的优越性，例如插 入损耗低，滤出带宽窄，调谐范围宽，调谐速度快，控制和操作原理简单等优点， 特别是当多个分立的射频( r f ) 信号同时加到一个宽带的叉指换能器上时，能够激 发多个声表面波，可以同时滤出几个光波，因此在波分复用系统中有重要意义， 而且还可运用于光纤传感器和光谱分析。 图2 5 双级a o t f 可调谐掺铒光纤激光器图2 - 6 多波长掺铒光纤激光器 9 第三章声光可调谐滤波器 第三章声光可调谐滤波器 集成光学声光可调谐滤波器( a o t f ) 作为掺铒光纤激光器的波长调谐元件， 其宽带可调谐的工作特性决定了光纤激光器的波长调谐性能。与其他类型的滤波 器相比，具有旁瓣抑制高，调谐范围宽，调谐方便，调谐速度快等优点，并且可 毗多波长同时滤波。因而，在波分复用( w d m ) 网络中得到广泛的应用mj 。通 过滤波器滤出的波长，在由掺铒光纤作增益介质的谐振腔中振荡放大，为了最 终得到稳定的波长输出，需要保持滤出波长的稳定性，即须抑制a o t f 波长调谐 带来的频移，且由于光束在谐振腔中来回振荡过程中，其偏振态会发生改变，因 此实际需要的a o t f 还应独立于偏振态的变化。这时，依赖于偏振的a o t f 虽 然其制作工艺已经比较成熟但已经不能满足可调谐掺铒光纤激光器的滤波要 求。在这个基础上，我们给出了不依赖于偏振的a o t f 的方案，其结构分别如图 3 1 和图3 - 1 1 所示。 3 1 共线型声光可调谐滤波器 3 1 1 简介 声光可调谐滤波器( a o t f ) 可分为集成波导型和光纤型【驯。集成声 光可调谐滤波器是基于光弹性效应，即通过声光材料传输的声波或超声波，利用 光波和声表面波( s a w ) 的相互作用，在位相匹配条件时，引起光波偏振态的 转换。按照光波波矢与声波波矢的方向，可以分为共线型和非共线型j 1 2 2 i a o t f 。 共线型a o t f 的基本结构如图3 - 1 所示。 口 ” n 口* s 罔3 1 依籁于偏振的共线型a o t f 结构 第三章声光可调谐滤波器 主要由光波导、声波导、叉指换能器、t e 通偏振器等几部分构成。在叉指 换能器上施加射频信号，可以激发出平行于光波导传播的声表面波( s a w ) ，利用 声表面波提供的周期性扰动，当入射光以t m 偏振态入射，且光波波长满足位相 匹配条件时，t m 模完全转化为t e 模，由于光波波长和声波频率之间存在对应 关系，所以只要改变声波频率，就可以将不同波长的光波滤出，达到滤波的目的。 3 1 2 耦合模理论 波导中的t e t m 模式偏振转换可以用耦合模理论来描述【2 3 1 。如图3 1 所 示沿x 切y 传铌酸锂晶体钛扩散单模光波导传播的光波有两个偏振模式，准t e 0 模和准t m o 模。设它们的光波电矢量分别为e r e 和e t m 。若沿光波传播方向的折 射率受到周期性扰动，则介电张量可以分解为： 8 ( x ，z ，y ) = 占0 ( x ，z ) + a s ( x ，z ，y )( 3 - 1 ) 其中s ( o 是介电张量的主要部分，占是微扰部分，它沿y 轴方向周期性变化。 不含微扰的波动方程为： v 2 一肛o ( x ，z ) 妥z = 0 ( 3 2 ) 其中岔代表光波的电矢量。 其通解为正交归一的简正模的线性组合： 童= 彳，e l ( x ，y ) e x p - i ( c at - p , z ) 】 ( 3 - 3 ) 以t m t e 转换为例，设在t = 0 时，波导中只存在模e 肼( 工，z ) ，其振幅为a t m ， 则波方程的解为： e = a r m e r u ( x ，z ) e x p - i ( c ot 一鼬z ) j ( 3 - 4 ) 上式说明，不存在微扰时，如果t = 0 时，波导中只存在t m 模e 删( x ，z ) ，以后 任意时刻，也仅存在t m 模，不会激起t e 模。 加上周期性微扰后，包含微扰的波动方程为： v z 营一缈z ( 粥) + 酬邵，y ) 】等：o ( 3 - 5 ) 将周期性微扰进行傅里叶展开得： 缸( 五乙加磊啪e x p 卜警y j ( 3 - 6 ) m u、l - 式中，人是微扰的周期，并已将0 级项包括在式( 3 1 ) 介电张量的主要部分中。利 用改变常数法处理( 3 5 ) 式的试探解，并利用模式的正交归一关系，将( 3 6 ) 式代入， 可得： 第三章声光可调谐滤波器 篓篙e x p f ( ( r ea r e ( y ) e x p 辨7 ，誓= z 裂莓c 乳 z ( 风二厩一聊警) y 一 ，扣，：掣 p b = r 钞秒销y ， u 1w 慨姑善意k o s ( s y ) ) + f + ia 薄i b 斗m ，1 彳刀hc y ) ：p f ( 等 7 f z 兰 s i n ( 砂) 4 仡( 。) +s i n ( 秒) 彳力v ( 。， 。j 1 第三章声光可调谐滤波器 式中，s = 彳疆c 少，= c o s ( s y ) - i - 等s f l ，。s ，i n 、( ， p _ f 等 。3 ，3 ， i 彳聊( y ) ：i l r - - - s i n ( s y ) e - f t 竺2 ) b v1 。 丁= s f _ 粤 2 s i n 2 ( s y ) = 播咖2 ( y 肝丽) p 4 ， | r 1 2 + f 等1 r 一 1 口 口b 口 51 a a 1 3 l i x 图3 - 2t e c ： t m 模转换器对光波波长的透过率 在一定媒质中，应变弹光张量p 是确定的，这时耦合系数依赖于光的偏振方 向和应变张量的振幅s ，后者又依赖于声波的传播方向和偏振方向。在x 切y 传的l i n b 0 3 晶体中，光波和声波都沿晶体的y 轴传播，若入射光的电矢量沿晶 体z 轴方向，为t e 模；出射光的电矢量沿x 轴，为t m 模，为使两个传播模式 之间实现布喇格耦合，声波必须是沿x 轴方向偏振的剪切波。 在波导型声光器件中，沿波导的折射率纵向扰动由平行于光波导方向传播的 声表面波来激发，叉指电极激发的应变为 s 】【d 】 e 】，其中网为压电系数张量， 【司为叉指电极激发的电场。根据弹光效应，引起的折射率变化为： 甘o_们们h葛们c雹t- 第三章声光可调谐滤波器 a 1 rl ：【p 】 5 ：【p 】【d 】 e 】( 3 - 1 6 ) l 疗j 【p 】、【d 】分别为摩变弹光系数张量和压电系数张量。对于x 切y 传l i n b 0 3 ， e 】- e ，0 ，e ：】，有： a 6 。= 一，z 。2 ，z 。2 只l s 6 = 2 ，z ，2 刀。2 只l d 2 2 e 0 ( 3 - 17 ) 很明显，在位相匹配条件下，a s ，能够使一种偏振模式完全转变为另一种偏 振模式。 3 1 3 数值模拟及a o t f 的性能测试 i 滤波器频移和带宽 假设已在l i n b 0 。晶体上用扩散t i 方式制成光波导，光波入射到光波导中， 此时t e 和t m 模相互独立；如果利用表面声波给t e 和t m 加上周期性调制，当它 们相位匹配时可引起t e 模和t m 模强烈相互作用。如果输入光波仅为t e ( t m ) 模， 则输出光波为t m ( t e ) 模。对于输入一系列不同波长的t e ( t m ) 光波，加上周期性 表面声波调制后，只有满足位相的某一波长的光波才能转变为t m ( t e ) 模，通过 检偏器后可得所需波长的光波信号，达到滤波的效果。 图3 3 声光耦合波导滤波器位相匹配情况 y 假设声波与光波的传播方向共线，t e 模和t m 模的轴向传播常数为k t e 和 k v m ，相应频率为厶和岛。t e 和t m 模相互耦合时，必须满足： 能量守恒：岛= 五 ( 3 - 1 8 a ) 动量守恒：k 巧= 七珊k 。 ( 3 - 1 8 b ) 其中丘为声波频率，k 。= 2 么= 2 万形为声波的传播常数，4 为声表面波波= 长， g 圪是声表面波的传播速度。 利用能量守衡和动量守衡的观点可以分析频移现象。因为对于负单轴晶体 ( 例如x 切y 传l i n b 0 3 晶体) ，t m 模比t e 模折射率大，t m 模的动量比t e 漠大。t e 模转换为t m 模，t e 光子必须利用声子作为媒质来增加动量。如果声 1 4 第三章声光可调谐滤波器 波与光波传播方向重合，t e 光子必须吸收一个声子，获得能量，引起光波频率 上移；t m 模在相同方向上转换为t e 模需要释放一个声子，导致频率下移。反 向传播声表面波将导致信号光的频移与上述情况相反，具体频移情况见表3 1 。 因此，( 3 18 ) 式右边的符号取决于声波相对于光波的传播方向以及k t r 和k t m 的 相对大小。 表3 1 光波频移与声光传播方向的关系 声光传播方向t e 模j t m 模t m 模j t e 模 声波与光波同向传播 + 。一 4 声波与光波反向传播 一 。 。 阜该表格是针对负单轴晶体( n t m n 腰) ，对于正单轴晶体，频移情况刚好与之相反。 因为七他：兰手甩巧，七珊：三子刀珊，式( 3 9 ) 可以化简为： 名= a n n 腰一n i = 人a n ( 3 1 9 ) 其中血为波导的双折射率，旯= 形为自由空间光波波长，n ，( i = t e ，t m ) 为模有 效折射率，从而，力= 每a n 。因为声表面波波速是一定的，因此滤波器的中心 ) a 波长仅仅取决于声表面波的频率和波导的双折射率。 在准位相匹配情况下，t m 研e 模的转换功率与耦合系数只声光相互作用 长度、位相失配等因素有关： 器= 砉，2 等 p 2 。， 一= 一i i f 一 i ) - z u i ，珊( o ) 局、7 p 2 、 0 = ( r ，) 2 + ( 万七么) 2 】 ( 3 2 1 ) 万后，= 2 n ( a n 伊万( ) ( 3 _ 2 2 )