（凝聚态物理专业论文）基于非线性偏振旋转技术光纤激光器多种光学稳定态的产生与放大.pdf

摘要 光纤激光器已广泛的应用于光纤通信、光纤传感和激光技术等领域中。而利用非线 性偏振旋转技术来实现光纤激光器的波长可调谐、多波长或被动锁模，可以使激光器具 有结构紧凑、光束质量好、耦合效率高、价格低廉等众多优点，因而近年来引起人们的 普遍关注。本论文对在同一激光谐振腔内，利用非线性偏振旋转技术，实现连续光的可 调谐、锁模光脉冲和束缚惫光脉冲等多种光学稳定态，以及对这些稳定态进行放大进行 了理论和实验研究。主要工作可归纳如下： l 从分析利用非线性偏振旋转效应实现波长可调谐的工作原理入手，理论研究了激光 器的输出特性。通过改变偏振控制器的状态，分别得到了不同波长的激光输出和同 一波长处不同功率的激光输出。 2 从被动锁模光纤激光器的数学模型出发，详细讨论了色散、自相位调制、自幅度调 制等参数对锁模光纤激光器的影响；利用广义耦合非线性薛定谔方程，对在掺铒光 纤激光器中锁模光脉冲的形成机理进行了分析；利用分步傅里叶变换方法，数值模 拟了锁模光脉冲和束缚态孤子光脉冲的形成过程。 3 利用菲线性偏振旋转技术，实验得到了掺铒光纤激光器的多种光学稳定态。所得连 续波激光器的波长从1 5 3 2 1 6 n m 到1 5 5 7 8 6 n m 之间连续可调，波长调谐范围为2 5 7 n m ， 边模抑制比高于3 5 d b ，3 - d b 谱线宽小于0 i n m ；锁模光脉冲的中心波长为1 5 5 7 8 0 n m ，3 - d b 谱线宽约为5 4 n i n ，重复频率为1 4 3 m h z ：束缚态孤子光脉冲的光谱之间 存在着一间隔为4 0 3 r i m 的很强的谱调制。 4 利用铒镱共掺光纤放大器，将上述各种光学稳定态进行放大，得到了1 5 4 4 7 0 m 到 1 5 5 8 o o n m 之间连续可调的激光光脉冲，不同波长处的光脉冲边模抑制比大干3 5 d b ， 3 - d b 谱线宽小于0 i n m ，其光光转换效率大约为1 0 。实验中同时得到了高功率的 单孤子光脉冲和高功率的束缚态孤子光脉冲。 关键词：掺铒光纤激光器非线性偏振旋转被动锁模波长可调谐束缚态光脉冲 光脉冲的放大 a b s 仃a c t f i b e rl a s e ri s e x t e n s i v e l yu s e d i n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a ls e n s i n g ，l a s e r t e c h n o l o g ya n ds oo n b yu s i n gt h en 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 nt e c h n i q u e ，t h ef i b e rl a s e r c b no p e r a t ew i t ht u n a b l ew a v e l e n g t h ，m u l t i w a v e l e n g t h ，o rm o d e l o c k e d t h u st h ef i b e rl a s e r a t t r a c t sm o s tr e s e a r c h e r sb e c a u s eo f t h e km a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss t r u c t u r ec o m p a c t ，ag o o d b e a m q u a l i t y , ah i g hc o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dal o wp r i c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w et h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dt h eg e n e r a t i o no f m u l t i s t a b i l i t yp h e n o m e n ai nt h es a n l er e s o n a n c e b a s e do nt h en 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 , a n dw eh a v ea l s os t u d i e dt h ea m p l i f i e ro ft h o s e m u l t i s t a b i l i t yp h e n o m e n a t h em a i nc o n t e n t sa a sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h en 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 ，w eh a v et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dt h e g e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h et u n a b l ec o n t i n u o u sw a v e , b ya d j u s t i n gt h ep o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , w eh a v eo b t a i n e dd i f f e r e n tc e n t e rw a v e l e n g t h so p e r a t i o no ft h ef i b e rl a s e r , a n dw eh a v ea l s oo b t a i nd i f f e r e n to u t p u tp o w e rw i t ht h es a m ec e n t e rw a v e l e n g t h 2 a c c o r d i n gt oe q u a t i o no f t h em o d e - l o c k e df i b e rl a s e r , w ed e t a i l e dd i s c u s s e de f f e c t so f t h e d i s p e r s i v e ，t h es e l f - p h a s e m o d u l a t i o na n dt h e s e l f - a m p l i t u d e m o d u l a t i o no nt h e m o d e l o c k e dl a s e r u s i n gt h eg e n e r a ln o n l i n e a rc o u p l es e n & l i n g e re q u a t i o n ，w eh a v e a n a l y z e dt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h em o d e l o c k e d u s i n gt h ed i s t r i b u t i o nf o u r i e r m u n e r i c a ls i m u l a t i o n , t h em o d e - l o c k e dp u l s e sa n dt h eb o u n ds o l i t o np u l s e sh a v ea l s o b e e no b t a i n e d r e s p e c t i v e l yb ys o l v i n gt h eg e n e r a l n o n l i n e a rc o u p l es c h r & l i n g e r e q u a t i o n 3 u s i n gt h en 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 nt e c h n i q u e , w eh a v ee x p e r i m e n t a l l yo b t a i n e d m u l t i s t a b i l i t yp h e n o m e n ai n a ne r b i u m - d o p e df i b e r r i n gl a s e r ：( i ) aw a v e l e n g t h c o n t i n u o u s l yt u n a b l el a s e r ( c r l ) ，o i ) n o r m a ls o l i t o np u l s e sa n d ( i i i ) b o u n ds o l i t o np u l s e s t h ec t lh a sat u n i n gr a n g eo f 2 5 7n m , f r o m1 5 3 2 1 6 n mt o1 5 5 7 8 6 r a n ，t h es i d e - m o d e s u p p r e s s i o nr a t i oo f m o r et h a n3 5d ba n dt h e3 - d bs p e c t r a ll e s st h a n0 1 n m t h en o r m a l s o l i t o up u l s e sh a v ear e p e t i t i o nr a t eo f1 4 3m h z , c e n t r a lw a v e l e n g t ho f1 5 5 7 8 0b i na n d a s p e c t r a ll i n e - w i d t ho f 5 4m n t h eb o u n ds o l i t o np u l s e sh a v eas t r o n g e rs p e c t r a l m o d u l a t i o nw i t haf i x e ds e p a r a t i o no f 4 0 3u r n 4 u s i n gt h ee r b i u m - y t t e r b i u mc o - d o p e df i b e ra m p l i f i e r , t h em u l t i s t a b i l i t ys t a t e sh a v e b e e n a m p l i f i e d t h ea m p l i f i e dc t l h a sat u n i n gr a n g ef r o m1 5 4 4 7 0 n mt o1 5 5 8 0 0 n m ，t h e n s i d e - m o d es u p p r e s s i o nr a t i oo f m o r et h a n3 5d ba n dt h e3 - d bs p e c t r a ll e s st h a no 1 n m t h el i g h t - t o - l i g h te f f i c i e n c yo ft h el a s e ri sa b o u t1 0 t h ea m p l i f i e dm o d e l o c k e da n d t l eb o u n ds o l i t i o n sh a v ea l s ob e e nr e a l i z e d k e yw o r d s ：e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r 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 p a s s i v em o d e - l o c k e d t u n a b l ew a v e l e n g t hb o u n ds o l i t o np u l s e a m p l i f i e rp u l s e 1 1 i 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文基于非线性偏振旋转技术光纤激光器多种光学稳定 态的产生与放大，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。 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 写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：孝n 肼月ge t 指导教师确认( 签名) ：j 善易丕又 伊产6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构 送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学 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，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 论文作者( 签名) ：存寸 2 0 0 s 年月占1 7 指导教师( 签名) ：；铀敏 乍喟年6 月日 1绪论 1 1引言 光纤激光器是指应用以光纤为基质掺入某些活性粒子作为工作物质而制成的一类 激光器。它是在光纤放大器的基础上发展起来的，有着其它激光器所无法比拟的优点：( 1 ) 耦合效率高，由于光纤既是激光介质又是光的导波质；( 2 ) 散热快，不需要冷却装置， 光纤的几何形状具有大的“表面积体积”比；( 3 ) 体积小，结构简单，工作物质为柔性 介质，可设计得相当小巧灵活，使用方便；( 4 ) 光纤激光器可以在很宽的光谱范围内 ( 4 5 5 n m 一3 5 0 0 h m ) 设计运行，容易实现可调谐；( 5 ) 容易实现单模、单频运转和超短脉冲 输出；( 6 ) 光纤激光器基于的硅光纤工艺非常成熟，原料常见，成本较低。基于以上优 点光纤激光器在光纤通信、光纤传感和激光技术等领域备受青睐。 光纤激光器的分类方式多样，如按谐振腔结构分类可分为f - p 腔、环形腔、环形反 射器光纤谐振腔及“8 ”字形腔：按光纤结构分类可分为单包层光纤激光器和双包层光 纤激光器；按增益介质分类可分为稀土类光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光 纤激光器和塑料光纤激光器：按工作机制分类可分为上转换光纤激光器和下转换光纤激 光器；按掺杂元素分类可分为掺铒( e r ”) 、钕( n d 升) 、镨( p r 3 + ) 、铥( t 一+ ) 、镱( y b 3 + ) 、 钬( h o ”) 等多种元素光纤激光器；按输出波长分类分为s 波段、c 波段和l 波段；按输 出激光方式分类可分为脉冲激光器和连续波激光器。即光纤激光器不仅能够产生连续激 光输出，而且能够产生高速率的p s - f s 超短光脉冲。人们通常在连续波输出时，通过某 种手段实现波长可调谐。可调谐光纤激光器在光纤传感、光谱分析、材料加工及光波分 复用系统等方面有广阔的应用前景：光纤激光器实现超短脉冲的技术主要有调q 技术和 锁模技术，但调q 技术产生的光脉冲脉宽比较宽( n s 量级) ，所以要想实现皮秒乃至飞秒 量级的超短脉冲需要借助锁模技术。光纤锁模激光器不仅在通信器件的制造应用中有着 非常广阔的前景，而且也是进行超高速光纤通信和光孤子通信研究中不可缺少的超快光 源之一。因此对可调谐光纤激光器和锁模光纤激光器的研究不仅有着非常重要的学术意 义，尤其有巨大的应用前景。 为了得到可调谐的光纤激光器，人们常在腔内加入f - p 标准具、m z 干涉仪、光纤 b r a g g 光栅等波长调谐器件，这样就破坏了激光器的全光纤结构，降低了激光器的耦台 效率。而利用非线性偏振旋转技术实现波长可调谐的光纤激光器具有结构简单、腔体损 耗小、泵浦阈值低、且易实现全光纤集成等优点。同样在锁模光纤激光器实现超短脉冲 输出的方法主要是在腔态如入调制器 牛、注入外加讽制信号、添自q 可饱和吸收体和非线 性效应，而利用非线性偏振旋转技术实现锁模光脉冲具有腔体结构简单、操作方便、泵 浦阈值功率低且易实现全光纤集成的特点。因此对利用非线性偏振旋转技术在光纤激光 器中实现激光器的连续可调谐输出和超短光脉冲输出进行研究具有重要的理论意义和 应用价值。 本章的第一部分介绍锁模光纤激光器的分类和研究进展：第二部分介绍可调谐光纤 激光器趵分类及其研究进展；最后介绍论文的主要工作。 1 2 锁模光纤激光器的分类和研究进展 利用锁模技术可咀使光纤激光器产生超短脉冲。这是光通信系统中实现时分复用技 术的关键。按锁模机制的不同，锁模光纤激光器可分为主动锁模光纤激光器【f 2 j 、被动 锁模光纤激光器【3 卅和主被动混合锁模光纤激光器【5 1 等三类。 1 z ，l 主动锁模光纤激光器 主动锁模光纤激光器主要是指在激光腔内插入主动调制器件或外界有相关脉冲注 入，利用这些主动因素对激光腔内光波进行调制来实现锁模。现在普遍使用的是马赫 图li 主动镄模环形腔光纤激光器结构图 曾德尔( m z ) 型 ，矗q 波导电光调制器。图( 1 1 ) 为典型的主动锁模环形腔光纤激光器 的结构示意图。激光腔内的增益器件为半导体激光器泵清静掺铒光纤( e 辨) 。调制器 ( w o d u l a t o r ) 在射频信号( r fd r i v e r ) 驱动下产生周期性的损耗或是周期性的相位变化， 2 这种周期性的变化与腔内循环的脉冲相互作用导致了锁模脉冲序列的产生。由于 l i h r b 0 3 调制器是偏振敏感元件，所以常在调制器前安置一个偏振控制器( p c ) 来调节入 射到调制器的光场偏振态。可调谐滤波器( t u n a b l ef i l t e r ) 的作用是调节激光的中心波 长。光隔离器( i s o ) 用来确保主动锁模光纤环形腔激光器处于单向运转，并消除某些光 学元件上产生的反射波带给调制器的不利影响。延迟线( d e l a yl i n e ) 可精确调节腔长使 其与调制频率相匹配，并可有效的抑制超模噪声。腔内运行的锁模脉冲经光纤耦合器( 0 c ) 输出。 与其它几种短脉冲光源相比，主动锁模光纤激光器具有脉冲重复频率高、形状对称、 中心波长和脉冲重复频率可调、易实现高阶谐波锁模、可直接产生无频率啁啾近似变换 极限的光脉冲等优点。因此在2 0 世纪8 0 年代中期第一台主动锁模光纤激光器由英国南 安普顿大学的研究人员研制成功以来，该项技术取得了长足的进展旧。1 9 9 6 年，y o s h i d a e 等人利用有理数谐波锁模技术，在主动锁模光纤激光器中获得了重复频率可以达到 8 0 2 0 0 g h z 的光脉冲 7 1 。1 9 9 9 年，y a m a m o t ot 等人采取色散渐减掺铒光纤放大器进行绝 热孤子压缩，使输出脉冲的脉宽小于2 0 0 f s 粕。2 0 0 1 年，z h a n gjf 等人采用半导体光 学放大器和电吸收调制器在光纤激光器中获得脉宽为l o p s ，调谐范围为3 0 h m 的稳定光 脉冲输出唧。2 0 0 4 年，w a n gph 等人在主动锁模光纤激光器中获得了5 阶、1 0 阶和1 1 阶有理数谐波锁树1 0 1 。2 0 0 6 年，戴科辉等人基于半导体放大器的主动锁模激光器中实 现了1 0 g h z 三阶有理数谐波锁模和2 0 g h z 的谐波锁模，得到了高重复频率的超短脉冲输 出，且2 0 g f l z 的谐波锁模可在4 0 h m 的范围内可调【1 1 i 。同年f r a n k l y nq 等人在半导体 主动锁模光纤激光器中获得重复频率为1 0 2 4 e 4 z 的超短脉冲【1 2 1 。2 0 0 7 年，h a nyr 等 人利用在主动锁模光纤激光器外部注入种子光脉冲从而形成梳妆光学频率产生器【1 3 】。 2 0 0 8 年，p a nsl 等人在一色散可调的主动锁模光纤激光器中实现7 个波长输出且各波 长的信噪比高于3 0 d b 1 4 1 。 主动锁模光纤激光器虽然发展迅速。但它受到调制带宽的限制。其输出脉冲宽度通 常为p s 量级，并且还容易受到外界环境( 如温度变化、机械振动) 、谐振腔内偏振态起 伏、超模噪声等因素的影响，需要很多复杂的技术来提高系统的稳定性，因此，成本相 对较高，技术难度大。 1 2 2 被动锁模光纤激光器 被动锁模是产生p s 或f s 脉冲的一种非常行之有效的方法，能在激光腔内不使用调 制器等任何有源器件的情况下实现超短脉冲输出。其基本原理是利用光纤或其他元件中 的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短光脉 冲。与主动锁模光纤激光器相比，被动锁模光纤激光器可以产生更短的光脉冲，这是因 为随着脉冲的窄化，峰值强度和可饱和吸收体的作用也进一步加强。另外，由于其不需 要任何外界的有源调制器件，因此其腔体结构不仅更加简单，并且还可以实现全光纤集 成。目前，用于实现被动锁模的方法主要包括腔内插入半导体可饱和吸收体、非线性光 纤环形镜以及非线性偏振旋转效应等【恪闭，下面将分别对这三种被动锁模技术作一简单 介绍。 ( 1 ) 利用半导体可饱和吸收体实现锁模 r = 7 0 图1 2 基于半导体可饱和吸收体被动锁模光纤激光器结构图 早在2 0 世纪7 0 年代，可饱和吸收效应就己被用于被动锁模，在加成锁模技术出现 之前，这是实现被动锁模的唯一方法。其锁模机制可描述如下：当光脉冲通过吸收体时， 边缘部分损耗大于中央部分，结果光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化。光纤激光器中 常用的可饱和吸收材料是半导体吸收介质( 如i n g a a s p 等) ，可阻采用单层或多层量子阱 结构制成，还可以把半导体激光放大器用做可饱和吸收体，但要求它工作时的偏置电流 必须低于阐值。这种方法产生的脉冲宽度一般为p s 量级和f s 量级，它的优点是容易实 现激光脉冲的自起动，而且脉冲的重复频率较稳定。但是这种激光器不是全光纤结构【1 8 1 ， 如图( 1 2 ) 所示。 ( 2 ) 利用非线性光纤环形镜实现锁模 使用非线性光纤环形镜实现被动锁模的光纤激光器如图( 1 3 ) 所示。其工作原理是： 入射光波被3 d b 耦合器分成幅值相等、传输方向相反的两部分，并受到与强度相关的自 相位调制( s p m ) 和交叉相位调制( x p 吣等非线性效应的作用而产生非线性相移，而掺铒光 纤放大器( e d f a ) 的不对称放置导致两部分光所获得的非线性相移量不同，当它们再次在 耦合器相遇进行相干叠加时，产生了自幅度调制的脉冲窄化效应，这种效应在功能上类 4 似于可饱和吸收体，但通常都称之为加成脉冲锁模( a p m ) 。合成脉冲的宽度被压窄，如 此局而复始，侄可以形戍稳定钓锁模运转。根据非线性光纤环形镜获得不等光强相向传 图1 ，3 “8 ”字形被动锁模光纤激光器结构图 输两束光方法的不同，一般可以将它分为非线性光学环形镜( n o l m ) 、非线性放大环形镜 ( n a “) 和色教菲均衡环形镜( d i u o l m ) 三种。1 9 9 3 年，n a k a z a w a 鲢等人利用“8 ”字形 腔镇模激光器得到脉宽9 8 f s ，重复频率2 1 0 m h z 的锁模光脉冲i m 。1 9 9 7 年，t s u nt0 等人获得脉宽1 2 5 f s 能量高达0 5 n j 的锁模光脉冲 2 0 1 。2 0 0 3 年，g o n gyd 在色散不平 衡非线性光纡环形镜中获缛7 2 f s 钓孤子脉冲 2 t l 。2 0 0 6 年，n i c h o l s o njw 等人在“8 ” 字形保偏光纤激光器中获得4 7 2 f s 的短脉冲【埘。2 0 0 7 年，曹玲等人利用非线性光纤环 形镜在掺铒光纤激光器中实现脉宽4 3 4 p s ，重复频率1 1 l h z 的锁模光脉、冲【2 3 1 。2 0 0 8 年， i b a r r aeb 等人在非线性光纤环形镜中获得脉宽2 0 p s 。重复频率0 7 8 1 6 1 1 z 的锁模光脉冲 f 2 4 1 。 ( 3 ) 利用非线性偏振旋转( n p e ) 效应实现锁模 菲线性偏振旋转效应的基本原理：通过偏振隔离器之后的线偏光经过偏振控制器后 变成椭圆偏振光，这个椭圆偏振光的两个幅值不同的正交分量经过掺铒光纤得到增益放 大，并受到腔内光纤的s p m 和x p m 的作用产生大小不同的非线性相移，从而使偏振态发 生变化。调节另一偏振控筋器使偏振隔离器能透过脉冲中央的高强度部分而阻挡低强度 边翼，这就形成了等效的可饱和吸收体。从概念角度上来讲，n p e 与非线性光纤环形镜 锁模原理基本相同，都可以归属于h p b ，只不过是采用同一脉冲的两个相互垂直的分量 代替了相向传输的两束光波。从实用性角度来看，菲线性偏振旋转效应只需一个光纤环 即可实现被动锁模，其结构简单，系统稳定性好。 1 9 9 4 年，采用类似结构的被动锁模光纤激光器获得了峰值能量大于0 5 n j ，脉宽小 于l o o f s ，重复频率为4 8 删z 的锁模光脉冲【2 5 】。近几年国内开展广泛的研究，2 0 0 4 年， 王肇颖等人利用非线性偏振旋转技术在被动锁模光纤激光器中获得平均输出功率为 0 3 1 3 m w ，重复频率为1 3 9 m h z ，脉冲半极大宽度为1 5 p s 的锁模光脉冲1 2 6 l 。2 0 0 6 年， 赵德双等人获得重复频率为1 4 m l t z ，平均输出功率0 4 3 m w ，3 - d b 谱线宽为7 。6 n m 的锁模 光脉冲1 2 7 i 。2 0 0 7 年，t uch 等人基于非线性偏振旋转和m _ z 的基础上获得重复频率为 1 0 鲫z ，脉冲半极大宽度为8 0 0 r s ，产生的最大能量为l n j 的锁模光脉冲，同时观察到 多脓冲的存在i 硐。 1 2 3 主被动混合锁模光纤激光器 由于主动锁模光纤激光器的弛豫振荡和超模噪声劣化了输出脉冲的质量，特别是当 采取有理数谐波锁模技术时，在阶数大于2 的情况下，输出锁模脉冲将出现较大的幅度 波动，这种幅度噪声是光纤通信系统所不允许的。为了改善主动锁模光纤激光器的输出 脉冲质量，可以采用主被动混合锁模的方法，得到窄脉宽，高重复率且稳定的孤子脉冲 序列1 9 9 1 年，d a v e yrp 等利用相位调制器，结合主被动锁模技术，极大地改进了光 纤激光器的性能 2 9 1 。1 9 9 4 年，c a r r u t h e stf 等再次利用主被动锁模技术，从单偏振掺 铒锁模光纤激光器中获得了0 5 g h z 的亚皮秒锁模光脉冲口o 】。1 9 9 8 年，l isp 等人在“8 ” 字形被动锁模激光器中插入调制器，获得了重复频率为儿0 8 g h z ，脉宽为7 1 p s 的锁模 光脉冲【3 ”。同年j e o nmy 等人采用n a l m 和法拉第旋光镜( f r m ) 组成的主被动锁模光纤 激光器实现了幅值均等的1 5 阶( 2 2 6 g h z ) 有理数谐波锁模【3 2 】。2 0 0 0 年，l izh 等人在 主被动锁模光纤激光器中获得脉宽窄于3 1 p s 的光脉冲【3 3 1 。2 0 0 3 年，王肇颖等人在“8 ” 字形主被动锁模掺铒光纤激光器中观察到1 2 p s 的锁模光脉冲，同时获得2 4 阶幅度均 匀的有理数谐波锁模光脉冲输出l 划。2 0 0 7 年，何理等人在基于s a g n a c 干涉仪的混合锁 模光纤激光器中获得重复频率9 9 9 8 1 4 9 g h z ，脉宽小于1 8 p s 的锁模光脉冲输出【3 5 1 。2 0 0 8 年，w a n gf 等人在主被动锁模光纤激光器中获得重复频率为i o g h z ，脉冲半极大宽度小 于3 o p s 的光脉冲【蚓。但是，由于混合锁模中采用了主动锁模调制元件，因此，其系统 结构依然难以实现全光纤集成，并且其脉冲宽度也还要受到调制带宽的限制。 1 3 可调谐光纤激光器的分类和研究进展 可调谐光纤激光器是在光纤激光器的基础上发展起来的，它继承了光纤激光器的优 点再加上光纤基质有很宽的荧光谱，插入适当的可调谐滤波器即可获得相当宽的可调 6 谐范围。另一方面，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 谐激光器也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 i 4 z 的密集波分复用( d w d m ) 系统中，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，所有这些都将大大降低系统的运营成本和备份成本。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。因此，可调谐激光 器是未来全光弼络( a o n ) 的关键器件，近年来关于它的研究得到了迅速的发展。 按照工作原理，可调谐光纤激光器可以分为两大类别：第一类，基于介质宽带发射 光谱的可调谐光纤激光器；第二类，基于非线性光学效应的可调谐光纤激光器。 ( 1 ) 基于介质宽带发射光谱的可调谐光纤激光器 目前，e d f a 的增益波段己经从常规的c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，扩展n 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熔接的优点而成为 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a n t o i n eb 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1 8 0 m w 、中心波长为9 8 0 h m 的泵浦l d ，在掺铒光纤 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 r n ( 1 5 0 0 1 6 2 0 n m ) ，覆盖了整个c + l 波剧朔，这样宽的可调谐范围基本满足当前光通信 传输系统的需要。另外，我国的南开大学董新永等人对此类可调谐环形腔光纤激光器也 傲了深入的理论和实验研究，获得l o o n m 的可调谐带宽输出【3 钔。2 0 0 6 年，y e hch 等利用 法布里一珀罗干涉仪在光纤激光器中获得4 1 3 n m 的可调谐连续波，输出功率变化小于 0 5 d b m 。边模抑制比高于4 5 d b 【蜘。2 0 0 7 年，m a wsk 等人采用布拉格光栅实现c 波段波 长可调谐的激光输出，其可调范围2 5 n m ，边模抑制比为6 0 d b 4 0 。2 0 0 8 年，c h e ndr 等人 利用马赫一曾德尔干涉仪在光纤激光器中实现连续可调的多波长输出，波长间隔分别为 0 4 n l 、0 8 硼和1 6 n m 【4 1 】。 ( 2 ) 基于非线性光学效应的可调谐光纤激光器 第二类主要利用受激拉曼散射( s r s ) 、光参量振荡( o p o ) 、非线性偏振旋转等非线性 效应来实现波长的可调谐。光纤中的受激拉曼散射现象导致了光纤拉曼激光器的出现， 这样的激光器可在很宽的频率范围内( 约i o t h z ) 调谐。利用双通方案和多模光纤。已制 造出工作在可见到紫外区且宽带可调的拉曼激光器。有文献报道了1 4 8 6 - 1 5 5 1 n 波长可 调谐的拉曼光纤激光器【4 2 1 ，以此光纤激光器为泵浦，可以提供覆盖l 波段和u 波段的可 调谐拉曼增益( 1 5 7 0 1 6 1 0 n m 和1 6 2 5 1 6 7 5 n m ) ，对拓展w d m 带宽有很大的意义。把光纤 置于f - p 腔内，参量增益也能用来构成激光器，1 9 9 9 年s e r k l a n duk 等人采用s a g a n c 干涉仪( 环长1 0 5 m ) 做参量放大器，用工作在1 5 3 9n n l 的色散激光器发出的7 7 p s 锁模光 脉冲做泵浦，构成了调谐范围超过4 0n m 、中心位于泵浦波长1 5 3 9n m 的参量振荡器 4 3 1 。 2 0 0 2 年杨石泉等通过调整偏振控制器，在l 波段实现调谐范围4 5 n m ，线宽0 3 n m ，边 模抑制比高于3 0 d b 的激光输出；2 0 0 6 年，贺虎成等利用偏振旋转在掺铒光纤激光器 中实现调谐范围为2 2 n m ，边模抑制比高于3 5 d b ，输出功率变化为0 6 d b ，谱线宽0 5 n m 4 5 1 。 2 0 0 6 年，赵德双等人基于非线性偏振旋转技术在掺铒光纤激光器中获得从1 5 3 8 1 5 6 0 n m 的波长可调谐的连续波输出，3 一d b 谱线宽小于0 1 n m ，信噪比高于4 5 d b i 拍】。同年f e n gx h 等人基于非线性偏振旋转技术在光纤激光器中获得2 8 个波长同时输出的光脉冲【4 7 1 。 2 0 0 7 年，h u a n gxj 等人基于非线性偏振旋转技术在掺镱光纤激光器中获得波长从 1 0 3 0 n m 到1 0 5 0 n m 之间连续可调谐激光输出，谱线宽小于0 2 n m 【删。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文对在同一激光谐振腔内，利用非线性偏振旋转技术，实现连续光的可调谐、 多波长连续激光、锁模光脉冲和束缚态孤子光脉冲等多种稳定态，以及对这些稳定态进 行放大进行了理论和实验研究，内容可归纳如下： 1 理论研究了利用非线性偏振旋转效应实现激光器连续可调谐输出的工作原理。研究 发现，通过调整偏振控制器( p c i ) 的状态来改变输入信号光偏振方向与单模光纤快 轴的夹角m ，可以使某波长的激光的透射系数较大，即使该波长的激光在腔内经历 较小的损耗；固定啦的值，调整偏振控制器( p c 2 ) 来改变单模光纤快轴与偏振相关 隔离器方向的夹角以，可以得到同一中心波长处的激光具有不同的透射率。因此在 掺铒光纤激光器中通过改变偏振控制器的状态可以得到输出平坦的连续可调谐激 光输出。 2 理论研究了利用非线性偏振旋转效应实现锁模光脉冲输出的基本原理。从被动锁模 光纤激光器的数学模型出发，详细讨论了色散、自相位调制、自幅度调制等参数对 锁模光纤激光器性质的影响；从广义非线性耦合薛定谔方程出发，在考虑偏振控制 器和偏振相关隔离器对锁模光脉冲形成影响的前提下，利用分步傅里叶变换方法， s 数值模拟了锁模光脉冲和束缚态孤子光脉冲的形成过程。 3 利用非线性偏振旋转技术，在掺铒光纤激光器中，实验得到了多种光学稳定态的运 转。所得到连续激光器的工作波长从1 5 3 2 1 6 n m 到1 5 5 7 8 6 n m 之间连续可调，波长调 谐范围为2 5 7 n m ，边模抑制比高于3 5 d b ，3 - d b 谱线宽小于0 ，i n t o ：双波长连续激光输 出的中心波长为1 5 3 2 2 2 n m 和1 5 4 5 7 0 n m ；锁模光脉冲的中心波长为1 5 5 7 ，8 0 h m ， 3 一d b 谱线宽约为5 4 n m ，重复频率为1 4 3 m h z ；在泵浦功率较高的情况下，实现 了稳定的5 阶谐波锁模光脉冲的稳定输出；实验所得到束缚态孤子光脉冲的光 谱之问存在一固定间隔为4 0 3 n m 的很强的谱调制。 4 利用铒镱共掺光纤放大器，将上述各种光学稳定态进行放大。实验得到了1 5 4 4 7 0 h m 到1 5 5 8 o o n m 之间连续可调的激光输出，不同波长处的边模抑制比大于3 5 d b ，3 - d b 谱线宽小于0 i n m ，其光光转换效率大约为1 0 。实验中同时得到了高功率的单孤子 光脉冲和高功率的束缚态孤子光脉冲输出。 9 2 利用非线性偏振旋转技术 实现光纤激光器多种光学稳定态的理论研究 非线性偏振旋转技术在对光纤激光器输出特性的研究中具有其特有的优势。本章对 利用非线性偏振旋转技术实现激光器的多种光学稳定态输出特性进行了详细的理论分 析。第一部分对利用非线性偏振旋转技术实现光纤激光器波长可调谐进行了理论分析及 数值模拟；第二部分从被动锁模光纤激光器的数学模型入手，分析了腔内参数对锁模光 纤激光器的影响，并通过求解广义耦合非线性薛定谔方程，对在掺铒光纤激光器中锁模 光脉冲的形成机理进行了分析，利用分步傅里叶变换方法，数值模拟了锁模光脉冲和束 缚态光脉冲的形成过程；最后为本章小结。 2 1利用非线性偏振旋转技术实现光纤激光器波长可调谐的理论分析 y 图2 1 实现光纤激光器连续可调谐输出的工作原理图 利用非线性偏振旋转技术实现光纤激光器连续可调谐输出的原理图如图( 2 1 ) 所 示，a 点是从偏振相关隔离器输出的线偏光，b 点表示信号光在腔内循环一周后重新回 到偏振相关隔离器的位置。信号光从a 点输出经过偏振控制器( p c i ) 、单模光纤( s m f ) 和 偏振控制器( p c 2 ) 后，最后回到b 点，这样信号光在光纤激光器中传输，经历光学非线 性效应( k e r r 效应) 从而产生一定的相移。假设从a 点输出的光波的偏振方向沿着y 轴矢 量，并定义光矢量为： ”c z - ， 光信号经偏振控制器p c i ，则p c i 将线偏光变为椭圆偏振光，其作用可用下列矩阵表示： 置= 一盂黧始= 嚣端 亿z ， 其中，q 是输入信号光偏振方向与单模光纤快轴的夹角，口。可通过调整p c i 来改变其 大小，纰为由偏振控制器引起的两个不同偏振方向的光波矢量之间的相位差。假设光 在无增益的光纤中传输，则仅仅是引起一个相移。采用一矩阵表示为： p = p ”啭如， 眨。， 上式中的丸= 2 石( 以一一) 三p 为两个不同偏振方向的光波分量沿光纤传输时引起的线 性相位差。其中，n 、玑为单模光纤快、慢轴的折射率，a 为工作波长，l 为腔长。在 光纤的出射端，相位差为丸+ 的两个不同偏振方向的光波通过偏振相关隔离器， 偏振相关隔离器相当于一个起偏器和一个光隔离器，起偏器的作用同样用一矩阵表示 为： 足= 盖兰三 眨a ， 上式中是单模光纤快轴与偏振相关隔离器偏振方向的夹角，可通过调整p c 2 来改 变其大小。所以光在整个传输系统中的传输矩阵可以表示为 r - i 删q 0 0 s 呸。d “2 + 唬2 ) 】 一豳q 如呸。科趣九2 + 唬2 ) 】l f 95 、 l - 血q0 0 s 呸唧h 2 + 酶，2 ) 1 一s h l 呸c o s q 唧h 既2 + 劬2 ) j 、“ 用r 表示系统能量的传输的透射率，则信号光在传输一周后其能量透射率可以表示为： r = 矿1 2 = c o s 2 qc o s 2 + s i n 2 s i n 2 + i is i n 2 s i n 2 a , e o s ( 九+ ) ( 2 6 ) 上式中的非线性相移为谚。= 一2 石，e c o s 2 a 如，为非线性( k e r r ) 系数，p 为 输入信号的瞬时功率，如为光纤的有效截面积。由( 2 6 ) 式可知，对于光纤和腔长一定 的激光谐振腔而言( 和l 一定) t 透射率仅与输入信号的瞬时功率p 、光波波长2 、口l 和呜的大小有关。通过调整p c s 可对不同波长的激光进行损耗调整，在模式竞争的作用 下，激光器的输出中心波长会根据增益与损耗的平衡关系发生相应地改变，输出的波长 为净增益最大的波长成分，从而实现波长可调谐的激光光波输出。图( 2 2 ( a ) ) 给出当 一定时，通过调整偏振控制p c l 来改变口。的取值，我们可以得到透射系数较大的波长， 即在腔内经历较小损耗的波长输出。如图( 2 z ( a ) ) 中实线所表示的激光输出，保持 嵋= 万3 不变，改变的取值，我们可以看到同一波长的激光具有不同的透射率，即输 出激光的功率不同( 图2 2 ( b ) ) 。从上述模拟过程可知，p c i 主要用来调整腔内的损耗， 从而使净增益最大的连续可调谐激光输出，p c 2 主要用来改变连续可调谐激光的输出功 率，因此在掺铒光纤激光器中我们通过改变偏振控制器的状态可以得到输出平坦的连续 可调激光输出。 ) 、 ：兰 e o c 击 i - - 她l e 嚼r v r m 图2 2 ( a ) 锄一定，q 取不同的值时透射系数与波长的关系 恻m c j w r m 图2 2 ( b ) q 一定时，取不同的值时透射系数与波长的关系 喜人|#一ecbj 2 2 利用非线性偏振旋转技术实现光纤激光器锁模输出的理论分析 2 2 1 利用非线性偏振旋转效应实现被动锁模光脉冲输出的工作原理 利用非线性偏振旋转( n p r ) 效应实现被动锁模光脉冲输出的掺铒光纤激光器的结构 原理图如图( 2 3 ) 所示，谐振腔由两个偏振控制器( p c s ) ，偏振相关光隔离器( p - i ) ，掺 铒光纤放大器( e d f a ) 和输出耦合器( c o u p l e r ) 组成。其中两个偏振控制器和偏振相关光 隔离器以及它们之间的光纤组成一个非线性偏振旋转效应锁模器件，并在激光器中建立 稳定的锁模光脉冲。 图2 3 非线性偏振旋转锁模光纤激光器示意图 利用非线性偏振旋转技术实现光纤环形腔激光器锁模的物理机制为：