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上海交通大学博士学位论文 摘要 光学双稳态及光纤激光器的研究 摘要 光学双稳态是很多光学器件的基础，如光开关、光存储和光逻辑 器件等。多波长激光器作为光通讯的光源，在现代通信领域中占有极 其重要的地位。高功率单纵模光纤激光器则在远距离传感和高精度光 谱等领域有着广泛的应用。本论文的主要研究对象是环形掺铒光纤激 光器中的光学双稳态，基于半导体光放大器( s o a ) 的波长间隔可调的 多波长光纤激光器及频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器。 实验中发现，即使在简单构造的以长度较大的掺铒光纤为增益介 质的光纤激光器中也存在明显的光学双稳态现象。为了找出双稳态现 象出现的原因，我们测得了掺铒光纤在相关泵浦下的增益特性曲线， 并通过增益特性曲线解释了这种掺铒光纤激光器中光学双稳态形成 的机制。然而根据传统的掺铒光纤的传输方程所计算出的掺铒光纤的 增益特性曲线跟我们实验中所得到的并不一致。为此我们在传统的传 输方程中引入“无用泵浦损耗”这一概念对其进行修正，根据修正后 的传输方程计算出的掺铒光纤的增益特性曲线与实验所得曲线符合 的很好。文中还讨论了掺铒光纤的长度、铒离子掺杂浓度及腔内损耗 等因素对光学双稳态区间大小的影响。为了在激光器中得到区间大小 可调的光学双稳态，我们理论上验证并实验上实施了一种使用两段掺 铒光纤的环形光纤激光器，其中一段掺铒光纤用于增益，另一段则用 作吸收。通过改变注入到吸收段掺铒光纤的泵浦光的强度来改变它的 第1 页 上海交通大学博士学位论文 摘要 吸收性能，我们实现了光学双稳区间从一最大值到零之间的连续调 节。另外我们还给出了双稳态光纤激光器在光控光方面的一个应用。 l y o t - s a g n a e 滤波器由多段保偏光纤和多个偏振控制器构成。通 过调节滤波器中的偏振控制器，我们可以改变滤波器的几何构型来影 响其反射谱线。文中对两段式和多段式l y o t s a g n a e 滤波器进行了详 细的理论分析，可预见这种梳状滤波器的波长之间的间隔是可调的。 利用s o a 的非均匀加宽特性，实验上，我们实现了一种基于s o a 的 波长间隔可调的多波长光纤激光器。在室温下得到了约1 8 个具有 3 0 d b 信噪比的、波长间隔为0 8 n m 的多波长激光输出，波长范围在 1 5 5 6 n m 到1 5 7 7 n m 之间。通过调节l y o t s a g n a c 环内的偏振控制器， 多波长激光的波长间隔可在两种i t u 标准波长间隔( 0 4 n m 和o 8 n m ) 间选择。 我们设计了一个频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器，使用 饱和吸收体和光纤f p 滤波器进行复合选模的技术，减小了光纤激光 器中使用的饱和吸收体的长度，从而降低了腔内损耗，为光纤激光器 的高功率输出提供了条件。双包层铒镱光纤加上两个6 5 瓦的半导体 激光器作泵浦源为激光腔提供了足够大的增益。可调谐光纤光栅滤波 器用来调节激光器的输出波长，光纤相位调制器则用来完成对频率的 精细调节。根据泵浦功率、双包层铒镱光纤的转换效率及对腔内损耗 的估计，我们预测激光器的最大输出功率可达1 6 瓦。 关键词：光纤激光器，光学双稳态，增益特性曲线，多波长，l y o t s a g n a e 滤波器，半导体光放大器，单纵模，高功率。 第1 i 页 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo no p t i c a lb i s t a b i l i t ya n d f i b e rl a s e r s a b s t r a c t o p t i c a lb i s t a b i l i t y ( o b ) p r o v i d e sab a s i sf o rv a r i o u so p t i c a ld e v i c e s ， s u c ha so p t i c a ll o g i cg a t e s ，o p t i c a lm e m o r i e s ，a n do p t i c a ls w i t c h e s a sa s i g n a le m i t t e r ，m u l t i w a v e l e n g t hl a s e rp l a y sak e yr o l ei nt h em o d e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m h i g h p o w e r s i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d e ( s l m ) f i b e r l a s e rh a sg r e a ta p p l i c a t i o n sf o rl o n g r a n g es e n s o r ss y s t e ma n d o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y s i ss y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e r n e dw i t ht h e o bi nas i n g l ee r b i u m - d o p e df i b e r ( e d f ) r i n gl a s e r ，s p a c i n g - t u n a b l e m u l t i w a v e l e n g t h f i b e rl a s e ra n dh i g h p o w e rs l mf i b e rl a s e r i no u re x p e r i m e n t s ，w eo b s e r v e dt h a to bc a ne x i s te v e ni nas i m p l e f i b e rl a s e re m p l o y i n gal o n ge d fa sag a i nm e d i u m i no r d e rt os t u d yt h e i n t r i n s i cm e c h a n i s mo ft h i so b ，g a i nc u r v e so ft h ee d fa tr e l a t e dp u m p p o w e r sa r em e a s u r e d w i t ht h e s eg a i nc u r v e s ，o bc a nb ee x p l a i n e d s u c c e s s f u l l y b yi n t r o d u c i n gu s e l e s sp u m pl o s si nt h ec l a s s i c a lc o n v e c t i v e e q u a t i o n s ，w eb a n i s h e dt h ed i s c r e p a n c yb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a lg a i nc u r v e so fe d f v a r i o u sf a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h eo b r e g i o na r ea n a l y z e d af i b e rr i n gl a s e re m p l o y i n gt w o s e g m e n te d f ，o n e e d fa c t i n ga sa na m p l i f i e ra n dt h eo t h e ra sa na b s o r b e r ，a r ed e s i g n e df o r t u n a b l eo b o br e g i o nc a nb ea d ju s t e df r o mam a x i m u mv a l u et oz e r ob y i n j e c t i n gs o m ep u m pl i g h ti n t ot h ea b s o r b e re d f f u r t h e rm o r e ，s i g n a l s o fd i f f e r e n tw a v e l e n g t ha r eu s e dt oc o n t r o lt h eo u t p u to fa no p t i c a l 第1 i i 页 上海交通大学博上学位论文a b s t r a c t b i s t a b i l i t yf i b e rl a s e ri no u te x p e r i m e n t l y o t - s a g n a cf i l t e ri sc o m p o s e db ys e v e r a lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ( p c ) a n ds e v e r a ls e g m e n t so fp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r ( p m f ) t h eg r i d s p a c i n go ft h i sc o m bf i l t e rc a nb es w i t c h e df r o mo n et oa n o t h e rb y a d j u s t i n gt h e s ep c s i n h o m o g e n e o u sb r o a d e n i n go ft h es e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p li f i e r ( s o a ) m a k e s i ta ni d e a l g a i n m e d i u mf o r m u l t i w a v e l e n g t h f i b e rl a s e r s an o v e l m u l t i w a v e l e n g t hf i b e r l a s e r e m p l o y i n gas o a i sp r o p o s e do nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h el y o t - s a g a n cf i l t e rw i t ht w os e g m e n t so fp m f t h i sf i b e rl a s e rc a n g e n e r a t e18m u l t i w a v e l e n g t hl a s e rw i t hs i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r ) 3 0 d b ， r a n g i n gf r o m15 5 6 n mt o15 7 7 n m t h eg r i ds p a c i n go ft h eo u t p u tl a s e r c a nb es e l e c t e db e t w e e nt w oi t ug r i ds p a c i n g s ：0 4 n ma n d0 8n m a h i g h p o w e rs l m f i b e rr i n gl a s e rw i t hs u b t l yt u n a b l ef r e q u e n c yi s a l s op r o p o s e dh e r e b ye m p l o y i n gaf i b e rf - pf i l t e r ，t h eu n p u m p e de d f s e r v i n ga sas a t u r a b l ea b s o r b e ri nt h el a s e rb e c o m e ss h o r t e r t h e r e f o r e ， t h ec a v i t yl o s si sr e d u c e d ，w h i c hi sak e yp o i n tf o rh i g h p o w e rf i b e rl a s e r e r y bc o d o p e dd cf i b e ra n dt w ol d sw i t hm a x i m a lp o w e ro f6 5w p r o v i d eah i g hg a i n p h a s em o d u l a t o ri s u s e df o rs u b t l e a d ju s t m e n to f f r e q u e n c y t h em a x i m a lo u t p u tp o w e r i sp r e d i c t e da t1 6w ： k e y w o r d s ：f i b e rl a s e r ，o p t i c a lb i s t a b i l i t y , g a i nc u r v e ，m u l t i w a v e l e n g t h ， l y o t s a g n a cf i l t e r , s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r , h i g h - p o w e r , s i n g l e l o n g i t u d i n a l - m o d e 第1 v 页 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通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，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密呼 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 琵噜 指导教师签名：泥名舀 日期： 沈年e 月f 日 日期：却以年6 月- e l 上海交通大学 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。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 光通信技术的发展 第一章绪论 光通信是以光波为载体的通信方式，由于光的载波频率很高，因此与微波和 无线电波相比，光通信有着带宽资源丰富、抗干扰能力强、传输损耗低、保密性 好等诸多优点。光通信中最典型、最广泛使用的是光纤通信系统，它的诞生和发 展给通信领域的发展带来了革命性变化。 近十几年来，随着互联网业务的迅速发展，音频、视频、数据和多媒体应用 范围的扩大，人们对大容量传输系统有了迫切的需求，从而使得频带宽、容量大、 中继距离长、保密性好、抗干扰能力强的光纤通信系统得以蓬勃发展并逐步商用 化，成为近几年来发展速度最快的技术，是世界通信市场的主力军。 1 1 1 光纤通信的发展历史 人类很早就认识到用光可以传递信息，但那时主要是以火的形式来发送消 息。光纤通信的实质性发展应该是从1 9 6 0 年美国thm a i m a n 发明的激光器【l 】 和1 9 6 6 年英籍华人高琨等提出，1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司首先研制成功的低损 耗石英光纤算起。在这之后，随着通信业务需求的飞速增长，光纤通信朝着网络 化、智能化、超高速、大容量的方向发展。 光纤通信的发展主要经历了以下四个阶段： 第一阶段( 1 9 6 6 1 9 7 7 年) ：这是从基础研究到商业应用的开发时期。特别是 1 9 7 7 年长寿命半导体激光器的发明，使得世界上第一个商用光纤通信系统在美 国芝加哥的两个电话局之间能够真正付诸实施。在这个时期，光纤通信系统采用 的是多模光纤，工作波长为0 8 5 岬、传输速率为4 4 7 m b i f f s 、光纤损耗为 2 5 - 3 d b k m 。 第二阶段( 1 9 7 7 1 9 8 6 年) ：这个时期的主要目标是提高传输速率和增加传输 距离，并大力推广应用光纤通信系统。升级后的通信系统使用的光纤已从多模发 展到单模，工作波长从短波长( 0 8 5 9 m ) 发展到长波长( 1 3 1 9 m 和1 5 5 9 m ) ，实现了 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 工作波长为1 3 1 p m ，传输速率为1 4 0 5 6 5 m b i t s 的单模光纤通信系统，光纤的损 耗已减小到0 5 5 1d b k m ，无中继传输距离为5 0 1 0 0 k m 。 第三阶段( 1 9 8 6 1 9 9 6 年) ：大容量、长距离是这个时期的发展目标，大规模 应用开始。系统中使用的1 5 5 t m 色散位移单模光纤中的损耗已进一步降至0 2 d b k m 。采用外调制技术，传输速率可达2 5 1 0 g b i t s ，无中继传输距离可达 1 0 0 1 5 0 k m 。掺铒光纤放大器( e d f a ) 和波分复用( w d m ) 器等新型器件已开始投入 使用。 第四阶段( 1 9 9 6 至今) ：这个时期的主要特征是：采用密集波分复用( d w d m ) 技术的全光网络的开发和应用。利用光放大器延长传输距离，利用电时分复用 ( e t d m ) 提高单波长的传输速率，利用d w d m 提高单根光纤的传输容量，不断 改进光纤的设计，采用一些新技术来克服传输损伤，利用光电集成( o e i c ) 和光子 集成( p i c ) 来提高设备的性能并使之小型化，有力地推动了各种光纤通信系统的 更新换代，朝着超大容量、超高速率、超长距离的目标发展。 1 。1 2 光纤通信中的复用技术 一般来说，在光纤通信中，复用技术被认为是扩展现存光纤网络工程容量的 主要手段。这里主要包括三种复用方式：空分复用s d m 技术，时分复用t d m 技术，以及波分复用w d m 技术。 ( 1 ) 空分复用s d m 技术 空分复用技术一般被理解为多条光纤的复用，即通过增加光缆的光纤芯数和 相应增加传输设备来达到扩容的目的。这是一种技术上最简单的扩容手段。尤其 是对于已敷设的光缆中光纤对有富余，而传输距离较短，业务量在1 0 g b i t s 以下 时，s d m 扩容方式是可取的。但是，对长距离和大容量的线路而言，用增加光 缆芯数的办法扩容则会大大增加线路成本，加之每条线路上还要安装多个价格昂 贵的光电中继器和光放大器，s d m 方法就显然不很经济。 ( 2 ) 时分复用t d m 技术 电时分复用技术在电子学通信中已经是相当成熟的复用技术。它是将传输时 间分割成若干个时隙，将要传输的多路信号按一定规律插入相应时隙，从而实现 多路信号的复用传输。然而电时分复用传输速率是有上限的，受集成电路硅材料 2 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 和镓砷材料的电子和空穴的迁移率的限制，单信道的传输速率在4 0 g b i t s 以上很 难实现。另一方面，在光纤之中，对于光信号产生的损耗、反射、颜色色散以及偏 振模式色散等都严重影响高速率调制信号的传输。电时分复用技术的局限性，将 其传输的速率限制在4 0 g b i t s 以下。 ( 3 ) 波分复用w d m 技术 光波分复用技术是在一根光纤中同时传输多个波长的光信号的一项技术。在 发送端将不同波长丑无的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路上的同 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) ，并经进 一步处理，将原信号再现后送入不同的终端。由于每个光源是以不同波长工作的， 因此其后在接收端转换成电信号时，可以完整地保持来自每个光源的独立信息。 这一点是波分复用( w d m ) 技术的基础。 w d m 技术具有以下主要特点： 充分利用了光纤的巨大带宽资源 同时传输多种不同类型的信号 传输多种业务 实现了单根光纤进行双向传输 高度的组网灵活性、经济性和可靠性 w d m 技术使光纤的传输容量得以极大提高，为高速大容量的宽带综合业务 网的传输提供了有效的途径。近几年来，密集波分复用d w d m ( d e n s ew 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 ) 技术的发展使光纤的利用率进一步提高，使点到点的光纤 大容量传输技术取得了突破性的进展。 1 2 光纤通信中的光源及光放大技术 1 2 1 半导体光源 光纤通信用光源的激射波长应在低损耗窗口波段0 8 5 9 m ( 短波长波段) 、 1 3 1 9 i n 、1 5 5 p r o ，光源的发射功率要大，调制特性要好，可靠性高，适应性强， 且价格要便宜，半导体光源可以很好地满足通信对光源的要求，因此，是目前光 通信系统中最主要的光源之一。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 从成本来看，成本相对低的多纵模f p 激光器是最理想的光源，但其批量生 产和光纤精确对准是需要解决的技术难题。目前商用系统高速光通信基本上采用 单纵模的分布布拉格反射激光器( d b r - l d ) ，d b r l d 的增益区与光栅是分开的， 易于制作【2 j ；中长距离d w d m 系统和c a t v 系统多采用d f b l d ，其用于波长 选择的衍射光栅靠近有源区的波导层，波长稳定性好【”。d f b l d 的单频特性虽 然很好，但波长的准确控制却比较困难，而且在高速调制下的线宽展宽比较严重， 因此在超高速、超长距离通信系统中，需要使用外调制激光器。外调制是外加调 制器对光源输出光进行强度调制，这种调制后的信号啁啾小，因而能够支持长距 离传输，但结构比较复杂，损耗大，激光器的成本很高。 在低成本激光器中，垂直腔面发射激光- 器( v c s e l ) 尤其值得一提。它是一种 出射光垂直于芯片表面的新型半导体激光器【9 】，它的有源区采用量子阱结构，光 谱宽度窄，阈值电流低，功耗小，不需要温控模块，有较高的光纤耦合效率，且 体积小，可以批量加工和封装，动态调制频率高，易于集成，成本低，同时具有 发光二极管低价和激光性能高的优点。 1 2 2 光纤激光器 光纤激光器一般采用掺杂光纤、半导体光放大器或非线性光纤放大器作为增 益介质，以光纤光栅、光纤环形镜或光纤端面等作为反射镜来构成线型反馈腔， 或直接构成环行腔，在泵浦光的作用下，造成增益介质的上能级粒子数反转，以 此产生激光振荡。 光纤激光器的概念是在1 9 6 1 年由美国光学公司的e s n i t z e r 等人首先提出 的，他们在光纤激光器领域进行了开创性的工作。但由于相关条件的限制，直到 掺稀土元素光纤的出现及半导体激光器的商用化，光纤激光器技术才得到迅速发 展。利用掺稀土光纤作为增益介质制成的光纤激光器，给激光器领域注入了新的 活力。光纤激光器实际上还是一种高效的波长转换器，即由泵浦波长转换为所掺 稀土离子激射波长，激射波长由基质材料的稀土掺杂物质所决定，不受泵浦波长 的控制，因此，光纤激光器可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价短波长、 高功率半导体激光器泵浦源，来获得光纤通信低损耗窗口的波长输出，使通信波 段激光器的成本大大降低。 4 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 光纤激光器易于实现窄线宽单频输出、相干性好、输出波长可精确调谐、与 光纤网络直接匹配，谐振腔的结构设计简单、成本较低，阈值低、边模抑制比高、 可有效抑制旁瓣、增益谱线平滑，具有较高性能价格比和实用性。用高掺杂浓度 的掺铒光纤有效地缩短了光纤的长度，大大缩小了结构尺寸，提高了光源的稳定 性和实用性，且重量轻，使用灵活，易于完成批量化投产。便于调谐、封装、温 控、使用方便，适合于小型化，集成化的未来趋势。与传统的半导体激光器相比， 其优点如下： ( 1 ) 半导体激光器的波长较难符合i t u t 建议的w d m 波长标准，且成本较 高，成品率较低。而单频光纤激光器利用光纤光栅等全光纤器件，能非常准确确 定波长，成本较低，成品率较高。 ( 2 ) 光纤激光器具有波导光纤结构，可以在光纤芯层产生较高的功率密度， 表面积体积比高、转换效率高、激光阈值低、散热效果好、稳定性高。 ( 3 ) 高频调制下频率啁啾效应小、线宽窄且没有跳摸。抗电磁干扰性强，低 噪声特性不取决于反馈噪声减少电路。 光纤激光器的出现，为w d m 系统提供了一种重要意义的新光源。从发展态 势看，光纤激光器不仅在光纤通信领域有重要作用，而且迅速地向其他更为广阔 的激光应用、光传感等领域扩展。 光纤激光器的分类方法很多，按增益介质的不同可分为稀土类掺杂光纤激光 器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器等。激光器可以是f p 腔、环型腔、 环路反射光纤谐振腔以及“8 ”字腔等。光纤激光器既可以输出连续光，也可以产 生超短光脉冲。 可用于制作稀土掺杂光纤激光器的稀土元素有很多种，但掺铒光纤激光器是 目前研究最多的掺杂光纤激光器，其激射波长位于1 5 5 0 n m 波段。将光纤光栅与 掺铒光纤相结合构成光纤光栅激光器是一种最常见的方式，如果将光栅直接写入 掺铒光纤，则构成的是d f b 光纤激光器，如果将光栅与掺铒光纤熔接在一起， 则构成的是d b r 光纤激光器，其中的光栅起到光反馈和波长选择的作用【5 】。 镱离子( v b 3 + ) 有非常宽的吸收带( 8 0 0 1 0 6 4 n m ) 和相当宽的激发带 ( 9 7 0 n m 1 2 0 0 n m ) ，泵源可选择性大，激光没有激发态吸收，如果将铒离子和镱 离子共同掺杂，则可以大大提高1 5 5 0 h m 波段( c 波段) 和1 5 9 0 n m 波段( l 波 5 上海交通大学博上学位论文第一章绪论 段) 光纤激光器的性能，因此，掺镱光纤和铒镱共掺光纤激光器的研究已成为 光纤激光器研究的一个热点【5 矧。掺铥( t m 3 + ) 光纤激光器的激射波长为1 4 0 0 r i m ， 位于1 4 5 0 n m 1 5 0 0 n m 低损耗光纤通信窗口，是d w d m 实现带宽扩展的重要光 源【7 1 。钐离子( s m 3 十) 吸收谱峰值波长位于1 5 2 5 n m 附近【8 1 ，与铒光纤同时用于光纤 激光器中时，可以获得性能稳定的宽带输出。 受激拉曼散射( s r s ) 光纤激光器( s r s f l ) 是光纤中受激拉曼散射非线性效应 的最典型应用，s r s 效应是一种因三阶非线性光子相互作用所产生的受激声子对 入射光的散射现象 9 1 。光纤非线性效应和色散效应的共同作用可以形成特殊的非 线性效应一拉曼孤子效应，光纤拉曼孤子激光器是s r s 孤子效应的应用，用于 产生飞秒孤子【l o l 。受激布里渊散射( s b s ) 是强激光与介质中的弹性声波场发生相 互作用而产生的一种光散射现象，注入到单模光纤( s m o f ) d p 的布里渊泵浦产生 斯托克斯波长的光，新产生的布里渊波长的光在环形腔内经过掺铒光纤的放大， 然后重新被注入到单模光纤，这样又能产生下一级斯托克斯波长的光，照此循环 就能实现布里渊光纤受激布里渊激光器。光纤内布里渊非线性作用能够有效地压 制掺铒光纤的均匀加宽，非常有利于多波长激光器的实现。 非线性效应光纤光源还包括光纤超连续光源( f s c ) ，它是将峰值很高的超短 光脉冲注入到光纤中，借助光纤中各种非线性效应如自相位调带j j ( s p s ) 、交叉相 位调带j j ( x p s ) 、四波混频( f w m ) 、s r s 等的共同作用，使出射脉冲的光谱被极大 展宽。f s c 能在很宽的光谱范围内同时产生高速率超短光脉冲，所以它在未来的 t b i t sw d m o t d m 系统中有望扮演重要角色。产生高质量超连续谱脉冲的关 键是选择合适泵浦光源和超连续光纤。 1 2 3 通信用光源的发展趋势 随着光网络的不断发展，光通信系统对光源也提出新的需求动向，其中可调 谐激光器是目前最热门的课题。可调谐激光器的应用，可以使系统的运营成本和 维护费用大幅度降低。可调谐激光器不仅可以用作d w d m 系统的光源，还可以 用作分组交换器件、接入波长路由器等，在光通信中具有应用潜力，有望代替目 前通信市场上占主流地位的固定波长激光光源。可调谐光纤激光器的调谐通常使 用可调谐滤波器来实现【1 2 1 ，可调谐滤波器是至关重要的器件，其成本的高低和 6 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 性能好坏将直接影响可调谐光纤激光器的应用前景。在光纤激光器中，不仅掺稀 土离子光纤激光器可以调谐，实际上，如果能选择适当的可调谐滤波装置，非线 性效应光纤激光器同样是可以调谐的1 1 3 1 。 通信用光源的另一个发展趋势是多波长化。按理论计算，光纤通信常用波长 1 3 微米和1 5 5 微米波长窗口的容量至少有2 5 0 0 0 g h z 。人们自然想到采用多波 长的w d m 技术来更有效率的利用这一窗口。目前d w d m 通信系统中使用的激 光器都是分立的光源，系统扩容时，每增加一个波长就需要对应一个激光器，而 随着波长密集程度的不断提高，多个激光器之间的波长间隔控制难度越来越大， 使系统的成本大大提高，同时也使系统的可靠性不能得到很好的保证。一体化的 多波长光源不仅可以很好地解决这个问题，还可以使网络实时监控变得简单易 行。 1 2 4 光纤通信中的光放大技术 信号在d w d m 系统中传输时，会存在一定的损耗，从而导致信号能量的降 低。为克服能量的损耗，信号每传输一段距离系统就要对其进行电的“再生 。 随着传输速率的提高，电“再生 已走到了尽头，成为阻碍传输系统扩容的致命 因素。光放大( o a ) 技术的出现，为d w d m 的实现提供了技术保证，它可以直接 放大光信号的功率，不仅节省了大量的再生中继器，降低了系统的成本，延伸了 光传输距离，还使传输链路“透明化”，简化了系统构成，因而促进了真正意义 上的d w d m 技术的飞速发展，使全光传输、孤子传输成为现实，是光纤通信系 统发展的里程碑。 光放大技术目前主要有三类：掺稀土类光放大器、半导体光放大器和非线性 光放大器。它们主要用于发射机后的功率放大( b a ) 、接收机前的预放大( p a ) 和线 路中的中继放大( l a ) ，用于补偿线路传输衰减、节点分配衰减、传输产生的色散， 降低非线性效应等。在光纤通信系统中，光放大器的成本达到系统总成本的1 3 ， 是系统成本预算的主要控制内容。 随着骨干网、城域网和接入网络的发展，光放大器向高端和低端两个方向发 展：高端放大器向高性能、宽带、多功能、智能化方向发展；而低端放大器则向 着紧凑化、低价位、低功耗、标准化方向发展。 7 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 3 多波长光纤激光器 多波长光纤激光器的工作原理跟其实现方案有关。总的来说，首先要求其增 益介质能够实现在宽频带上的激光增益，这是实现宽频带上多波长光纤激光器的 基础；其次采用不同的装置实现对多个波长的选择性振荡激射，这是实现多波长 光纤激光器的关键。 1 3 1 多波长光纤激光器的分类 多波长光纤激光器按增益介质分，主要有掺稀土元素的多波长光纤激光器、 基于s o a 的多波长激光器、利用光纤非线性效应的拉曼及布里渊多波长光纤激 光器。其中，掺稀土元素的多波长激光器以掺铒激光器为代表。掺铒光纤在室温 下的均匀展宽线宽为1 1 5 n m 。对于要实现低于1 1 5 n m 波长间隔的多波长激光， 需要引入其他的物理机制降低交叉增益饱和来实现稳定振荡。常用方法为：液氮 冷却增益介质情况下在腔内放置梳状滤波器【1 4 】、室温情况下在腔内同时放置梳 妆滤波器和声光频移器【1 5 啪】、利用偏振烧孔和空间烧孔来抑制掺铒光纤的均匀加 宽机制1 7 。1 8 1 和由光纤光栅构成的重叠腔【1 9 _ 2 0 】等方法。 利用单模光纤或色散位移光纤中的非线性效应一布里渊散射( s b s ) 和e d f 的 线性放大作用可以得到多波长输出【2 l j 。其中s b s 提供窄带宽增益，使b r i l l o u i n 散射波与泵浦波之间存在由光纤中声速决定的精确的频移量，在1 5 p m 波段，其 频移量为1 0 g h z ，相当于0 0 8 n m 。而e d f 提供线性增益来补偿谐振腔的损耗， 对b r i l l o u i n 信号进行放大，以提高多波长信号的输出功率。近来，自激发、可 调谐布里渊光纤激光器已有相关报道 2 2 - 2 3 】。 拉曼放大最大的特点就是具有广阔的光谱范围，现有的掺铒光纤放大器只支 持标准的铒窗，拉曼放大器是唯一能在1 2 6 0n l n 到1 7 0 0n n l 的波长范围内进行放 大的器件。由拉曼放大器，再加上多波长滤波器即可实现多波长拉曼光纤激光器 c z 4 锄】。多波长拉曼光纤激光器具有非均匀展宽特性，在室温下容易获得稳定的多 波长激光振荡。此外，它还拥有很宽的增益带宽，满足d w d m 通信系统中扩大 波段的要求。 半导体光放大器( s o a ) 是一个良好的多波长激光器的增益介质，它的优势在 8 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 于，其非均匀加宽的特性抑制了激光的模式竞争，使它能在常温下简单的光纤环 中产生增益带宽较大的激光输出【2 9 1 。随着半导体光放大器技术日益成熟，基于 半导体光放大器的多波长光纤激光器在近年引起了广泛的研究兴趣【3 0 彤】。 除了布里渊多波长光纤激光器外，其他类型的多波长光纤激光器都需要一个 多波长滤波器。多波长光纤滤波器常用的有：由保偏光纤构成的l y o t s a g n a c 多 波长滤波器【2 4 3 3 1 ；各种结构的光纤b r a g g 光栅【2 7 2 8 】；m a c h z e h n d e r 干涉仪3 4 - 3 5 1 和f a b r y p e r o t 滤波器1 3 2 , 3 6 等。 1 3 2 可调谐多波长光纤激光器 为了提高多波长激光器的可实用性和灵活性，多波长光纤激光器在波长及波 长间隔上的可调谐是目前主要的研究方向。在波长可调方面，yw l e e 等人以 保偏光纤( p m f ) 环和偏振分束器( p b m ) 组成滤波光纤环，在实验中得到了波长间 隔固定，波形连续可调的多波长输 3 1 , 3 7 。通过对半导体光放大器的研究可知【2 9 l ， 当调节光纤激光器主环损耗，还可以实现多波长激光输出波长范围的整体移动 3 8 1 o 对于多波长激光的波长间隔可调，目前已经有多种方法被报道出。在光纤光 栅方面，取样啁啾布拉格光纤光栅【3 9 4 0 1 、级联长周期光纤光栅【2 7 】及多模布拉格 光纤光栅h h 2 1 都被报道过可用作波长间隔可调的多波长光纤激光器中的滤波及 调谐器件。对于l y o t s a g n a c 多波长滤波器，可以通过对保偏光纤加压力4 3 1 ，或 采用多段保偏光纤的结构来实现波长间隔的可调【4 4 4 6 1 。在这些波长间隔的调节方 法中，只有取样啁啾布拉格光纤光栅对波长间隔的调节是连续的【2 5 。2 6 1 ，其他的则 是离散的。 1 4 光学双稳态 光学双稳态( 0 b ) 是指某一特定的光学系统中在一定输入范围内，一种输入可 能存在两种输出状态，而两个状态之间可以用光信号控制使之发生转换的现象 【4 7 】。它是非线性光学领域内的一个重要的研究方向。近几十年来国内外在光学 双稳态方面开展了大量的研究工作，并在理论和实验上取得了重大的进展。 9 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 4 1 光学双稳器件 光学双稳器件具有高、低两种输出状态，并且两种状态可以通过光信号进行 控制，这一点类似于电子器件中广泛应用的逻辑门，也就是说其可以实现与电子 器件类似的功能。而与电子器件相比，由于它处理的是光信号，所以又具有开关 速度快和不受电磁干扰等优点，因此可以广泛应用于光开关、光逻辑器件、光通 讯、光信息处理等很多方面，甚至未来的光计算机中它将成为集成光学的一种基 本元件【4 8 4 9 1 。 最早的光学双稳态现象首先在美国贝尔实验室被观察到：1 9 7 1 年美国贝尔 实验室的a u s t i n 等人研究内部放有染料的法布里一珀罗腔，他们观察到了从这 种腔透射的激光脉冲有变窄的现象；1 9 7 4 年该实验室的m c c a l l 进一步从理论上 研究吸收型光学双稳态，他利用二能级模型处理放于腔中的介质并考虑到腔的特 性，得到了光学双稳态的计算结果，确证了光学双稳态实现的可能。1 9 7 5 年， m c c a l l 、g i b b s 和v e r k a t e s a n 首次在充有钠蒸汽的法布里珀罗腔中观察到了在入 射激光束为某一些强度之时，出现了两个不同的输出光强。这是第一次在实验室 实现了光学双稳态现象。此后，人们又先后使用各种材料，如：半导体器件【5 0 1 、 掺铒光纤【5 1 】等，在f - p 腔结构5 0 , 5 2 - 5 3 】、环形腔结构【5 4 彤】、无腔结构等反馈结构中 观察到了光学双稳态现象。 实现光学双稳态有两个必要条件：1 ) 光学非线性；2 ) 反馈机制。 根据光学双稳态现象的反馈机制，可以将其分成两类：本征型光双稳器件和 混合型光双稳器件。本征型光双稳器件直接将部分光信号作为反馈调控参量，非 线性地控制器件的输出。这样的反馈直接利用材料的非线性性质，反馈速度快， 是研究的重点。而混合型光双稳器件先将反馈光信号转换成电磁信号，再以电磁 信号作为反馈调控参量来控制器件的输出。 两者都需要一定的非线性机制，但实现本征型双稳运转时，对介质的光学非 线性有很高的要求，优点是反馈速度快；而混合运转则依靠外部电路等机构就能 实现，一般仅需一个具有非线性透射或反射功能的光学元件和相应的反馈电路， 对介质的非线性要求不高。 1 0 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 4 2 双稳态光纤激光器 尽管光学双稳态现象距离初次被观察到已经有了几十年了，此后也有了许多 深入的研究，但是对双稳态光纤激光器的研究却只有十多年的时间。 在混合型光学双稳态方面，李俊庆等人报道了一种使用了放置于压电转换装 置上光纤b r a g g 光栅的混合型光学双稳装置【5 6 1 ，这种结构的非线性反馈是产生光 学双稳的主要原因。后来他们又对这种装置进行了改进【57 。驯，并讨论了在光纤传 感方面的应用【5 8 , 6 0 】。 光纤激光器中的本征型光学双稳态现象一般都是由于饱和吸收引起的。最初 光学双稳态在使用未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收窄带滤波器的光纤激光器，就 曾被作为一个附带现象被报道出来【6 1 - 6 2 1 。随后q i n g h em a o 等人在一种复合腔结 构的双波长掺铒光纤激光器中也发现了光学双稳态【6 3 耐】，同时他们还测出双稳区 间的大小跟腔内损耗和吸收段掺铒光纤长度的关系曲线。最近，j u n gm io h 等人 发现在一个结构简单的只使用了一段长掺铒光纤的光纤激光器中存在非常明显 的光学双稳态【6 5 1 ，并通过掺铒光纤的增益曲线定性地解释了这种双稳态产生的 原因，指出激光波长及掺铒光纤长度都会对双稳区间有很大影响。同时，掺镱光 纤激光器中的光学双稳现象也有一些报道【6 6 。6 7 1 。光纤激光器中的光学双稳态在光 开关、光控光、光波长转换及光传感等方面潜在的应用价值。 1 5 可调谐高功率单纵模光纤激光器 单纵模光纤激光器在传感和高精度光谱方面有广泛的应用，特别是作为光纤 激光传感器，它具有对电磁场的抗干扰、安全、体积小、可远程控制等特性，并 且由于它的高灵敏度以及利用w d m 技术实现多路传输，在军事上也有很大的应 用潜力。目前已经可以实现单纵模输出带宽可至0 5 k h z 以下【6 8 1 ，功率可达瓦量 级【6 9 】。单纵模光纤激光器还可以应用于相干通讯、频率锁定及为各类激光器提 供激光种子源等。 要使光纤激光器单纵模运转，最显而易见的解决方案是缩短激光器的腔长， 比如使用双掺杂的增益介质在有源区缩短到lm i t t 的情况下仍然有激光输出，这 时由于均匀展宽效应会比较容易获得单纵模输出，但是这样会降低输出功率，并 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 且减小其调谐范围( 缉中的频谱都能振荡增长，见图2 - 2 ( a ) ：随着振荡的增强，出 现增益饱和现象，整个增益系数都会统一下降，如图2 - 2 ( b ) ，这样就只剩少数靠 近中心频率的频谱存在；随着振荡的进一步增长，增益进一步降低，当降到只有 r o ( v ) = 口，时激光就稳定了，如图2 - 2 ( c ) 。所以对于均匀加宽机制的激光只能存在 一个模式，当然这只是理想情况，实际由于空间烧孔效应，实际上激光腔内还是 存在多个模式振荡的。 上 一一 ! 二 i ，一一一_ j - 聊甜 图2 2 均匀加宽机制激光的选模：( a ) 振荡初始多个腔膜同时存在；( b ) 由于增益饱和，增益系 数整体降低，只有靠近中心频率的少数腔模能存在；( c ) 最后激光稳态时只有单个模式存在 4 1 f i g 2 - 2g r o w t ho fo s c i l l a t i o ni na l li d e a lh o m o g e n e o u s l yb r