（光学专业论文）光纤布拉格光栅在掺铒光纤激光器中应用.pdf

中文摘要 可调谐光纤激光器不仅是波分复用光纤通讯系统中的关键器件，还可以运用 于相干光通信、光纤传感器和光谱分析等领域。声光可调谐掺铒光纤激光器利用 集成光学声光可调谐滤波器( i a o t f ) 为调谐元件，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。 本课题是在声光可调谐滤波器尚未成熟的情况下，以光纤布拉格光栅作为滤 波元件，进行的掺铒光纤激光器的研究。内容主要分三部分：1 、介绍声光可调 谐掺铒光纤激光器的基础理论和应用；2 、根据光纤布拉格光栅的滤波特性，分 析其在掺铒光纤激光器中分别作为饱和吸收体和滤波元件这两方面的应用；3 、 掺铒光纤激光器的实验研究，对基于光纤光栅滤波的线形腔和环形腔掺铒光纤激 光器的实验结果进行对比和分析，由于两种连接的腔损耗不同，因此环形腔的阈 值高于线形腔。但由于环形腔中泵浦光能充分得到吸收，转化效率高，因此输出 激光功率值明显好于线形腔。得出在光纤长度一定时，腔结构的改变导致腔损耗 及激光产生阈值的改变，进一步导致激射中心波长f w h m 变化的结论。实验结果 在理论上得到了验证。 关键词：可调谐光纤激光器声光可调谐滤波器掺铒光纤激光器光纤布拉 格光栅 a b s t r a c t t u n a b l ef i b e rl a s e ri sn o to n l y a l l i m p o r t a n t k i n do fd e v i c ei n 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 gf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b u ta l s oc a l lb eu s e d i 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 ds p e c t r u ma n a l y s i s t u n a b l e e r b i u m d o p e d f i b e rl a s e r u s i n g a n i n t e g r a t e do p t i c sa c o u s t o - o p t i c a l t u n a b l e w a v e l e n g t hf i l t e ri ss t u d i e d ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sw i d et u n a b l er a n g e ， n a r r o wl i n ew i d t h t h er e s e a r c hi sb a s e do nf b ga st h ef i l t e r b yr e a s o n o fa c o u s t o o p t i c a l t u n a b l ef i l t e ri sd u r i n gt h ee x p e r i m e n t 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 i n t r o d u c et h e t h e o r y o f a c o u s t o - o p t i c a l t u n a b l e e r b i u m d o p e d f i b e r l a s e r 2 r e s e a r c ho nf i b e rb r a g gg r a t i n g ，w h a ti sa n a l y z e di st h ea p p l i c a t i o no ff b gi n t u n a b l ee r 3 + - d o p e df i b e rl a s e r , w h i c hi sb a s e do nt h ef i l t e rc h a r a c t o r t h e a p p l i c a t i o ni sa b o u tt h es a t u r a t e da b s o r b e rp a r ta n dt h ef i l t e rp a r t 3 t h ee x p e r i m e n t a b o u tt h et u n a b l ee r 3 + - d o p e df i b e rl a s e r a n a l y s et h er e s u l to fl i n e - f r a m ea n d c i r c l e f r a m ee x p e r i m e n t b e c a u s et h el o s s e sa r ed i f f e r e n c e ，t h et h r e s h o l do fc i r c l e - f r a m ei sh i g h e rt h a nl i n e - f r a m e t h el i g h tc a nb ea b s o r b e ds u f f i c i e n t l y , s ot h eo u t p u t o fc i r c l e - f r a m ei sb e t t e rt h a nl i n e f r a m e t h ec o n c l u s i o ni st h a t , w h e nt h el e n g t ho f f i b e ri sf i x e d , d i f f e r e n tf r a m e sl e a dt od i f f e r e n tt h r e s h o l d , a n dt h ef w h mi sd i f f e r e n t t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti sp r o v e dt h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：t u b l ef i b e r1 a s e r w a v e l e n g t hf i l t e re r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r f b g t u n a b l e 1 光纤通信的发展 前言 光纤通信是人类通信史上的一项重大突破，它主要是指利用激光作为信息的 载波信号并通过光导纤维来传递信息的通信系统。其主要优点是：光波频率高， 光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可 进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务：不受电磁干扰，保密性好，且 不怕雷击，可利用高空电缆架空铺设，用于国防、铁路、防暴等；耐高温、高压， 抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠；光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属( 如 铜、铝) ，且直径小、重量轻、可绕性好。 光纤通信3 0 年的发展，可大致归纳为五代： 1 9 7 3 年1 9 7 6 年为第一代光纤通信系鲥2 1 。其特征是：采用o 8 5 “m 短波长 多模光纤，光纤损耗为2 5 3 d b k m ，传输速率为5 0 1 0 0 m b i t s 。这一代光通信 于1 9 7 8 年进入现场试用，8 0 年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用作市话 局间中继线路。 1 9 7 6 年一1 9 8 2 年为第二代光纤通信系统。其特征是：采用1 3 1 9 m 长波长多 模或单模光纤，光纤损耗为0 5 5 l d b k m ，传输速率为1 4 0 m b i t s 。这一代于1 9 8 2 年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也用作大城市市话 局问中继线【3 1 。 1 9 8 2 年1 9 8 8 年为第三代光纤通信系统，其特征是：采用1 3 l g m 长波长单 模光纤，光纤损耗降至0 3 o 5 d b k m ，于1 9 8 3 年以后陆续投入使用，主要用于 长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。 1 9 8 8 1 9 9 6 年为第四代光纤通信系统。主要特征是：开始采用1 5 5 9 i n 波长 窗口的光纤，光纤损耗进一步降至0 2 d b k m ，主要用于建设同步数字系列( s d h ) 同步传送网络，传输速率达2 5 g b i t s ，中继距离为8 0 1 2 0 k r n ，并开始采用掺铒 光纤放大器( e d f a ) 和波分复用( w d m ) 器等新型器件【5 1 。 1 9 9 6 年现今为第五代光纤通信系统。主要特征是：采用密集波分复用 ( d w d m ) 技术的全光网络开发与应用，截止到1 9 9 8 年底，商用d w d m 系统 容量已达4 0 x 2 5 g b i t s ，实验室水平为1 3 2 x 2 0 g b i t s 。 随着技术的发展，光纤通信的发展又出现了一些新的特点。超大容量、超长 距离波分复用( w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 的二者混合，即把多个o t d m 信号进 行波分复用，从而大大提高传输容量，已经成为未来高速、大容量光纤通信系统 的一种发展趋势，两者的适当结合应该是实现t b i t s 以上传输的最佳方式 s j 。 2 光纤激光器的发展 光纤激光器的研究工作最早开始于2 0 世纪6 0 年代【6 1 。美国光学公司( a m e r i c a n o p t i c a lc o m p a n y ) 斯尼泽e s n i t z e r 于1 9 6 3 年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子 f n d 3 + ) l i l 成的光纤激光器，但是由于受到当时条件的限制，实验工作没有很大的 进展。2 0 世纪7 0 年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔 结构的探索方面取得了较大进展。而在2 0 世纪8 0 年代中期英国南安普顿大学用化 学气相沉积( m c v d ) 法成功制成了低损耗的掺铒( e r 3 + ) 光纤的突破，才使光纤 激光器更具实用性，更为光纤激光器的发展带来了新的前景。随着掺铒光纤放大 器re d f a ) 在光通信中地位的不断提高，才使光纤激光器再次受到世界各国的普 遍关注，从而得到迅速发展并在通信领域发挥着越来越重要的作用【兀。 光纤激光器和其它激光器一样，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源三部分组成。 但是相比其它激光器，光纤激光器具有它独特的优点：具有波导式的结构，可 方便地与目前的光纤通信系统高效连接。耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形 成高功率密度，具有高转换效率、低激光阈值、输出光束质量好和线宽窄等特点。 由于光纤的几何特点，使得这种结构具有较高的面积体积比，因而其散热效 果很好，能在不加强制冷却的条件下连续工作。光纤具有极好的柔绕性，因此 激光器可以设计得相当小巧灵活，有利于在光纤通信和医学上的应用。光纤具 有相当多的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性和高稳定性， 其泵浦寿命长。 光纤激光器有许多种，表i - 1 给出了按照不同分法得出的激光器的种类。 表i - i 光纤激光器的分类 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 按光纤结构分类单包层光纤激光器、双包层光纤激光器 稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器 按增益介质分类 单晶光纤激光器、塑料光纤激光器 按工作机制分类上转换光纤激光器、下转换光纤激光器 按掺杂元素分类 掺铒( e r ”) 、钕( n d 3 + ) 、镨( p r 3 + ) 、铥( t i n ”) 、镱( y b 3 + ) 、钬( h o ”等 按输出波长分类s 波段( 1 2 8 0 、1 3 5 0 n m ) 、c 波段( 1 5 2 8 、1 5 6 5 n m ) 、l 波段( 1 5 6 1 1 6 2 0 n m ) 按输出激光分类脉冲激光器、连续激光器 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。 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 周同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。目前，比较成 熟的有源光纤中掺入的稀土离子有e r 孙、n d ”、p r 3 + 、t m 3 + 、y b 3 + 等。掺铒( e r 3 + ) 光纤 在1 5 5 u m 波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应 用价值，发展十分迅速。掺镱( y 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 1 2 0 0 n 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。掺铥( t m 3 + ) 光纤激光器的激射 波长为1 4 u m 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 l o o m w 、斜率效率5 9 的1 4 7 u r n 掺t m 3 + 光纤激光列3 1 。其他的掺杂光纤激光器， 如2 1 u m 工作的掺钬( h 0 3 + ) 光纤激光器，由于水分子在2 o u m 附近有很强的中红外 吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医 疗和生物学研究上有广阔的应用前景。 近几年，双包层掺杂光纤激光器利用包层泵浦技术，使输出功率获得极大提 高，成为激光器又一研究热点。包层泵浦技术利用的双包层光纤，其芯线采用相 应激光波长的单模稀土掺杂光纤，大直径的内包层对泵浦波长是多模的，外包层 采用低折射率材料。内包层的形状和直径能够与高功率激光二极管有效地端面积 合。稀土离子吸收多模泵浦光并辐射出单模激光，使高功率、低亮度激光二极管 泵浦激光转换成衍射极限的强激光输出。为了增加泵浦吸收效率，光纤内包层的 形状也由最初的圆形发展到矩形、方形、星形、d 形等。v d o m i n c 等人报道了输 出功率高达1 1 0 w ，泵浦转换效率5 8 的掺y b 3 + 双包层光纤激光器。 未来光纤激光器发展的主要方向将会是：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；扩展新的激光波段，拓宽激光器的可调谐范 围；压窄激光谱宽；开发极高峰值的超短脉冲( p s 和f s 量级) 高亮度激光器；以 及进行整机小型化、实用化、智能化的研究。而近几年的热点将仍以高功率光纤 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。 3 本课题的研究内容 近年来，可调谐掺铒光纤激光器作为一种新型光源，受到了越来越多的关注 凹3 。它发射波长在1 5 5um 左右，正对应低损耗第三通信窗口，调谐范围大，并 且有连续和脉冲两种工作方式，在光纤通讯、激光测距以及自由空间光通讯等领 域具有十分广泛的应用前景。 本课题研究的可调谐掺铒光纤激光器，以集成光学声光可调谐滤波器 ( n o t f ) 作为调谐元件，不仅比其他类型的可调谐掺铒光纤激光器有更宽的调 谐带宽，而且结构简单，调谐速度快，调谐非常方便( 仅通过改变射频就可以实 现) 等优点。但由于准共线声光可调谐掺铒光纤激光器的调谐元件尚未研制成功， 因此在介绍声光可调谐滤波器的基础上，用光纤布拉格光栅作为滤波元件进行掺 铒光纤激光器的实验研究。 本课题的研究内容具体由以下三部分组成： l 、介绍声光可调谐掺铒光纤激光器的基本原理和结构； 2 、光纤布拉格光栅在本课题中的应用； 3 、掺铒光纤激光器的实验部分。 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，也不包含为获得叁盗盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 彳1 砖 签字日期： 。7 年月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎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：一砩 翩签名：妄0 迎 签字日期： 。7 年占月f rr签字同期：。7 年，月，r 日 天津大学硕士学位论文第一章掺铒光纤激光器概述 第一章掺铒光纤激光器概述 掺杂光纤激光器的增益介质是掺杂光纤，引入可形成激光振荡的正反馈，具 有结构紧凑、微型化、全固化以及与传输光纤天然的通融性等特点，光纤芯径小， 在纤芯内易于形成高功率密度，光纤的几何形状又具有极低的体积与表面比，再 加上在单模状态下激光与泵浦光可充分耦合，使得其转换效率高、激光阀值低， 另外光纤基质有很宽的荧光谱，光纤可调参数多，选择范围大，因此可产生多激 光谱线，再配以波长选择器，即可获得相当宽的调谐范围，因此被认为是未来长 距离、大容量、超高速光纤通信的理想光源。特别是掺铒光纤，其4 0 n t o 宽的增益 光谱轮廓与光纤通信的最佳窗口( 1 5 5 0 n m 窗口) 相吻合，因而在光纤通信领域获得 愈来愈广泛的应用【1 1 】【1 2 】。 i i 掺铒光纤中的激光效应原理1 3 1 激光器是一种新型光源。在发光机理上与普通光源有着本质的区别。普通光 是由发光物质通过自发发射出大量光子所形成的。激光是靠原子体系的受激发射 产生大量光子所形成的。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。因此，在一定条件下，可以通过 受激发射获得方向性好、单色性好、相干性好和高亮度的光，即激光。但是原子 体系与辐射场作用过程中，原子的自发发射、受激发射和吸收三种过程同时存在。 要产生激光必须设法使受激发射在三种过程中占优势。 激光的产生是一个放大的过程。在这个过程中受激发射所占的比例远大于自 发发射。当增益存在的条件下，受激发射所产生的光子继续诱发受激发射，使受 天津大学硕士学位论文第章掺铒光纤激光器概述 激发射光不断增强。当初最初诱发受激发射的光子源于自发发射。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。 i 拈 i l t 1 5 i a 5 ；qs b5 1 i a s r = 一 i 。 ( ： n i 1 1 3 。一b t 3 i a 3| 3 a s ； ) _ 1 2 f 啊2 i i a 2 。 1 i 1 s i n g l ee r 3 + i o n 图i - ie r ) + 离子能级图 图中，参与激光放大过程的只有三个能级，e 1 相应于4 1 1 5 2 ，为基态，e 2 相 应于4 1 1 3 2 ，为受激辅射的高能级，受激跃迁产生的光子波长就是能放大的信号 光波长。e 3 是泵浦的高能级。泵浦光的泵浦作用发生在e 3 与e l 之间，可以选择 不同的能级作为e 3 。在外界泵浦源的作用下，基态4 1 1 5 2 上的粒子吸收泵浦源的 能量而跃迁到e 3 能级上，e 3 能级上的电子主要通过无辐射跃迁的形式迅速转移 到e 2 能级上。e 3 能级最好能有较大的宽度，以充分利用宽带泵浦源的能量来提 高泵浦效率。e 3 能级的寿命很短，而e 2 能级的寿命较长，属于亚稳态能级，容 易聚集电子。当泵浦源足够强时，便在e 2 能级上聚集起足够的粒子，在e 2 和e 1 能级之间形成粒子数反转分布，这时候便对信号具有放大作用。 一个光学泵器件必须具有合适的泵浦带才有实际意义。图1 1 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 r i 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 r n 的l d 作为泵浦 光源。 5 4 3 2 l 天津大学硕士学位论文第章掺铒光纤激光器概述 4 0 00 0 001 0 0 01 2 0 01 4 0 0- e o o w 矾k 瑚曲删 图1 2 掺e r 3 + 普通玻璃的吸收谱 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。 1 2 掺铒光纤激光器的发展现状 掺铒光纤激光器技术方案现在有以下几种【6 】： ( 1 ) f p 腔掺铒光纤激光器 使用介质膜或金属膜的方法构成f p 腔，典型的线性腔光纤激光器如图卜3 所示，可以有单向和双向两种两种泵浦方式，其中单向又可分为正向泵浦和反向 泵浦两种方式，反向泵浦可使更多泵浦光转化为信号光，因而可获得比同向泵浦 光高约3 d b 增益，但反向泵浦噪声系数将比同向泵浦高1 5 d b ，所以二者相结合的 双向泵浦可实现高增益和低噪声。 图1 - 3 典型f - 呻线性腔掺铒光纤激光器 一3 - 婶 ” 婶 婶 m -兽兽j鼍，葺皇_吒 天津大学硕士学位论文第章掺铒光纤激光器概述 图i - 4 典型环形腔掺铒光纤激光器 ( 2 ) 环形腔掺铒光纤激光器n 钔 环形腔掺铒光纤激光器结构如图1 - 4 ，将激光二极管l d 的高功率激光作为泵 浦光，由9 8 0 1 5 5 0 n mw d m 耦合器耦合到掺铒光纤中构成环形谐振腔，隔离器的作 用是保证激光的单方向传输、提高激光输出的稳定性，耦合比可视要求而定。 ( 3 ) 其他方案 能获得更好的激光输出的谐振腔也是现在掺铒光纤激光器发展的一个方向。 天津大学硕：t ：学位论文第一章声光可调谐掺铒光纤激光器 第二章声光可调谐掺铒光纤激光器 宽带可调谐掺铒光纤激光器的波长调谐元件是集成光学声光可调谐波长滤 波器( i a o t f ) ，因而i a o t f 的工作特性决定了可调谐光纤激光器 1 5 1 的波长调谐 性能。集成光学声光可调谐滤波器( i a o t f ) 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，并且可以多波长同时滤 波。因而，在波分复用( w d m ) 网络中得到广泛的应用。 2 1 作为调谐元件的声光可调谐滤波器 ( 1 ) 简介 1 2 “ t t t 一i l 臣 凡i l lj ，一 l、l 髦 _7 _ | ； 1234 56 图2 - 1 依赖于偏振的共线型声光可调谐滤波器的基本结构 1 , 5 声吸收器2 叉指换能器3 声波导4 光波导6 t e 通偏振器 声光可调谐滤波器( a o t f ) 可分为集成波导型和光纤型【1 7 】。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1 8 i a o t f 。共线型 a o t f 的基本结构如图2 1 所示，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 天津大学硕一j ：学位论文 第二章声光可调谐掺铒光纤激光器 群意赫剖协- ，等= z 掣莓c 飘以唧一一聊等) 少 c 黑聊2 署肛( 础) 乞( 郴) 珊( 列砒 ( 2 - 2 ) c 乳佰= 詈p 知( 琊) 乞( 那) ( 犯) 砒 = i 陋一聊i 一所竿= o ( 2 - 3 ) 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐掺铒光纤激光器 其中无为声波频率，k 。= 2 么= 2 万多钐为声波的传播常数，刀为声表面波波 长，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 模大。 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2 1 。因此，( 2 4 ) 式右边的符号取决于声波相对于光波的传播方向以及k r e 和l 的相对大小。 表2 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 七 ，一 ， 声波与光波反向传播 一 。 ， 幸该表格足针对负单轴晶体( 门 n 尼) ，对于正单轴晶体，频移情况刚好与之相反。 i i 声功率需求 声光相互作用长度l 一定时，t e c ： t m 转换效率与声波功率的关系见图2 3 。 0 51 01 520 2 5 3 0 3 5 l e n g t ho fa e o u s t o - o p t i ci n t e r a c t i o n l 0 图2 - 2t e c ，t m 转换声波功率与相互 作用长度的关系( 转换效率为1 ) c 殳 器 量 星 c 口 = o2 4 68 1 01 21 41 61 8 p o w e ro fa c o u s t o p o 图2 3t e c ： t m 转换效率与声波 功率的关系( l 一定) 可以得到图2 4 所示的滤波器的理论滤波曲线。图中滤波器的滤出线宽是用 声波的频率表示的，换算成光波长表示约为1 6 4 n n a 。 0 8 6 4 2 o 1 0 0 0 0 o 6 4 2 o 8 6 4 2 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 。厶o苗t10uko矗oi 天津大学硕士学位论文 第二章声光可调谐掺铒光纤激光器 1 7 31 7 41 7 51 t 6 1 7 t a c o u s ti cf r e q u e n c y ( 瓶z ) 、 图2 4 单级共线型滤波器的理论滤波器曲线 i i i a o t f 的性能测试 我们将实验室已经作成的单级共线型滤波器作为分光元件，分别测试了实验 室的e d f a 和d f b 的光谱。测试装置示意图为： t e r 图2 - 5e d f a 光谱测试装置图 图2 - 6d f b 光谱测试装置图 图中的p c 为偏振控制器，因为我们的滤波器是依赖于偏振的( 如图2 1 ) ， 我们需要调节p c ，使输入光为t m 光。 1 xl 1 5 hi i i m i ( m 】 图2 7 用a o t f 测得的e d f a 的光谱图图2 - 8 用a o t f 测得的d f b 的光谱图 图2 7 和图2 8 分别为用a o t f 作为分光元件测定e d f a 和d f b 的光谱图，图 2 - 9 和图2 1 0 是用反射光栅作为分光元件得到的e d f a 和d f b 的光谱图。用 a o t f 和反射光栅测得的e d f a 光谱基本上是一样的，而得到的d f b 的光谱却 有较大差别，由此可知，我们的滤波器能测出谱宽较大的光谱，对于测试谱宽比 滤波器自身的谱宽窄( d f b 的线宽小于0 2 n m 远小于滤波器线宽1 6 n m ) 的光谱， 0 8 6 4 2 0 l 叽 叽 叽 叽 叽 刊uc一u州田矗。州讥-_i_iou 哪 泓 哪 哪 蚴 懈 懈 o o o o o o o -n o三苟比 咖 一 一 一 一 一 吣 - 考l o 上l e 五芷 天津大学硕。i ：学位论文第_ 章声光可调谐掺铒光纤激光器 只能得到滤波器自己的光谱图。这样，我们需要将我们的滤波器进行优化改进， 压缩它的侧瓣，将它的线宽最大限度的减小，使它能滤出更窄线宽的光，适应更 多的应用。 5 蚰坪蝎 啪t 韩t 碍口 ( n m ) 5 7 3 d1 曰3 51 5 7 4 01 5 4 jl f f i 0 州 图2 - 9 用光栅测得的e d f a 的光谱图图2 1 0 用光栅测得的d f b 的光谱图 2 2 准共线型声光可调谐滤波器的基本结构及原理 我们提出了一种新颖的线形腔结构的掺铒光纤激光器啦! 。它以两级准共线 a o t f 作为调谐元件，两级滤波器共用同一个声波导，只用一个射频信号驱动，不 仅结构简单，而且调谐方便、可靠。a o t f 除了作为调谐元件之外，还起着频移器 和偏振器的作用，既防止空间烧孔效应的出现，又使输出激光是线偏振光。这种 调谐结构与未泵浦低掺铒光纤做成的饱和吸收体联用，保证了激光的单频输出。 准共线声光可调谐掺铒光纤激光器的结构如图2 - 1 1 所示。9 8 0 n ml d 泵浦的 掺e r 3 + 光纤作为增益介质，泵浦光经9 8 0 1 5 5 0 n mw d m 耦合器耦入掺e r 3 + 光纤； 两级准共线耦合的声光可调谐滤波器作为调谐元件；谐振腔的末端连接一段未泵 浦的低掺铒光纤作为饱和吸收体，用以稳定激光器的输出频率；p c 是偏振控制 器，用以控制端口a 、b 的偏振态呈正交状态。 图2 1 l 准共线声光可调谐掺铒光纤激光器的结构示意图 9 嘣 珊 一 一 哪 一 言o正ileie丘 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐掺铒光纤激光器 调谐器件a o t f 中，每一级滤波器均由两个t e t m 模分离器【2 3 】和一个t e t m 模转换器【1 6 】组成。模分离器采用指向耦合器形式，可以与光波导在同一次钛扩散 中完成。图1 中的m s l 、m s 2 、m s 3 和m s 4 就是模分离器( 其中对于m s l 和m s 4 ， t e 模是直通的，t m 模是叉通的，而对于m s 2 和m s 3 ，t m 模是直通的，t e 模是 又通的) 。t e t m 模分离器保证了激光器的输出为单偏振态，并且使相向传播的 信号光在未饱和吸收体中形成良好的驻波干涉。模转换器的组成与第一章所阐述 的是一样的，即由叉指换胄匕器r ( i d t ) 、声波导和光波导组成。光波导和声波导采 用准共线权重耦合结构，可以有效地抑制侧瓣。t e t m 模转换效率可以通过求解 耦合模方程得到，前面章节已经给出了较为详细的理论分析与实验研究。 t e t m 模相互转换过程中，为了满足能量守恒和动量守恒，滤出光波的中 心频率将有一定的频移。根据表2 1 的分析，其中一级a o t f 使中心频率下降兀 ( 疋为所加声波频率) ，另一级使中心频率上升丘，因此正反向传播的光波在增 益介质中频率相差2 c ，不会形成驻波，防止了空间烧孔效应的产生。 作为饱和吸收体的低掺铒光纤中，两束相对传输的光波在其中干涉形成驻 波，由于饱和吸收效应的存在，在驻波的波腹处，对信号光的吸收较强，而在波 峰处，对信号光的吸收较弱，即吸收系数沿光纤轴向方向呈周期性变化。根据 k r a m e r s k r o n i g 变换关系，吸收系数的周期性变化将使光纤的折射率产生周期性 调制，因此在饱和吸收体内形成瞬态布喇格光栅【4 1 。瞬态光栅的周期为 a = 2 0 2 n 酊( 厶为谐振波长，疗酣是有效模折射率) ，即光栅周期随谐振波长而 改变，起到自动跟踪窄带滤波器的作用。 天津大学硕 学位论文第三章光纤布拉格光栅的应用研究 第三章光纤布拉格光栅的应用研究 上一章所提及的准共线声光可调谐掺铒光纤激光器的调谐元件尚未研制成 功，因此在了解可调谐滤波器的基础上，我们考虑光纤布拉格光栅在掺铒光纤激 光器中的应用。 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形 成的光纤波导器件【2 4 1 。利用光纤光栅可以制成满足各种光纤通信要求的有源和无 源器件。根据特定的光栅结构，光纤光栅可以作成滤波器、反射器、色散补偿器 等。由于光纤光栅器件易于与光纤连接，对偏振不敏感适应光纤中光偏振态的随 机变化，在光纤通信中与其他光波导器件相比有着明显的优势。光纤光栅器件在 光纤通信及光纤传感领域有着广泛的应用。 3 1 光纤布拉格光栅的基础理论 3 1 1 光纤布拉格光栅的基本原理汹1 光纤布拉格光栅是最早发展出来的光纤光栅，也是应用最广泛的光纤光栅。 光纤布拉格光栅的折射率成固定的周期性调制分布，即调制深度和光栅周期均为 常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。当光经过光纤布拉格光栅时，对满足 布拉格相位匹配条件的光产生很强的反射；对不满足布拉格条件的光，由于相位 不匹配，只有很微弱的部分被反射回来【2 6 】。 a + f 0 a ( 0 一a + i j - 一a l i 图3 - 1 具有正弦结构的滤波型光纤光栅示意图 如图3 1 所示的最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光栅，在光纤光栅中传 天津大学硕士学位论文 第三章光纤布拉格光栅的应用研究 输的前向和后向两种模式间的耦合波方程为 华：一i k a _ e x p ( f 峨) ( 1 ) 化 一da_：一ik+彳+exp(f厦)(2)dz +1、2、7 式中，a + ( z ) 、么一( z ) 为入射波和反射波的复振幅，舻= 厦一屈一_ + t 2 - ，人为光栅 周期，级、尻为入射波和反射波的传播常数，k ：孕，是耦合系数，瓯为折 射率调制深度，也就是正弦光栅的幅度。九= 2 n 人为布拉格波长，锄为有效 模折射率。对于长度为l 的光栅，有边界条件：a + ( 0 ) = l ，a 一) = 0 解耦合方程( 1 ) 可得光纤光栅的反射率为： 尺= i 劁= 瓦熹筠悲忑，肌s = 历i 万。 “纵o ) i s 2 c 厅：( 乩) + ( 以) 2 s 厅：( 乩) 一r “、2 筇= o 时有最大反射率：尺一= t a n h 2 i k i l ) = t a n h 2 ( 蒯。) 显然，最大反射率对应的波长即为布拉格波长。反射率分布可以用曲线表示： 1 o c 吝0 5 0 0 2 01 00 1 0 8 b ( 入) l 图3 2 反射率分布曲线 反射主峰带宽近似有旯= 2 s n n 够币磊丽，n 为光栅面个数。可见这种滤 波器的特性可通过调整光纤光栅的结构参数来改变。 3 1 2 光纤布拉格光栅的应用范围 光纤光栅易于同光纤系统集成，已在光纤通信、光纤传感和光信息处理等领 域得到了广泛应用，主要应用如下【3 8 口3 9 】： 天津大学硕士学位论文第三章光纤布拉格光栅的应用研究 1 半导体激光器 在半导体激光器的尾纤上靠近输入端写入窄带布拉格光栅，只要光纤布拉格 光栅的反射波长在半导体的增益带宽范围内，就可以得到相应布拉格波长的单模 激光输出。因此，在半导体激光器的稳频中得到了广泛应用。 2 光纤激光器 利用光纤光栅的窄带滤波可实现稳定的、高功率的线型腔和环型腔激光输 出，无论在连续激光器还是脉冲激光器中都有应用。 3 光纤滤波器 不同类型的光纤光栅具有不同的透射或反射特性，可直接作为带通滤波器， 若与光纤耦合器或环形器结合可得到相反滤波特性的带反滤波器 2 8 】。 4 光纤传感器 基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对其布拉格波长的调制来获取传 感信息，这是一种波长调制型光纤传感器。在各种监测仪器的通用化中得到了广 泛的应用。 3 2 光纤布拉格光栅在本课题中的应用 首先以基于光纤光栅外腔半导体激光( f b g - k - e c l ) 的波长变换为例【2 9 】。 图3 3 基于光纤光栅外腔半导体激光示意图 波长变换器的结构如图3 3 所示。即将信号光直接注入到f 呻腔激光器中， 通过增益饱和效应来调节谐振波长的增益大小，将信号光中的码流信息直接调制 到探测光中，并使用光纤光栅窄带滤波器实现探测波长高透、单频谐振输出，从 天津大学硕士学位论文第三章光纤布拉格光栅的应用研究 而能够实现信号的波长转换，对连续运转激光器进行高速的直接光调制。 由图可见外部的信号光经耦合器和环形器2 口进入半导体激光器，当外部信 号光为“1 ”时，激光器对其本身激发光的增益下降，所以激光振荡被抑制，输 出为“0 ”：而当外部信号光为“0 ”时，不影响半导体激光器连续激光输出“1 ”。 这样，信号光的信息就转换到激光器的输出波长上，但是两者反相。由于采用光 纤光栅外腔激光器，使得输出波长非常稳定。 由于光栅具有选模作用，变换后的波长由光栅的反射波长决定，因此要实现 可调谐的波长变换，可以通过改变光纤光栅的反射波长来实现。光纤光栅的反射 波长由其周期决定，目前改变其周期的主要方法有温度和应力调谐，其中利用应 力调谐的效果要明显好于温度。 3 2 1 基于光纤布拉格光栅原理的饱和吸收体波长变换 在非线性传输效应的研究当中，强场作用下的饱和吸收效应是一个不容忽视 的现象。在弱场作用下，即考虑线性吸收情况，吸收系数是一个常数；在强场作 用下，吸收系数并不是一个常数，吸收系数会随着场的增加而下降。这时激光穿 过介质的传输效应会有很大的不同，这直接影响到位移、偏折效应、干涉效应及 光功率传输等光学行为。所谓饱和吸收效应是指在强场作用下吸收系数会随着场 的增加而下降【3 0 1 。 在上一章提出的环型腔实验中，如图3 4 所示，低浓度掺铒光纤在往返光波 干涉下，由于饱和吸收效应，形成瞬态布拉格光栅，通过选模作用滤出所需波长 的光，达到进一步压窄线宽的作用。下面对瞬态布拉格光栅的形成和滤波参数进 行详细说吲3 1 1 。 图3 4 环形腔掺铒光纤激光器结构图 天津大学硕士学位论文 第三章光纤布拉格光栅的应用研究 本实验的低掺铒光纤中，两束相对传输的光波在其中干涉形成驻波，在驻波 的波腹处，吸收系数大，对信号光的吸收强，而在波峰处，吸收系数小，对信号 光的吸收弱。可见，吸收系数沿光纤轴向方向呈周期性变化( 如图3 - 5 所示) 。 根据k r a m e r s k r o n i g 变换关系，吸收系数的周期性变化将使光纤的折射率产生 周期性调制，因此在饱和吸收体内形成瞬态布喇格光栅 3 2 】。瞬态光栅的周期为 a 2 z 疗谚( 九为谐振波长，刀e f t 是有效模折射率) ，即光栅周期随谐振波长而改 变，起到自动跟踪窄带滤波器的作用【3 3 1 1 3 4 】【3 5 。 l o w e ri n t e n s i t y ( h i g h e fa b s o q o t i co e f f i e i e r l i = ) 图3 5 饱和吸收体中吸收系数沿轴向的周期性变化 由于铒元素的增益带宽比瞬态光栅的反射带宽大得多。因此，可以认为在光 栅的反射带宽内铒元素对激光器内各纵模的增益是均匀的，所以模式选择机制只 能来自于瞬态光栅。光栅的窄带反射特性限定了分布布拉格反射腔中很窄波长范 围内行进的光才能得到增益，一旦偏离这个范围，损耗将急剧增加而不能满足激 射条件。理想情况下，即假设光纤的折射率调制沿轴向是均匀的，在弱波导的情 况下，瞬态布喇格光栅的反射率和半高带宽( f w h m ) 可以表示为p 6 j ： r g ( 五) = k k + s i n h 2 ( s l g ) s 2c o s h 2 ( s l g ) + ( z x 7 2 ) 2s i n h 2 ( s l g ) k k s i n 2 ( s l g ) s 2c o s 2 ( s l g ) + ( 鲈2 ) 2s i n2 ( s l g ) k k f a p 2 ) 2 k k 口o + 詈n 式中托、y ：分别代表“损耗最小”的两个模的损耗，口。代 表模式增益。在这一条件得到满足后，模式1 即主模将会工作在稳态，而模式2 由于损耗大于增益，受到了抑制，于是激光器就处于单模工作状态。 作为饱和吸收体的掺铒光纤中，饱和吸收与未饱和吸收引起的折射率变化， 即瞬态光栅的折射率调制可以通过k