（光学专业论文）掺镱光纤激光器和放大器研究.pdf

论文题目：掺镱光纤激光器和放大器研究 当科堂皇工程系( 所)迸堂专业 q 卫届研究生一鎏建生指导教师塾蕉篪煎援 摘要： 本文首先介绍了使用光纤b r a g g 光栅作为反射器的掺镱光纤激光器，并描述了 在输出光谱中发现的激光波长相对于光纤光栅反射中心偏移的现象，偏移量相当于 光纤光栅反射带宽的一半。通过采用带宽为44 r i m 的窄带滤波器和一个反射镜来代 替光纤光栅的方法证明了红移在o 2 5 n m 左右且不会更大了。然后采用激光增益线 型的有关理论，对这一现象进行了定量分析，理论结果和实验结果符合的很好。 然后介绍了在用掺镱光纤光栅作为反射器的掺镱光纤激光器中，产生的稳定 的纳秒级脉冲序列，它在锁模工作区域内最大输出平均功率为3 r o w 。我们认为产 生自锁模的原因是：由于掺镱光纤光栅中的镱离子没有被完全泵浦而对振荡激光吸 收饱和，并且因为光纤光栅对激光带宽的约束作用能够产生稳定的脉冲序列。同 时，激光器的锁模现象具有一定的工作区域，工作区域由掺镱光纤的掺杂浓度，掺 镱光纤的长度，以及泵浦功率决定。 在最后，围绕着掺镱双程放大器的制作，先后阐述了掺镱光纤放大器的理论模 型、泵浦波长的选择和光纤放大器的结构设计、并从理论上探讨了小信号增益系 数、增益饱和与饱和输出功率及放大器的噪声等放大器的基本特性。接着分析了采 用光纤光栅温度控制的方法对光纤光栅反射波长进行控制的技术，具体描述了温控 电路的设计思想和加热装置的制作。然后，就掺镱双程放大器的实验装置和有关参 数的测量进行了阐述。给出了输入信号分别在脉冲信号和连续信号时的放大器参 数，诸如小信号增益、输入信号与增益、输入与输出光谱( 脉冲信号) 、及噪声系 数等，并对这些实验结果进行了讨论。 关键词：掺镱光纤激光器双程放大器红移脉冲 论文题目：y t t e r b i u m - d o p e d f i b e rl a s e ra n df i b e ra m p l i f i e ro i g i a l s c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g _ 系( 所)q 匹受专业 盟届研究生j i a n z h o n gl i a n g 指导教师p r o f d i e c h i s u n s u m m a r y ： i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，al a s i n gw a v e l e n g t hs h i f tf r o mt h er e f l e c t i o nc e n t e ro f f i b e r b r a g g g r a t i n gt ol o n g e rw a v e l e n g t h i nay b d o p e d f i b e rl a s e rh a sb e e ni n t r o d u c e da tf t r s tt h e w a v e l e n g t hs h i f ti sa b o u th a l f o f t h eg r a t i n gb a n d w i d t h a n di td o e sn o ld e p e n do nt h e t e m p e r a t u r e o rt h er e f l e c t i o no f f i b e r b r a g gg r a t i n g b yr e p l a c i n gt h ef i b e rg r a t i n gw i t ha n i n t e r a c t i v ef t k e ra n dab r o a db a n d m i r r o r ，w eh a v ep r o v e dt h er e ds h i ri sa b o u to2 5 n ma t m o s tw h i l ei tm a yb el i m i t e db yt h ef i b e r g r a t i n gw e h a v eu s e dt h et h e o r yo f l a s i n g g a i n p r o f i l et oe x p l a i n t h i sw a v e l e n g t h s h i f t ，q u a n t i t a t i v e l y ，a n di t i sw e l lc o i n c i d e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e n ，w er e p o r t e dt h a tas u bn sp u l s eh a sb e e ng e n e r a t e df r o mas e l fm o d e - l o c k i n g y b d o p e d f i b e rl a s e ru s i n gy b d o p e d f i b e rb r a g g g r a t i n ga sa r e f l e c t o r t h es e l fm o d e 。 l o c k i n gi sc a u s e db yt h es a t u r a b l ea b s o r p t i o no f l a s e rp h o t o n si ni n s u f f i c i e n tp u m p e d p a r to f t h ey bd o p e d f i b e rb r a g g g r a t i n g a n dt h e f i b e r g r a t i n gc a nr e s t r i c tt h el a s e rb a n d w i d t h t op r o d u c es t a b l ep u l s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es e l f m o d e - l o c k i n gf i b e rl a s e rh a s b e e n i n v e s t i g a t e da n d i ti n d i c a t e st h a tt h e m o d e - l o c k i n gh a s as t a b l er a n g et h a td e p e n do nt h e p u m pp o w e r , t h ef i b e rl e n g t ha a d t h ed o p a n tc o n c e n t r a t i o no f t h ey t t e r b i u m d o p e df i b e r t h e a v e r a g eo u t p u tp o w e r a b o u t3 m wi so b t a i n e du n d e rs t a b l em o d e - l o c k i n gc o n d i t i o n i nt h ee n d ，a y t t e r b i u m - d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ( y d f w i t h d o u b l e p a s ss t r u c t u r e i s d i s c u s s e da f t e rd e m o n s t r a t e dt h e m o d e l i n go f y d f a s a n d a m p l i f i e rc o n f i g u r a t i o n s ，w eh a v ed i s c u s s e ds m a l l - s i g n a lg a i n 、g a i ns a t u r a t i o na n d a m p l i f i e rn o i s e ，t h e o r e t i c a l l yu s i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o lo nf i b e rg r a t i n g ，t h er e f l e c t i o n c e n t e ro f t h ef i b e rg r a t i n gh a sb e e n c o n t r o l l e d d e s i g nm e t h o do f c o n t r o lc i r c u i ta n d f a b r i c a t i o no f h o td e v i c ea r e i n t r o d u c e d ，t o o t h e n , e x p e r i m e n t a ls e t u p i sd e s c r i b e d a t l a s t ，w ed i s c u s s e ds e v e r a le x p e r i m e n t a lr e s u l t sw h i l ei n p u ts i g n a la r ep u l s e sa n d c o n t i n u o u s - w a v e ，r e s p e c t i v e l y t h e s er e s u l t si n c l u d es m a l l - s i g n a lg a i n 、g a i ns a t u r a t i o n a n d a m p l i f i e rn o i s e k e yw o r d s ：y t t e r b i u m - d o p e df i b e r ；f i b e rl a s e r ； d o u b l e - p a s sf i b e ra m p l i f i e r ；r e ds h i f t ；p u l s e s 第一章绪论 近几年来，光纤通信在宽带网络技术急速发展的推动和信息呈爆炸式增长 需求的牵引下，发展速度比以往任何时候都更加迅猛。以d w d m 和掺铒光纤放大 器( e d f a ) 为代表的宽带技术使系统带宽的增长比著名的c p u 性能增长的摩尔定 律( 约1 8 个月翻一番) 还要快2 、3 倍，主干光纤通信带宽大约每6 9 个月翻 一番。由于每g b i t - 公里的传送成本迅速下降，可视电话、视频会议等一系列 与宽带有关的产品和业务也将迅速增长。 伴随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术的不断成熟“ 2 3 和相关的a l g a k s 、i n g a a s 半导体激光器泵浦源的商品化，掺镱光纤激光器和放大器也得到了很大的发展。 o 钔掺镱光纤放大器由于其适合用作高功率激光前端系统，飞秒光脉冲放大， 而为人们所注意 6 ，而掺镱光纤激光器则因为能够得到大功率、宽频带的输出 而被人们进一步发展 6 3 7 3 。本文仅对f - p 型掺镱光纤激光器中发现的在光谱域 和时间域的新现象以及掺镱双程光纤放大器的特性进行了介绍和讨论。 1 掺镱光纤的能级结构和特性 y b ”离子可掺入固体或石英光纤材料中，作为激光增益介质，或与其它稀土 元素共掺杂作为能量传递介质陋 。长期以来y b ”离子最重要的应用只是作为 种激活离子与其它稀土元素离子共同掺杂，y b ”离子吸收泵浦光子的能量后， 把能量传递给其它受主离子，如e r ”、h 0 ”等，y b ”离子并不直接发生能级跃迁 而产生激光，而仅仅只是作为一个能量传递工具。掺y b ”光纤激光特性的研 究和发展从八十年代中后期开始，1 f b ”离子掺入石英或氟化物光纤中，作为一 种激光介质开始受到人们的重视，并取得了很多进展【9 】。 对y b “离子激光的兴趣主要是由于以下几个方面的原因： “y b 3 + 离子的能级结构非常简单。 3 3 y b ”离子在掺入石英等基质材料后，其能级发生变化，从而其吸收和发射 光谱也要发生很大的变化。通常由于基质材料中电场的非均匀分布的影响引起 y b 3 + 能级的s t a r k 分裂，消除了原来存在的能级简并，从而相应的吸收和发射光 谱将出现精细结构。另外一个因素就是y b ”能级加宽。第一种是声子加宽，当 两个能级之问发生跃迁时将发生某种形式的能量交换，包括声子的产生和湮灭。 在给定的温度下，存在一个声子能量的分布，从而将引起吸收和发射的波长扩 展：第二种加宽机制来源于基质电场对能级的微扰。掺y b ”只包含有两个多重 态，基态2 r 2 ( 含有4 个s t a r k 能级) 和一个分离的激发多重态2 f s 2 ( 含有三个s t a r k 能级，在基态以上0 0 0 0 c m 的位置) ，因此在泵浦波长处和信号波长处都不存 在激发态吸收( 由此引起泵浦效率降低) ；大的能级间隔( 2 f 5 ，。和2 f 7 2 ) 也阻碍了 多光子非辐射弛豫及浓度碎灭现象的发生。上面几种因素引起的泵浦转换效率 的降低也会引起激光介质热效应增加的问题( y b ”：y a g 的热效应比n b 3 + ：y a g 小三倍) 。 图卜1 是一个掺1 f b ”光纤中y b 3 + 离子的能级结构图。 2 f 2 f 。6 2 7 ，_ ：2 图i - i 掺y b ”光纤中y b 3 + 离子的能级结构图 1 e m 。稿：! ：! lj l _ e o i 董11 0 0 0 量 o 皇8 0 d ，蠢9 d 叠 0 6 c b6 q o a 。0 ( 2 ) 掺y b ”石英光纤的吸收和发射谱带很宽。 4 1 图卜2 是一个掺y b 3 + 光纤中y b ”离子的吸收和发射截面图。在石英基质中， y b ” 离子有两个吸收峰9 i 0 和9 7 5 n m ( 图2 中的实线) ，具有潜在的从9 8 0 i 1 6 0 n m 激 光发射谱段( 图2 中的虚线) 。对短波辐射跃迁，y b 3 + 能级系统是一个三能级系 统；而对长波辐射跃迁，掺y b ”系统是一个四能级系统。掺y b ”光纤系统中特别 是在磷酸盐基质中，很宽的吸收谱带可以使泵浦光源的选择具有更多的灵活性； 而宽的发射谱带使得可以通过腔镜的选择得到很宽调谐波长范围和超短光脉冲 的激光输出。 2 图卜2 掺y b 3 + 石英( 掺锗) 光纤的吸收和发射截面图 2 掺镱光纤激光器的背景及应用 对掺y b ”光纤激光器，由于其具有很宽的吸收光谱带，可供选择的泵浦激 光器主要有a 1 g a a s 、i n g a a s 半导体激光器、钛宝石固体激光器、n b ”：y a g 激 光器和n b ”：y l f 激光器等。这些激光器，特别是半导体激光器，随着工艺的成 熟、价格降低而输出光功率又越来越高，这给掺y b ”光纤激光器和放大器的大 功率化提供了先决条件。而随着光纤光栅技术的完善和产业化，使用光纤光栅 可以在掺y b ”光纤广阔的光谱带上的任意波长得到窄线宽的激光输出。这也是 引发人们对掺1 f b ”光纤激光产生兴趣的一个十分重要的原因。 随着高性能泵浦光源的完善和人们对掺y b 3 + 光纤潜在优势的认识，对掺j f b ” 光纤的研究开展的也越来越多。1 9 8 7 年，d c h a n n a 等 1 叫在掺y b ”光纤激光器 中得到从1 0 1 到1 1 6 2 u r n 的调谐激光输出，同时在1 1 2 u m 实现了激光输出。 1 9 9 4 年h m p a s k 等首先在掺y b 3 + 石英光纤中实现覆层泵浦，得到了8 0 的光转 换效率，实验中得到了最大0 5 w 的1 0 4 0 n m 激光输出。 l lp a s k 1 “等采取的掺 y b 3 + 光纤结构与普通掺y b ”光纤不同，在4 2 5 l am 掺y b 3 + 的纤芯外又形成了一个 直径为1 2 7 5um 外芯( 也称为内c l a d d i n 亩，这样内纤芯对信号光而言是单模， 而外芯对泵浦光而言是多模，这样大大增加了泵浦光的接受面积，使得更大功 率的泵浦光可以进入光纤内，从而得到更大功率的信号光。双包层光纤结构的 出现对大功率光纤激光器和放大器来说是一个具有重大意义的技术突破，它对 光纤激光摆脱通常人们认为是小功率器件的印象是一个里程碑。 2 0 0 0 年1 月报道了工作在1 0 9 0 n m 的掺镱双包层光纤调q 激光器，输出脉 冲能量为2 3m j 、重复频率为5 0 0 h z 、输出平均功率为5w 3 。掺y b ”光纤超快 激光光源随着人们对掺y b ”光纤激光特性研究的深入，对掺y b ”光纤在超短光脉 冲产生和高功率光纤放大方面的探索也在逐步开展。掺y b ”光纤的饱和能流为 e s a t = 0 3pj u 舒，对1 0 3 0pm 波长，其上能级寿命8 7 0ps ，损伤闽值为 3 0 u c m 2 ，在9 7 4 n m 处，其发射截面为3 5 p m 2 ，而吸收截面为l i5 p m 2 ，而在l0 3 6 um 处其发射截面为0 6 p m 2 ，而发射谱带宽在2 3 0 r i m 以上，其带宽可支持小于 1 0 0 f s 以下的光脉冲宽度。下面将介绍高功率光纤放大方面的内容。 3 掺镱光纤放大器的背景及应用 自从1 9 8 5 年掺e r 光纤放大器发明以来，由于其在通讯方面的应用为人 们所重视。然而，它并不适合用作高功率激光系统的泵浦源。于是，信号放大 区域位于9 7 5 n m 到1 2 0 0 h m 广阔波长范围的掺镱光纤放大器便渐渐被人们所注 意。而且，使用了双包层结构或粗芯结构的掺镱光纤后，掺镱光纤放大器能够 提供很高的输出功率和很好的能量转换效率。 掺y b ”光纤的宽带增益使人们对把它作为一种优良的超短光脉冲放大介质 寄予很大的希望。1 9 9 6 年利用y b 3 + 的磷酸盐光纤放大掺t i ”宝石激光器产生的 飞秒激光，得到了最高达l o uj 的光脉冲 1 “。 近年来，对利用掺y b ”光纤的超短光脉冲产生与放大技术已受到越来越多 的关注。2 0 0 1 年6 月，报道了采用2 5 朋z 芯径的掺砀“光纤放大器，输出了脉 冲能量为1 0 0 “j 的2 2 0 f s 光脉冲。采用两级结构的情况下达到了输出平均功率 为5 5 ，重复频率为l h 珏乜的放大信号。 1 ” 掺y b ”光纤激光具有广泛的应用潜力。掺y b ”光纤1 0 2 0 r i m 可以用来泵浦1 3 “m 的光纤放大器和p r ”：z b l a n 的上转换可见光光纤激光器；1 1 4 0 n m 激光可用 来泵浦掺t m 3 + 光纤产生上转换可见光激光或荧光光源；也可作为光参量振荡器 与放大器的泵浦源；还可以作为超连续谱产生的激光源；l - 0 5 3um 处飞秒量级 脉宽的掺y b ”光纤激光还可作为超大功率固体超短光脉冲放大器( 如n d ”： g l a s s ，等) 的振荡级；而采用光纤光栅元件可构成具有极窄带宽的掺y b 3 + 光纤 激光输出，其调谐范围将很宽，应用将相当广泛。 4 本文内容安排 本文首先在本章回顾了掺镱光纤的能级结构、吸收光谱和发射光谱，讨论 了掺镱光纤作为光纤激光器和光纤放大器的增益介质的优点。然后分别介绍了 掺镱光纤激光器和掺镱光纤放大器的历史背景和发展状况以及它们的应用范 围，阐述了对它们进行深入研究的重要性。 4 在本文的第二章接着详细介绍了在基于光纤b r a g g 光栅作为反射器的掺镱 光纤激光器的输出光谱中发现了激光波长相对于光纡光栅反射中心偏移的现 象，偏移量相当于光纤光栅反射带宽的一半。我们通过采用带宽为44 n m 的窄 带滤波器和一个反射镜来代替光纤光栅的方法证明了红移在o 2 5 n m 左右而不会 更大了。然后采用激光增益线型的有关理论，对这一现象进行了分析。 在第二章的第二部分介绍了用掺镱光纤光栅作为反射器的掺镱光纤激光器 中，产生了稳定的纳秒级脉冲序列，在锁模工作区域内最大输出平均功率为 3 m w 。我们认为产生自锁模的原因是：由于掺镱光纤光栅中的镱离子没有被完 全泵浦而对振荡激光吸收饱和，并且因为光纤光栅对激光带宽的约束作用能够 产生稳定的脉冲序列。同时，激光器的锁模现象具有一定的工作区域，工作区 域由掺镱光纤的掺杂浓度，掺镱光纤的长度，以及泵浦功率决定。 在第三章中围绕着掺镱双程放大器的制作，先后阐述了掺镱光纤放大器的 理论模型、泵浦波长的选择和光纤放大器的结构设计、并从理论上探讨了小信 号增益系数、增益饱和与饱和输出功率和放大器的噪声等放大器的基本特性。 接着分析了采用光纤光栅温度控制的方法对光纤光栅反射波长进行控制的技 术，具体描述了温控电路的设计思想和加热装置的制作。然后，就掺镱双程放 大器的实验装置和有关参数的测量进行了阐述。给出了输入信号分别在脉冲信 号和连续信号时的放大器参数，诸如小信号增益、输入信号与增益、输入与输 出光谱( 脉冲信号) 、及噪声系数等，并对这些实验结果进行了讨论。 第二章掺镱光纤激光器研究 光纤激光器的研究为人们所重视是因为它在激光光谱，光通讯，光纤光学传感 器，光学信号传输和波长转换等方面的应用 2 】。掺稀土光纤，如掺e r 3 + 、掺y b ” 光纤，都拥有很宽的吸收带宽和发射带宽，采用光纤光栅作为腔镜的掺稀土光纤激 光器可以在大于1 0 0 r i m 宽的发射带宽上取得任意波长的激光输出 3 1 。 对掺y b ”光纤激光器，由于其具有很宽的吸收光谱带，可供选择的泵浦激光器 主要有a i g a a s 、i n g a a s 半导体激光器、钛宝石固体激光器、n b ”：y a g 激光器和 n b ”：y l f 激光器等。这些激光器，特别是半导体激光器，随着工艺的成熟、价格 降低而输出光功率又越来越高，这给掺y b ”光纤激光器的大功率化提供了先决条 件。而随着光纤光栅技术的完善和产业化，使用光纤光栅可以在掺y b ”光纤广阔的 光谱带上的任意波长得到窄线宽的激光输出。这也是引发人们对掺y b 3 + 光纤激光产 生兴趣的一个十分重要的原因。 2 1 光纤激光器中激光波长相对于光纤光栅反射中心的偏移 1 引言： 自从1 9 8 9 年在光纤上制作光栅的紫外光全息写入技术问世以来f 4 】，光纤光栅 除了在波分复用技术中有着广泛应用之外，人们还将光纤光栅用作光纤激光器的反 射器，以获得窄线宽的稳定激光输出，实现波长可调谐嘲f 6 】。而使用光纤光栅来制 造这种激光器的潜在诱惑力是显而易见的：工艺简单，集成化，如在合适的光纤中 采用紫外写入技术直接刻制光纤光栅【7 】。 光纤激光器可以采用带宽很窄的光纤光栅作为一个或两个反射器，得到谐振产 生激光口】。这些光纤光栅的反射率非常的高，通过熔接连接在掺镱光纤一端或者用 u v 写入技术直接刻在掺镱光纤上。由于光纤光栅的选频作用，激光器的发射波长 应当被稳定在光纤光栅的b r a g g 中心波长上。在我们的实验中，却观察到了一个不 同的现象。掺镱光纤激光器的振荡波长并不是在光纤光栅的b r a g g 发射中心波长 上，而是相对于光纤光栅反射中心向长波方向有一定的偏移。在我们采用的光纤光 栅的反射半宽度分别为约0 2 n m 和o 4 7 r i m 时，这种偏移达到0 1 n m 和0 2 3 n m ，即 6 偏移到光纤光栅反射带宽的半宽上。而且，激光波长相对于光纤光栅反射中心的长 波偏移并不因为温度，泵浦功率，激光器的腔长等因素的变化而改变。我们通过采 用带宽为4 4 n m 的窄带滤波器和一个反射镜来代替光纤光栅的方法证明了红移在 0 2 5 n m 左右而不会更大了。在本节中，我们在实验上研究了激光波长相对于光纤 光栅反射中心的长波偏移的现象，并采用激光增益线型的有关理论，对这一现象进 行了分析。 2 实验： 掺镱光纤激光器的实验装置如图2 - 1 1 所示。它包括了一个激光二极管泵浦源 ( l d ) 和一个激光腔。作为泵浦源的带尾纤的激光二极管最大输出功率为 1 0 0 m w ，波长为9 7 5 n m ，选择9 7 5 n m 的泵浦源是因为掺镱光纤对9 7 5 n m 波长的激 光有最大的吸收系数【6 】。激光腔包括了掺镱光纤和直接制备在光纤末端的反射率为 9 7 的宽带反射镜，以及熔接在光纤另一端的光纤光栅。其中，激光二极管泵浦源 和反射镜通过一个波分复用器连接在掺镱光纤上。掺镱光纤作为放大介质，长度为 3 米，模场直径6 u m ，9 6 0 h m 的吸收系数为1 7 d b m 。实验中我们采用了刻制在掺镱 光纤和普通石英光纤上两种光纤光栅。常温下光纤光栅的反射峰为1 0 5 27 n m ，反 射半宽为约o2 r i m ，反射率为1 5 d b 。我们用光谱分析仪观察在激光腔两端的输出 情况。 y t t e r b i u m - d o p e df i b e l m i r r o r 9 8 0 r t m , 1 0 5 3 u mw d m c o u p l e r f i b e rg r a t i n g 图2 - 1 1 掺镱光纤激光器结构图 在采用掺镱光纤光栅作为反射腔镜的实验中。在达到阈值以后，激光腔开始振 荡并产生激光。在宽带反射镜后端用光谱仪观察到峰值位于1 0 5 2 8 1 n m 的稳定激光 7 ( 图2 - 1 2 ) 。激光振荡波长相对光纤光栅的反射峰峰值1 0 5 2 7 1 n m 存在偏移。激 光向长波方向偏移了近0l n m ，相当于光纤光栅反射半宽的一半。 为了清楚的观察到这一现象，我们在谐振腔的另一端，掺镱光纤光栅的后面观 察相应的光谱。当泵浦功率没有达到谐振阈值时，所观察到的是掺镱光纤的a s e 的透射谱如( 图2 1 3 a ) 所示。反射峰的最大值即是反射谷的谷底1 0 5 27 1 n r n 。当 泵浦功率超过谐振阈值，激光就开始振荡。由于此时激光谐振刚开始，于是我们 在光纤光栅后面观察到了激光起振时一半是反射谷一半是激光的光谱( 图2 一l 一 3 b ) 。从这张图上可以十分清楚的看出激光峰值相对反射峰红移了0 1 n m 。当泵浦 功率继续加强一直到泵浦最大值时，激光峰值稳定不变，但光强大幅增强，并始终 保持如图2 1 1 的相对反射蜂红移了0 1 n m 的光谱。这证明了激光振荡峰值的确相 对于光纤光栅反射峰值向长波方向偏移了。 1 0 5 1 1 51 0 5 2 o1 0 6 2 51 0 6 3 o1 0 5 3 j1 0 5 4 且 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 - 1 2 掺镱光纤激光器输出激光 为了研究激光波长红移的原因，我们进行了一些实验。 由于考虑到一开始时实验采用的是掺镱光纤光栅，激光峰值的红移可能是光纤 光栅吸收泵浦激光而产生的热效应引起的 9 1 1 。为了判断激光峰值的偏移是否是这 个原因引起的，我们换用普通光纤制作的光纤光栅进行实验。实验结果是，当激光 刚超过谐振阈值时，我们仍在光纤光栅后端观察到了如图2 1 3 ( b ) 所示的一半是反 射谷一半是激光的光谱，激光峰值相对反射峰仍然红移了0 i n m 。这说明了用普通 光纤制作的光纤光栅作为反射镜时，激光波长还是相对于光纤光栅反射中心向长波 方向偏移。所以，这种偏移与光纤光栅的热效应无关。 o加邶啪描铷茄舶郇 一eip)ic bi”e：暑葚t 然后，为了考察这一现象是否对光纤光栅的反射波长有所依赖，我们对光 纤光栅进行了温控。当温度从常温2 0 。c 变化到6 5 。c 时，光纤光栅的反射峰从 1 0 5 27 1 r i m 位移到1 0 5 30 5 n m ，位移了o3 5 n m ( 图2 - 1 - 4 a ) 。而在6 5 。c 时，即光 纤光栅的反射峰为1 0 5 30 5 n m 时，同样在光谱分析仪上见到了0 1 n m 的红移( 图 2 1 4 b ) 。这证明了偏移现象与光纤光栅的反射波长及温度无关。 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 - 1 3 ( a ) 2 0 0 c 掺镱光纤的a s e 的透射谱 ( b ) 2 0 。c 时一半是反射谷一半是激光的光谱 1 0 5 1 51 0 5 2 0t 0 5 2 51 0 5 3 - o1 0 5 3 1 51 0 5 4 o w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 - 1 - 4 ( a ) 6 5 。c 的透射谱 ( b ) 6 5 。c 仍有0 1 r i m 的红移 9 一直p)ic bi咻enj苗。山蚺 砸 m 船 啪彤 啪 书拍 帕 一e c i p ) i c 5le：五口母丘啊 另外，红移可能是由于掺镱光纤和光纤光栅的双折射引起的偏振依赖所引起。 我们采用了两种方法来检验偏振情况。一种方法是使用长短不同的掺镱光纤来改变 信号在光纤中的偏振态，另一种方法是将光纤均匀的绕在直径为l o m m 的金属管 上。在这两种情况下，光纤中的双折射都已改变，但红移没有改变。所以，偏振依 赖并不是红移的成因。 为了进步探索红移现象的原因，我们使用带宽更宽的宽度为o4 7 n m 的光纤 光栅来作为反射器。这时，红移的光谱如图2 1 5 所示。激光波长为1 0 5 3 1 3 r i m ， 相对光纤光栅反射中心1 0 5 2 9 0 n m 红移了o 2 3 n m 。而如前面所述的当光纤光极的 反射半宽为o 2 n m 时，激光的红移为0 1 n m 。这说明了红移被光纤光栅的反射带宽 所限制了。 w 毫1 | f 叠l e f i m h ( n m ) 图2 l - 5 ( a ) 掺镱光纤的a s e 的透射谱 ( b ) 红移为o 2 3 n m 的光谱 因为制作带宽更宽的光纤光栅有技术上的难度，所以为了研究反射带宽更宽时 红移的情况，我们用了一种替代的方法。光纤激光器中的光纤光栅被一个带宽为 羞口一一程co一_二rii百盘n 44 n m 的窄带滤波器和一个光纤末端的宽带反射镜所替代。滤波器代替了光纤光栅 的波长选择功能，而宽带反射镜代替了光纤光栅的反射功能。( 结构见图2 1 6 ) 所以这种结构等同于使用光纤光栅时的情况。图2 1 7 展示了这时的红移光谱。在 光谱中激光波长位于1 0 5 8 6 5 n m ，激光带宽为o0 6 n m ，相对于滤波器的中心红移 了o2 5 n m 。当激光泵浦功率增大或减小时，红移并没有变化。这说明，因为滤波 器的带宽足够的宽，红移现象不为滤波器所限制，而仅为带宽比较窄的光纤光栅所 限制。所以，红移现象的本质与反射带宽无关，我们提出了一种与增益线型有关的 理论假设，将在下一部分讨论。 图2 - 1 6 使用窄带滤波器的f - p 结构图 童 量 誊 喜 w a v 剖e8 n g t h ( n mj 图2 1 7 ( a ) 3 d b 半宽为4 4 n m 的窄带滤波器的透射谱。 ( b ) 激光振荡波长相对透射谱中心红移了o 2 5 n m 。 曼 霪 萋 莹 耋 3 讨论： 对于上述观察到的激光振荡波长相对与光纤光栅反射中心波长的偏移现象，我 们可以用激光增益线型的有关理论来分析。激光器的增益轮廓口( 矿) 与y 的关系为1 1 1 删2 篇圣m 堋仫， 其中中( v ) 为激光介质发射光谱轮廓， 级系统上能级对下能级的自发辐射系数， n 2 为下能级和上能级的原子密度。 对于发射光谱轮廓不是很宽的情况， c 是光速，n 是介质的折射率，a 2 ，是二能 g 。，是下能级和上能级的简并度，n ， 在谱线轮廓范围内y 的变化相对于妒( y ) 的 变化小得多，所以y 可视为常数，并用中心频率v 代替。由p ( v ) d v = l 对a ( v ) 可 弘弛扑”筋“如蚺m h n 坤o o：o o 外强w拍；*妇如n m 8 6 。o o 以进行归一化，这样a ( v ) 的轮廓就和妒( v ) 的轮廓一样，波长谐振频率y 。和y 。一 致，没有偏移。 由于掺镱光纤的辐射带宽很宽，所以需要考虑y 的变化，并且由于光纤光栅 带宽的约束作用，荧光线型中心在光纤光栅的反射b r a g g 中心v 。处。掺镱光纤的 各能级的展宽主要以晶格结构的均匀性和离子与晶格间的碰撞加宽为主，而掺镱 光纤总的展宽由这些连续能级共同贡献，表现为均匀加宽的洛仑兹函数。 所以，掺镱光纤的光谱轮廓为： 矿(u)=!；善!i：巧1 ( 2 - 1 2 ) ( y y o ) + ( = 妄旦) 其中，日= a v o ，为光纤光栅反射峰 增益轮廓的最大值，也就是激光的振荡频率由皇罢塑：o 决定。 d y 计算，得y ：墨鱼兰鱼堑三卒。由于。，所以取一级近似，得 扎一去等 叫， 由此看出激光频率向偏小方向偏移，即波长向长波方向偏离，偏移量v 为 l y ： 4 v o 。 对于光纤光栅反射中心波长五。为1 0 5 2 7 r i m ，v 。为，约3 1 0 1 4 h z 。 几。 为冬龇，是0 9 x1 0 1 3 】也，其中，五为3 0 n m ，( 见图2 - 1 _ 8 ) ，则a v 为6 7 5 1 0 1 q 。 几 所以光谱峰值偏移量越为笸，约为0 2 5 n m ，但由于光纤光栅的带宽仅为 c 0 2 n m ，所以限制了激光振荡频率的偏移，激光峰值仅偏离了反射峰值0l n m 。 赤 上：y 虻 力“ 廓轮益 。 增 心 是 中 于 的 图2 1 8 使用光纤光栅后的半宽为3 3 n m 的a s e 光谱 但是，当掺镱石英光纤中缺陷导致的非均匀加宽变宽时，则需要把掺镱光纤的 展宽考虑为高斯线形的函数。 假定掺镱光纤的光谱轮廓( y ) 为高斯函数，即 如) = ( 詈) ；p 叫y “， ( 2 _ 1 4 ) 其中，系数口为坠寻。于是增益轮廓口( y ) 。c 之p a ( v ) 2 ，其中讥为光纤 y ：y 光栅反射峰的中心。 增益轮廓的最大值，也就是激光的振荡频率由堕；盟：0 决定。 v 所以， y 一。y 。一瓦1 2 1 5 1 4 与均匀加宽一样，激光频率向偏小方向偏移，即波长向长波方向偏离，偏移量 a v 为! 一，即为垒兰i 。 口y o y0 4 h2 对于光纤光栅反射中心波长旯。为1 0 5 2 7 r i m ，v 。为，约3 1 0 1 4 h z 。 l o 为二五，是0 9 1 0 1 3 h z 。偏移量y 为9 1 0 1 。h z 。所以光谱峰值偏移量 为 兄 丑：，约为0 3 n m ，但由于光纤光栅的带宽仅为0 2 n m ，所以限制了激光振荡频 c 率的偏移，激光峰值仅偏离了反射峰值o 1 n m 。 掺镱光纤的展宽是由均匀加宽和非均匀加宽共同贡献的，可能是均匀加宽强些 或是非均匀加宽强些。但无论是哪种加宽，都会产生红移现象，而且理论计算和实 验结果相符合。 4 结论： 我们在实验中发现了在采用光纤光栅作为反射器的掺镱光纤激光器中激光波长 相对于光纤光栅反射中心向长波方向偏移的现象。这个现象将导致用光纤光栅作为 反射器的光纤激光器的激光波长比预期的波长向长波方向有所偏离。并且，因为激 光的谐振波长没有振荡在光纤光栅的反射主峰，而是振荡在反射率在反射主峰一半 的地方，这在很大程度上减小了光纤光栅作为反射器的效用。因此，选用光纤光栅 作为光纤澉光器发射器时，应该考虑这个效应，设计合适的光纤光栅的反射轮廓， 使激光能始终振荡在光纤光栅的高反射区。 第三章掺镱光纤双程放大器 的理论和实验研究 在光纤放大器家族中，最早为人们所关注的是掺铒光纤放大器( e d f a ) “ “。 e d f a 首次的实验室实验是1 9 8 7 年，商业化应用是在1 9 9 3 年前后。掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 毫无疑问是光纤通信发展史上最伟大的发明之一。这项技术使限制光纤传 输距离的主要因素由损耗变为色散，更重要的是它开创了1 5 5 0 n m 频段的波分复用， 从而极大地增加了光通信的容量口 。由于无中继传输的实现还使基于光上下话路， 光交叉连接的全光通信成为可能。 伴随着掺铒光纤放大器的发展，其他掺稀土元素光纤放大器也逐渐具备了发 展的条件。合适的半导体激光器泵浦源、商品化的光纤拉制设备以及其他光纤无源 器件的发展都为掺镱光纤放大器的发展奠定了基础。掺y b 3 + 光纤的宽带增益使人们 对把它作为一种优良的超短光脉冲放大介质寄予很大的希望“ 。另外，使用双包 层、大芯径的掺y b ”光纤作为1 3 , u r n 的拉曼光纤放大器的泵浦源也很为人们所重视 i s 。 在本节中，将要介绍的是使用光纤光栅作为反射器的双程放大结构放大器。 使用光纤光栅能够达到极窄线宽的信号放大，而信号在放大器中经过两次放大能得 到较高的增益。由我室研制的掺镱光纤双程放大器，小信号增益达到 3 0 d b ，放大 指标与采用两个l d 泵浦的两级放大器相近。 3 1 双程放大器的研究进展 双程放大结构的优点早已被人们所认识。在i 9 6 3 年，双程放大结构被应用于 超荧光激光器。这种激光器常常用于其他激光器的泵浦源，并用于荧光和磷光光谱 学的研究。使用双程结构比使用单层结构能够使线宽更窄，光强度更高“。 双程放大器在光信号放大中的应用也有悠久的历史。早在1 9 7 2 年，便有了用于 气体激光器的双程放大器的报道。在这种装置中，便采用了将输入信号和输出信号 2 1 放置在放大器的同一端，并在另一端加以反射的结构。当时又采用了一些技术将输 入信号和输出信号分开。 到最近，人们对用于光纤激光器系统的双程放大器也越来越感兴趣。用于将输 入信号和输出信号分开的技术也有了进步。在一些双程放大器中采用在输入端加入 起偏器及在反射端使用法拉第旋转镜的方法n ，从而通过偏振将输入信号与输出信 号分开，在另一些结构中则采用了输入输出光学环行器 8 。在环行器结构中则 可以使用能得到更高增益稳定性的反射器。增益介质有掺西“光纤，掺t m 光纤以 及掺乃“光纤等“0 【1 “。采用基于n d ：l i n b o ，和n d ：r 3 a t , o ，：的光波导双程放大器 也得到了报道n “。此外，该结构还可用于拉曼光纤放大器的制作“。 2 0 0 1 年6 月报道了采用2 5 “m 芯径的掺场“双程光纤放大器 1 “，在这样的系统 中，2 2 0 f s 的超短脉冲得到了5 3 d b 的小信号增益，将输入信号和输出信号分开的方 法是用法拉第旋转镜进行偏转变换的方法。在我们研制的掺乃“双程光纤放大器中 我们用光纤光栅代替了法拉第旋转镜，是为了得到窄线宽放大，从而提高信噪比。 另外，我们采用一个3 d b 耦合器和两个隔离器分开输入信号和输出信号。在这样的系 统中达到了3 0 d b 的小信号增益。 3 2 掺镱光纤双程放大器的设计与理论分析 i 速率方程与增益 在如果a s e 信号不是很强，并且假设增益线性为均匀加宽时，掺镱光纤放大器 的理论模型是较简单的。 掺镱光纤可以简单地用二能级系统表示，它的速率方程可以写为n 5 j ： ! ! = ( 墨：+ 暖：) 以，一( 尺。+ 。+ 4 ：，) 聍：( 3 - 2 一1 ) 鲁一( r t ：帆 岷+ a z l ) 口：( 3 - 2 嘲 式中， l l 、 2 是上、下能级粒子数，r ：和r 。是泵浦光的受激吸收跃迁系数和受 激辐射跃迁系数，形：和。是信号光的受激吸收跃迁系数和受激辐射跃迁系数， 4 。：和a ：。是自发跃迁系数和自发辐射系数。 从上式中，我们得到稳态时的上、下能级粒子数为： 吃：_ i 粤箬每；_ _ ( 3 - 2 _ 3 )，f 1 一 h ) 一o ， 。 r 2 + r 2 1 + 彬2 + 1 + 彳2 t 、。 滤波器带宽在几个n m 左右，如果需要带宽更窄，则使用的滤波器会有较高的损 耗，而且价格也很昂贵。为了得到更窄带宽信号的放大，我们采用了光纤光栅作为 反射器的双程放大结构，而且a s e 噪声也得到了很好的抑制。( 见图3 - 2 - 2 ) 因为 光纤光栅具有很窄的带宽( 一般为0 5 n m 左右) ，只有带宽内的信号光才会被反射 然后再进入放大器再次放大，而带宽外的a s e 则通过光纤光栅泄漏了，这样的滤波 效果比一般的滤波器要好，能很好的抑制噪声。在这样的结构里，光纤光栅既作为 反射器又作为a s e 滤波器被使用。由于光纤光栅的反射率很高( 可达2 0 d b ) ，而 被它反射后的信号光在掺镱光纤里再次被放大，于是信号光可以得到较高的增益。 3 3 光纤放大器的主要特性 下面将要探讨小信号增益系数、增益饱和与饱和输出功率和放大器的噪声等放 大器的基本特性。 1 小信号增益系数n 8 1 均匀展宽增益介质的增益系数可写为 g ( 叩) 2 可万丽g 砰。百瓦( 3 - 3 - 1 ) 式中：g 。是中心频率国= r - o 。处的小信号增益系数；正叫偶级子弛豫时间 而当p b 时的增益系数则叫做小信号增益系数，写作 鼬) 2 可薪( 3 - 3 - 2 ) 这时g 只是珊函数而沿z 不变，激光放大器工作于非饱和区。可以算出其增益为g 为 g ( 咖e x p l ：而靠出( 3 - 3 - 3 ) 叫而兰洱1 当。= 时，得放大器的最大增益。 g o = e x