（光学专业论文）基于w型光纤的s波段光纤激光器的理论和实验研究.pdf

摘要 摘要 伴随着数字化时代的到来，爆炸性增长的数据通信业务对现有光纤通信系 统提出了严峻的挑战。作为增加通信容量的途径之一，s 波段光纤有源器件的研 制越来越引起人们的注意。由于其特殊的包层折射率凹陷结构，w 型掺铒光纤 具有长波长基模截止特性，能够有效地抑制c 波段增益，是实现s 波段有源器 件的一种有效手段。在国家自然科学基金项目“e r y b 共掺w 型光纤及s 波段光 子器件的研究”( 项目编号：6 0 6 7 7 0 1 4 ) 支持下，本论文主要在以下三个方面开 展了研究： 1 从麦克斯韦方程组出发推导了w 型光纤中的电场分布，计算得到了w 型光 纤的各个特性参数。 利用试探法求解了w 型光纤中导模传播常数，进而研究了光纤中的模场分 布情况。研究了光纤几何参数和折射率分布对导模有效折射率、截止波长和模 场半径的影响。 w 型光纤截止波长和模场半径对纤芯参数的变化极为敏感，预制棒制成后 可以通过在拉丝过程中控制纤芯的几何尺寸来调整截止波长的位置。 2模拟了弯曲的w 型光纤中电场分布和传播常数的变化，并对光纤的弯曲损 耗特性进行了研究。 基于微扰理论模拟了弯曲对w 型光纤电场分布的影响。光纤弯曲使得电场 向包层扩散。传输波长越长、弯曲半径越小，电场扩散越剧烈。 采用天线模式理论模拟了弯曲光纤中损耗系数对波长和弯曲半径的依赖关 系。w 型光纤中长波弯曲损耗对弯曲半径的变化非常敏感，随着波长增加和半 径减小呈指数关系增大。这种性质可以用来修正光纤工艺误差引起的截止波长 的误差。 3对基于w 型掺铒光纤的s 波段光纤激光器进行了理论模拟和实验研究 考虑铒离子结对效应，在功率传输方程中加入弯曲损耗的影响，模拟了增 益光纤弯曲对激光器输出功率特性的影响。随着光纤弯曲半径的减小，c 波段的 增益被抑制，s 波段出现激光激射。 利用9 4 m 长w 型掺铒光纤构建了可调谐s 波段光纤激光器。采用后向泵 摘要 浦结构，光纤法布里珀罗滤波器作为调谐元件。实验中通过挤压光纤环的形状 来提高s 波段增益。泵浦功率1 1 3 m w 时，得到了3 8 n m 的调谐范围。在1 4 9 9 0 2 n m 处获得最高输出功率7 1 1 d b m ，斜率效率6 1 1 ，输出功率起伏小于0 0 4 d b ，波 长起伏小于0 0 2 n m 。 关键词：w 型光纤，s 波段，光纤激光器，弯曲损耗 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee m e r g e n c eo fd i g i t a le r a , t h ee x p l o s i v ei n c r e a s i n go fd a t a c o m m u n i c a t i o np r e s e n t sg r e a tc h a l l e n g e st o e x i s t i n go p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a so n eo ft h ep o s s i b l ew a y st op r o m o t et h es y s t e m sc a p a c i t y , r e s e a r c ho ns - b a n do p t i c a lf i b e ra m p l i f i e ra n dl a s e ri sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s w - t y p e e r b i u m - d o p e df i b e rp o s s e s s e saf u n d a m e n t a l - - m o d ec u t o f fw a v e l e n g t hn e a r15 3 0n l n d u et ot h ed e p r e s s e dc l a d d i n gs t r u c t u r e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s st h ec b a n d a s e t h e r e f o r ew - t y p ee r b i u m - d o p e df i b e rb e c o m e sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt oa c t i v e d e v i c e si ns - b a n d s u s t a i n e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d sp r o j e c t “r e s e a r c ho n e r y bc o d o p e dw - t y p ef i b e ra n ds - b a n dp h o t o n i c sd e v i c e s ”( g r a n tn u m b e r ： 6 0 6 7 7 014 ) ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 t h ee l e c t r o n i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nw - t y p ef i b e ri sd e r i v e df r o mm a x w e l l e q u a t i o n s c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f w - t y p ef i b e ra l ec a l c u l a t e d p r o p a g a t i o nc o n s t a n t sa r es o l v e db yu s i n gt h e e r r o ra n dt r a i lm e t h o d w e i n v e s t i g a t e d f i b e r p a r a m e t e r s i n f l u e n c e s o nt h ee f f e c t i v ei n d e x ，t h ec u t o f f w a v e l e n g t ha n dt h em o d ef i e l dr a d i u s t h ec u t - o f fw a v e l e n g t ho faw - t y p ef i b e ri sv e r ys e n s i t i v et ot h ev a r i a t i o no fi t s c o r ep a r a m e t e r s ，t h u si tc a nb em o d i f i e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gc o r ed i a m e t e rd u r i n g f i b e rd r a w i n g 2 t h em o d ef i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h eb e n tw - t y p ef i b e ri ss i m u l a t e d t h eb e n d i n gl o s s a n di t sa p p l i c a t i o na r er e s e a r c h e d t h ee l e c t r o n i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h eb e n tw - t y p ef i b e ri sd e r i v e dw i t ht h e p e r t u r b a t i o nt h e o r y t h eb e n d i n gm a k e st h ee l e c t r o n i cf i e l ds p r e a dt ot h ec l a d d i n g a r e aa n dt h es p r e a db e c o m e ss t r o n g e rf o rl o n g e rw a v e l e n g t ha n ds m a l l e rc u r v a t u r e r a d i u s t h eb e n d i n gl o s sc o e f f i c i e n t so fd i f f e r e n tw a v e l e n g t h si nf i b e r sw i t hv a r i o u s b e n d i n gr a d i ia r ec a l c u l a t e d t h eb e n d i n g l o s sc o e f f i c i e n t sf o rl o n g e rw a v e l e n g t h sa r e s e n s i t i v et o b e n d i n gr a d i u s ，i n d i c a t i n ga ne x p o n e n t i a ld e p e n d e n c eo nt h e s et w o i i i a b s t r a c t p a r a m e t e r s t h j sc o u l db eu s e dt om o d i f yt h ee l t o ri nc u t - o f fw a v e l e n g t hd u e t ot h e f a b r i c a t i o nd e v i a t i o n 3 a ns - b a n df i b e rr i n gl a s e rb a s e do nt h ew - t y p ef i b e ri ss i m u l a t e da n d e x p e r i m e n t a l l yr e s e a r c h e d p a i r - i n d u c e d q u e n c h i n ga n db e n d i n g e f f e c t sa r et a k e ni n t oa c c o u n ti n m o d e l i n ga ns - b a n df i b e rr i n gl a s e r t h ef i b e rb e n d i n gl o s s i m p a c to nt h eo u t p u t p o w e ro fat u n a b l esb a n df i b e rr i n gl a s e ri si n v e s t i g a t e d a st h eb e n d i n gr a d i u s b e c o m e ss m a l l e r , t h ec - b a n da s ei ss u p p r e s s e d ，a n dt h eo v e r a l lt u n i n gr a n g em o v e s t o w a r d ss h o r tw a v e l e n g t h s a ns - b a n db a c k w a r dp u m p e df i b e rr i n gl a s e ri sc o n d u c t e d a ns - b a n da l l f i b e r f a b r y p a r o tf i l t e ri su s e dt os e l e c tt h el a s i n gw a v e l e n g t h 1 1 1 ea c t i v ef i b e ri s 9 4m l o n ga n dt h es - b a n da s es p e c t r u mi si m p r o v e db yt h ee x t r u s i o ne x e r t e do nt h ef i b e r l o o p at u n i n gr a n g eo f3 8n i na n dam a x i m u mo u t p u tp o w e ro f7 1 1d b ma r e o b t a i n e dw i t hap u m pp o w e ro f113m w t h es l o p ee f f i c i e n c yi s6 1 1 a t14 9 9 0 2m n b e s i d e s ，t h eo u t p u tp o w e ra n dt h el a s i n gw a v e l e n g t hf l u c t u a t e sw i t h i no 0 4d ba n d o 0 2n l t l r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：w - t y p ef i b e r , s - b a n d ，f i b e rl a s e r , b e n d i n gl o s s i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文芝孑w 型面所自勺s 。嵌微光研语觥磊钠节里讫循实驻确系本人在 南开大学工作和学习期i h 7 仓, j 作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 直珏态堂圈盘绾苤王堡在! 焦丝堂笪途窒的笪理盘洼! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校同网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称： 物予里学阮 作者签名： 歇惹，i | f 学号： 2j a 力6 0 j f 7 日期：m t l 年心月沙日 第一章绪论 第一章绪论 第一节光纤通信的发展现状 伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大 容量，长距离的方向发展已经是必然的发展趋势。英籍华人高锟，于1 9 6 6 年在 p i e e 上发表著名的论文光频介质纤维表面波导【l 】，从理论上分析证明了用 光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性。这篇文章在光纤通信发展史上是一 篇里程碑式的文章。 1 9 7 0 年，康宁公司首先通过改进的化学气相沉淀法制造出了损耗在2 0 d b k m 的通信用光纤，引起整个通信界的震动。随后光纤生产的工艺不断得到改进和 提高，损耗不断降低。2 0 世纪8 0 年代，波长在1 5 5 0 n m 的单模光纤损耗以降低 至0 2 d b k m ，接近硅基光纤损耗的理论极限。在光纤质量提高的同时，应用于光 纤通信的激光器也取得了长足的进步。1 9 6 0 年，梅曼发明了世界上第一台红宝 石激光器，得到相干性较好的光束。1 9 7 3 年，半导体激光器的寿命为7 0 0 0 小时， 1 9 7 7 年已经达到十万小时，完全满足实用化的要求【2 】。此后，连续振荡半导体 激光器也研制成功。适合光纤通信用的半导体激光器的研制成功并逐步商业化 更推动了光纤通信的发展。 1 9 7 6 年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化 的光纤通信线路。1 9 7 7 年，武汉邮电设计院研制成功中国第一根阶跃折射率分 布的8 5 0 r i m 多模光纤【3 】。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量无比的优越 性，并在最近的几十年里得到了快速的发展。通过采用单模光纤，利用波分复 用、时分复用等技术，光纤通信系统的传输速率不断提高，从单波长的2 5 g b s 和1 0 g b s 爆炸性地发展到多波长的t b s ( 1 t b s = 1 0 0 0 g b s ) 传输。 目前随着因特网的发展，数据通信业务呈爆炸式增长，需要进一步提高光 纤通信系统的传输容量。通常提高单信道传输速率和减小信道间隔、采用密集 波分复用( d w d m ) 技术可以增加通信容量。当单信道传输速率提高到1 0 g b s 以上时，偏振模色散( p m d ) 的影响已经不可忽视。对于4 0 g b s 及其以上系统， p m d 更成为限制传输速率提高的主要因素。虽然研究者们提出了多种补偿偏振 模色散的方法【4 羽，但是其难度和成本都是极高的。另外复用信道数量的增多导 第一章绪论 致信道间隔的减小，抑制光纤中的受激拉曼散射( s r s ) 、四波混频( f w m ) 、 交叉相位调制( x p m ) 等非线性效应【_ 卜8 】引起的信道串扰和提高元器件的波长稳 定性尚存在许多技术难点。 开辟新的通信波段是增加容量的另一有效途径。图1 1 给出了石英光纤的损 耗谱，可以看到目前已经商用的c ( 1 5 3 0 h m 1 5 6 0 n m ) 和l ( 1 5 6 5 n m 1 6 2 5 n m ) 波 段仅占光纤通信波段的很小一部分。开辟新的通信波段可以充分利用石英光纤 的带宽资源，是减轻通信系统升级改造的压力、减少重复铺设光纤干路、缓解 超高速传输速率和超窄信道间隔的技术压力的极其有效的方法。 图1 1 石英光纤总损耗谱 s 波段( 1 4 5 0 n m 1 5 3 0 n t o ) 也位于石英光纤的低损耗区，且可以和c 、l 波 段很好的衔接，因此有关s 波段有源光子器件的研究引起了人们的广泛关注。 第二节s 波段光纤激光器的研究现状 见于报道的用于s 波段放大的技术主要有掺铥光纤有源器件，拉曼光纤有 源器件和掺铒光纤有源器件。 1 2 1 掺铥光纤激光器 由于石英光纤中铥离子的发射峰位于2 0 0 0 n m ，而氟化物光纤中铥离子发射 峰位于1 4 7 0 n t o ，因此s 波段掺铥光纤有源器件采用氟化物光纤。氟化物光纤中 铥离子能级分布如图1 2 所示，其中3 f 4 _ 3 出的跃迁产生s 波段光子。采用0 6 4 0 6 7 9 i n 、0 7 9 - 0 8 0 9 m 泵浦时激光跃迁是四能级系统，由于3 h 4 能级寿命长于 2 e堂田口丘鲁jg墨口墨矗一 第一章绪论 3 f 4 能级，故而激光跃迁是一个自终止过程。这一问题可以通过同时激射3 h 4 _ 3 h 6 ( 发射波长1 8 1 9 1 a m ) 和与其他稀土离子如n ”、h o ”共掺通过能量转移来 降低下能级寿命来解决。另外也可以1 0 6 4 1 a n 泵浦带( 利用激发态吸收效应e s a ) 通过上转换泵浦方式，在激光上能级集聚粒子数的同时倒空激光下能级以实现 连续激光输出【9 】。采用高掺杂光纤或双波长泵浦可以实现掺铥光纤的增益位移， 使增益峰位于s 波段中心。 图1 2 氟化物光纤中铥离子能级分布图 日本的研究者在9 0 年代利用掺杂浓度2 0 0 0 p p m 的多模氟化物掺铥光纤构建 了一系列激射波长在1 4 7 0 n m 的光纤激光器1 1 。采用波长1 0 6 4 m n 的n d 3 + ：y a g 激光器作为泵浦源，通过优化光纤几何参数和体光学元件反射率，得到功率超 过1 w 的连续输出和峰值功率7 0 w 的调q 输出，实验装置如图1 3 所示。 伽o o p | d1 2 l t u m l , , i d e _ 一 气苇。 图1 3 采用体光学元件构成的s 波段掺铥光纤激光器实验装置 3 一 黧 l l 。 一 黧 l l 。 第一章绪论 2 0 0 3 年，瑞士的r m e 1 a g m y 等人利用掺杂浓度1 0 0 0 p p m 的大模面积光 纤( 纤芯面积1 2 5 7 9 m 2 ) 在泵浦功率5 2 w 时得到了1 5 6 w 的连续激光输出，斜 率效率3 3 e 1 2 1 。但是体光学元件增大了腔内损耗也限制了激光器件的实用化。 2 0 0 7 年，加拿大l a v a l 大学的g a n d r o z 等人利用相位掩模法，用8 0 0 n m 的 飞秒脉冲在z b l a n 单模光纤中写入布拉格光栅( f b g ) 1 3 】此后他们利用光栅 作为腔镜构建了激射波长在1 4 8 0 r i m 的线形腔激光器，实验装置如图1 4 所示 1 4 - 1 5 】。通过对光纤长度、泵浦波长及输出耦合比进行优化，得到了2 3 w 的连续 激光输出，斜率效率6 5 。这是见于报道的s 波段激光最高输出功率和斜率效 率。光栅替代反射镜构成谐振腔简化了实验装置，在降低腔内损耗的同时提高 了激光器运转的稳定性。 图1 4 采用布拉格光栅作为腔镜s 波段掺铥光纤激光器实验装置 2 0 0 3 年e l e c t r o - o p t i c a le n g i n e e r i n gi n c 工作人员双波长泵浦2 0 m 长掺铥氟化 物光纤组成多纵模振荡环形腔s 波段光纤激光器【16 1 ，实验装置如图1 5 所示。利 用可调谐体光栅带通滤波器进行选频，1 0 5 0 1 5 5 0 n m 、1 4 0 0 1 5 5 0 n m 双波长泵浦 分别获得了9 4 n m 和8 5 n m 的调谐范围，线宽4 0 0 m h z ，信噪比6 0 d b 。 o u t p u t 图1 5s 波段可调谐掺铥光纤及其实验装置图 4 第一章绪论 2 0 0 4 年，韩国研究工作者报道了利用光纤法布里珀罗滤波器选频的可调谐 环形腔掺铥光纤激光器，实验装置如图1 6 所示1 7 1 。采用1 4 2 0 1 4 3 0 n m 双波长泵 浦，在5 7 n m 范围内输出功率大于0 d b m ，边模抑制比大于5 5 d b 0 0 2 n m 。其中 1 5 6 0 r i m 泵浦用以提高功率转换效率和降低增益抖动。 f f p t ff f p ( 5 0 g r l z ) 图1 6 环形腔掺铥光纤激光器实验装置图 近几年其他基质掺铥光纤用于s 波段有源器件的研究也有报道【1 8 乞2 1 。尽管 s 波段掺铥光纤有源器件已经获得了长足的进展，但是还存在诸如不易与普通单 模光纤熔接、上转换泵浦、增益位移等问题，实用化还存在一定难度。 1 2 2 拉曼光纤激光器 当功率较弱的信号光与功率较强的泵浦光同时在光纤中传输时，如果信号 光波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，光纤的受激拉曼散射作用将把能量由泵浦 光转移至信号光，实现信号光的放大。光纤拉曼激光器正是利用了受激拉曼散 射效应。当泵浦光波长在1 4 0 0 - - - 1 4 3 0 n m 范围内时即可获得s 波段增益 2 3 1 。 利用受激拉曼散射效应实现s 波段激光器的实验装置一般都采用级联结构。 2 0 0 0 年，韩国的d i c h a n g 等人报道了可在1 4 8 0 - - - 1 4 8 5 n m 范围内调谐的级联拉 曼光纤激光器l z 4 】。通过拉伸中心反射波长在1 4 8 0 n m 的光纤布拉格光栅实现输出 波长的调谐。3 0 0 m 长的高掺锗硅基光纤作为拉曼增益介质，当n d ：y l f 泵浦功 率1 2 5 w 得到了3 1 0 m w 功率输出，斜率效率3 8 。2 0 0 2 年，俄罗斯的i a b u f e t o v 等人利用掺磷光纤作为增益介质，实现了斜率效率6 0 的拉曼光纤激光 器，实验装置如图1 7 所示，其中增益光纤长度为经过优化的1 0 0 m 。当1 0 6 岬 泵浦功率4 2 w 时，在1 4 8 0 r i m 处得到了1 9 w 功率输出，光光转换效率4 5 t 2 5 】。 5 第一章绪论 第k 8 涮 咖 图1 7i 八b u f e t o v 研究组拉曼光纤激光器实验装置 2 0 0 7 年，y o s h i h i r oe m o r i 等人采用高非线性光纤作为增益介质得到了拉曼 激光输出【2 6 | 。泵浦光波长为1 11 7 n m ，最大输出功率1 0 3 w ，采用五级级联结构 当泵浦功率1 0 3 w 时，最大输出功率4 1 w ，这是见于报道的最大输出功率。 通过优化泵浦波长和泵浦功率就可以在很宽的带宽内获得平坦增益，因此 光纤拉曼激光器是许多超宽带光源的理想选择。然而由于激光的产生利用了非 线性效应，因此对泵浦功率要求高，泵浦源的复用半导体激光器和包层泵浦光 纤激光器的高价位限制了拉曼光纤有源器件的开发和实用化进程。 1 2 3 掺铒光纤激光器 由于掺铒光纤激光器和放大器具有输出光谱稳定、受环境影响小、输出功 率高以及易于与光纤系统耦合等众多优点，因而掺铒光纤有源器件在过去的几 十年里获得了极大的发展。s 波段掺铒光纤有源器件的研制一直吸引着科研工作 者的注意力。 硅基掺铒光纤的吸收和自发辐射特性如图1 8 所示。掺铒光纤s 波段吸收截 面和发射截面的比值远大于c 波段，而且c 波段发射截面是s 波段的4 - - - , 6 倍， 因此实现s 波段增益需要更高的粒子数翻转比例【2 丌。日本研究者的工作显示利 用多级放大结构和多个带通滤波器抑制c 波段及长波的自发辐射可以得到要求 的粒子数翻转比例 2 粥o 】。2 0 0 5 年， e l e c t r i ci n d u s t r i e s ，l t d 研究工作者报道了含 舢p 掺铒光纤s 波段放大器【3 0 1 ，采用九级放大结构和八个带通滤波器获得了大 于2 5 d b 的宽带平坦增益。但是这种方法由于放大器结构复杂，损耗较大，降低 了转换效率，也在一定程度上弱化了光纤有源器件结构紧凑、便携的优势。 6 第一章绪论 w 酣e 函蚋i n 嘲 图1 8 普通掺铒光纤吸收和自发辐射特性 目前人们主要利用折射率分布经过特殊设计的凹陷包层结构( 即“w 型) 光纤来抑制c 波段自发辐射，获得s 波段增益。w 型光纤折射率分布如图1 9 所示，其中纤芯和内包层半径分别a 、b ，其纤折射率分为1 1 l 、n 2 。与传统的 阶跃型单模光纤相比，w 型光纤具有长波长基模截止和负的波导色散的特性 3 1 - 3 7 。早期对w 型光纤的研究主要关注其色散补偿和色散位移特性。2 0 0 2 年， l i g h t w a v ee l e c t r o n i c s 公司的m a r ka a r o b e 等人在o p t i c a la m p l i f i e r sa n d t h e i ra p p l i c a t i o n s ( o a a ) 会议上首次报道了他们研制的新型掺铒w 型光纤及其 用于s 波段光纤放大器的研刭27 1 ，揭开了s 波段掺铒光纤有源器件研究的序幕。 此后w 型光纤用于s 波段光纤放大器【3 l 】和激光器的研究成果不断见诸报道。 0abr 图1 9 w 型光纤折射率分布 7 第一章绪论 1 2 3 1f p 滤波器选频s 波段掺铒光纤激光器 2 0 0 3 年，台湾的c h i e n h u n gy e h 等人用一个s 波段光纤放大器( s e d f a ) 模块和可调谐法布里珀罗滤波器( f f p t f ) 构建了s 波段环形腔激光器【4 2 1 。图 1 1 0 和图1 1 1 分别给出了他们的实验装置和结果，插图为所采用光纤的自发辐 射谱。其中s 波段光纤放大器模块利用9 8 0 n m 半导体激光器( l d ) 泵浦两级 e d f a 。第一级前向泵浦2 0 m 长光纤以获得较大增益并减小噪声；第二级光纤长 3 0 m ，采用后向泵浦方式以获得较大的输出功率。光隔离器用以减小放大的自发 辐射( a s e ) 并改进装置的噪声性能。该模块在1 5 0 0 n r n 处小信号增益3 2 d b ，噪 声指数5 7 d b ，饱和输出功率1 4 d b m ( 输入信号功率0 d b m ) 。通过调谐f f p t f ，实 验获得了1 4 8 0 - - 1 5 2 2 n m 范围内的调谐输出，1 4 9 8 n r n 处最大输出功率5 1 d b m 。 1 , 1 7 b1 瑚 锄l 始酗：黝l 渤 钝撤k 晖由f 蚰i 图1 1 0s 波段光纤激光器实验装置 硼v e h 咖( 圳 图1 1 1 输出功率和边模抑制比 随输出波长变化关系 2 0 0 5 年，他们改进了激光器结构，采用一段未泵浦c 波段掺铒光纤作为饱 和吸收体和一个光反射计构成自动寻迹滤波器，实现了单频运转【4 引，线宽当未 泵浦铒纤长度为l m 时，得到了4 2n l l l 的调谐范围。1 4 8 8 7 1 5 0 5 7 r i m 范围内输 出功率大于1 0 d b m ，边模抑制比( s m s r ) 大于4 9 1 d b 0 0 5 n m 。1 4 9 7 7 n m 处最大 输出功率1 0 9 d b ，平均输出功率大于1 0 d b m 。 同年，他们采用复合腔结构【4 4 1 ，实验结构如图1 1 2 所示，其中主腔长5 2 m ， 副腔长度为6 0 m 。根据游标原理，激光腔的自由光谱范围是主副腔自由光谱范 围的最小公倍数，因而改变主副腔长就可以控制激光振荡模式，减少模式竞争， 8 第一章绪论 改善了激光器的模式稳定性。在9 0 0 秒的观察时间内，复合腔结构输出功率波 动0 9 2 ，中心波长波动0 0 3 n m ，而普通结构激光器则分别为7 8 5 和o 0 6 n m 。 但是偏振敏感元件提高了腔内损耗，因而提高了激光器泵浦阈值、降低了斜率 效率。 图1 1 2 复合腔结构激光器装置图 2 0 0 7 年，他们报道了采用三个环的新型结构 4 5 1 ，实现了稳定的单纵模运转， 实验装置如图1 1 3 所示。最大输出功率3 6 d b m 9 0 0 秒的观察时间内中心波长飘 移小于0 0 2 n m 输出功率抖动小于0 0 5 d b 。 图1 1 3 多环腔实现单纵模运转的s 波段光纤激光器实验装置 1 2 3 2 利用弯曲损耗选频s 波段掺铒光纤激光器 w 型光纤的特殊结构决定了它的弯曲损耗对波长更加敏感，通过改变w 型 光纤的弯曲半径可以实现激光波长有效调谐。2 0 0 6 年，意大利p o l i 工作组报道 了利用w 型光纤弯曲损耗进行输出波长调谐的s 波段光纤激光器【蚓，图1 1 4 和图1 1 5 分别为实验装置和输出光谱。实验中通过改变1 5 m 长有源光纤的弯曲 9 第一章绪论 半径在1 5 3 5 n m 处得到最大输出功率0 1 d b m ， 1 4 9 1 - - 1 5 3 5 n m 范围内调谐输 出。图1 1 4 中a b 为l m 长未泵浦c 波段铒纤，用以保证激光器单纵模运转。 这是见于报道的首次利用w 型光纤弯曲损耗特性实现激光器输出波长调谐，但 是调谐方法过于繁琐，且输出功率随波长变化较大。 图1 1 4 激光器实验装置图1 1 5 激光器输出功率随波长的变化关系 同年，他们有报道了可以分别在s 、c 、l 波段实现单模输出的激光器【4 7 1 。 实验装置如图1 1 6 所示。实验中利用未泵浦w 型光纤弯曲损耗进行输出波长调 谐。通过改变此段光纤弯曲半径，在s 、c 、l 波段分别得到了2 0 n m 、3 2 n m 、 3 0 n m 的调谐范围。相比于之前的工作，调谐方式有所改进，并且输出功率随波 长变化的稳定性有所改善。 图1 1 6s 、c 、l 波段可调谐输出光纤激光器 1 2 3 4 光纤布拉格光栅选频s 波段掺铒光纤激光器 2 0 0 5 年，马来西亚的h a h m a d 等人利用光纤布拉格光栅( f b g ) 选频实现 了1 5 0 0 0 8 n m 波长激光输出，并且研究了泵浦功率变化和输出耦合比对输出功 l o 第一章绪论 率特性的影响【4 8 1 。实验装置如图1 1 7 所示。实验中采用9 8 0 n m 泵浦源前向泵浦 两段长度分别为1 5 m 、2 0 m 的s 波段掺铒光纤，激光波长出输出功率为7 8 d b m ， 线宽0 0 8 n m 、信噪比6 0 d b 。 图1 1 7f b g 选频光纤激光器实验装置 1 2 3 4 多波长s 波段掺铒光纤激光器 2 0 0 6 年，台湾研究者报道了可以在l 和s 波段分别实现多波长输出的新型 激光器【4 9 1 。图1 1 8 是实验装置图。s o a 的采用保证了多波长输出，光开关用以 输出波长在s 和l - 波段之间切换，梳状滤波器保证了波长间隔1 0 0 g h z 。图1 1 9 为s 波段的输出光谱图，插图为梳状滤波器在s 波段的光谱。在s 和l 波段分 别输出7 个和2 8 个波长，平均功率分别为一7 5 3 和1 2 1 5 d b m 。采用1 2 耦合 器代替光开关就可以实现s 和l 波段同时多波长运转，但是腔内损耗的增大将 导致信噪比的下降和激射波长数的减少。另外激射波长将会向短波方向漂移。 s “皿r m - i 搠l 搠i 湖l 晰1 5 1 11 $ 1 5 钳h 出畔也l i l 图1 1 8 多波长光纤激光器实验装置图图1 1 9 激光器和梳状滤波器s 波段输出光谱 2 0 0 8 年，他们报道了采用双环腔实现连续双波长输出的环形腔激光器 5 0 1 ， 实验装置如图1 2 0 所示。激光器装置未采用任何选频元件，当耦合损耗3 0 的 l l 第一章绪论 时候，仅仅利用游标原理实现了1 5 0 5 5 8 r i m 和1 5 0 6 4 3 r i m 双波长输出。输出功 率分别为9 6 和9 3 d b m ，边模抑制比分别为3 1 6 和3 1 8 d b 。相比于以前的激光 器，这种结构的激光器建构更加紧凑。 图1 2 0 双波长输出环形腔s 波段光纤激光器实验装置图 2 0 0 5 年，马来西亚的研究者报道了受激布里渊散射( s b s ) 效应的多波长 环形腔激光器，实验装置和输出光谱分别如图1 2 1 、1 2 2 所利5 1 】。功率为3 5 m w 的1 5 0 4 2 3 n m 布里渊泵浦光通过环行器进入5 0 0 m 长单模光纤。两个8 0 2 0 耦合 器用以产生多级斯托克斯光。9 8 0 n m l d 泵浦的2 0 m 长w 型光纤用以放大斯托 克斯光。实验得到了包括反斯托克斯光在内的七个波长输出。波长间隔0 0 8 4 n m ( 1 1 1 g h z ) ，3 d b 线宽0 0 2 r i m 。其中输出光谱中反斯托克斯线的出现是由于 反馈环中光双向传输及四波混频效应 5 o邬嶂1t 5 0 4 2 号0 4 31 勒喀4，5 0 51 1 1 0 4 冉 五帅 图1 2 1s 波段布里渊铒光纤激光器 图1 2 2 不同泵浦功率下激光器输出光谱 2 0 0 7 年，他们在反馈环上加入单通和双通s 波段光纤放大器补偿了产生高 级斯托克斯光的泵浦功率因而增加了输出波长个数，并且显著减小了各级斯托 克斯波之间的功率差，调谐范围也有所增大。图1 2 3 示出了改进的实验装置对 1 2 第一章绪论 输出特性的改善【5 2 - 5 3 1 。相比于其他产生多波长输出的方法，这种结构的激光器 存在输出波长个数较少以及输出光谱易受外界环境影响等缺点。 1 s 0 1 81 5 0 21 5 0 ：! 2 1 5 0 乞1 5 0 2 6 1 5 铊b1 5 0 31 3 2 1 5 4 1 5 1 5 q 皓, 1 1 w - 垤枷蜘嘲) 图1 2 3 三种结构多波长s 波段光纤激光器输出特性比较 第三节本论文的主要研究内容 在国家自然科学基金项目“e r y b 共掺w 型光纤及s 波段光子器件研究” ( 6 0 6 7 7 0 1 4 ) 支持下，本论文主要在以下三个方面进行了研究： 1从麦克斯韦方程组出发推导了w 型光纤中的电场分布，计算得到了w 型光 纤的各个特性参数。 利用试探法求解了w 型光纤中导模传播常数，进而研究了光纤中的模场分 布情况。研究了光纤几何参数和折射率分布对导模有效折射率、截止波长和模 场半径的影响。 w 型光纤截止波长和模场半径对纤芯参数的变化极为敏感，预制棒制成后 可以通过在拉丝过程中控制纤芯的几何尺寸来调整截止波长的位置。 2模拟了弯曲的w 型光纤中电场分布和传播常数的变化，并对光纤的弯曲损 耗特性进行了研究。 基于微扰理论模拟了弯曲对w 型光纤电场分布的影响。光纤弯曲使得电场 向包层扩散。传输波长越长、弯曲半径越小，电场扩散越剧烈。 采用天线模式理论模拟了弯曲光纤中损耗系数对波长和弯曲半径的依赖关 系。w 型光纤中长波弯曲损耗对弯曲半径的变化非常敏感，随着波长增加和半 1 3 第一章绪论 径减小呈指数关系增大。这种性质可以用来修正光纤工艺误差引起的截止波长 的误差。 3对基于w 型掺铒光纤的s 波段光纤激光器进行了理论模拟和实验研究 考虑铒离子结对效应，在功率传输方程中加入弯曲损耗的影响，模拟了增 益光纤弯曲对激光器输出功率特性的影响。随着光纤弯曲半径的减小，c 波段的 增益被抑制，s 波段出现激光激射。 利用9 4 m 长w 型掺铒光纤构建了可调谐s 波段光纤激光器。采用后向泵 浦结构，光纤法布里珀罗滤波器作为调谐元件。实验中通过挤压光纤环的形状 来提高s 波段增益。泵浦功率1 1 3 m w 时，得到了3 8 n m 的调谐范围。在1 4 9 9 0 2 r i m 处获得最高输出功率7 1 l d b m ，斜率效率6 1 1 ，输出功率起伏小于0 0 4 d b ，波 长起伏小于0 0 2 r i m 。 1 4 第二章w 型光纤传输理论及优化设计 第二章w 型光纤传输理论及参数优化 光纤制造过程中通过在芯层和包层中分别掺入不同的化学成分以形成特殊 的折射率分布。光纤的折射率分布有单阶跃结构、双阶跃结构、双包层结构和 缓冲层结构四种。w 型光纤是双包层光纤的一种，其内包层折射率稍低，构成 独特的凹陷包层结构。w 型光纤几何结构如图2 1 所示，其中纤芯和内包层半径 分别为a 、b ，折射率分别为n l 、n 2 。外包层折射率为n 。 abr 图2 1w 型光纤几何结构示意图 ，zc厂，=，兰： 三三三三三 ( 2 1 ) 为研究方便，在w 型光纤中定义两个重要参数r 和s ，分别表示内包层凹陷的 深度和宽度1 1 。其中，r ：旦二旦，s = b a 。 ，z 1 一吻 1 5 第二章w 型光纤传输理论及优化设计 第一节w 型光纤中模场分布 w 型光纤中的模场分布是通过求解麦克斯韦方程组得到的。光纤是非导电、 非铁磁性介质，因而光纤中的麦克斯韦方程组形式如下 乳豆= 0 万1 7 ( 2 2 ) 西 k 厶z ， v 厅：望 a t v d = 0 v b = 0 光纤为柱状有界波导，光在其中传播时受到边界条件约束。由于光纤中不存在 自由电荷和电流源，电磁场满足需满足边界条件 e r = 巨r ，d 2 以= 易玎= b l l i ，h 2 r = h 1 r ( 2 3 ) 同时满足光纤中的物质方程 b = 日，d = s e ( 2 4 ) 由于当光和物质相互作用时，起作用的主要是电磁场中的电场矢量，因此 在下面的计算和推导中，我们主要考虑电场矢量。考虑单频平面波，光波电磁 场对时间的依赖关系可以用p 泐来表示。将p 胁和物质方程代入麦克斯韦方程组 可得 v h = i c o 占e ( a ) v 云= i c o k t f f i c o ) ( 2 5 ) v 膏：0 ( c ) iv 雷：0 ( d ) 将( 2 1 5 b ) 式代入( 2 1 5 a ) 式，并利用关系式k 2 = 国2 w 得到光纤中电场矢量云 的亥姆霍兹方程 一 ( vz + kz ) e = 0 ( 2 6 ) 在柱坐标系下对