（光学专业论文）自激布里渊掺铒多波长光纤激光器的研究.pdf

上海交通大学学位论文 摘要 自激布里渊掺铒多波长光纤激自激布里渊掺铒多波长光纤激光器的研究光器的研究 摘摘 要要 密集波分复用（dwdm）通信技术是当前光纤通信领域的研究热点和前沿。 dwdm 通信技术的发展对光纤通信器件提出了新的要求，各种新型光纤有源器件和 无源器件不断涌现出来。在光纤有源器件中，光纤激光器，尤其是波长可调谐光纤激 光器，以其与常规光纤天然的兼容性和良好的温度稳定性等优点为世人所关注。 多波长布里渊掺铒光纤激光器利用单模光纤中的非线性效应受激布里渊散 射和掺铒光纤的线性放大得到多波长输出。不仅波长间的间隔保持一致，而且单个波 长的带宽很小，从而能作为超密集波分复用的光源。本论文的主要研究对象是多波长 布里渊掺铒光纤激光器。 本文首次提出了自激的双腔多波长布里源掺铒光纤激光器。采用双腔结构，可以 在室温下得到 2x52 个间隔 11ghz 的稳定的布里渊， 这是已报道的双腔结构最好的输 出结果。同时，凭借双腔结构也可以输出双倍间隔的布里渊。文中分析了双腔结构的 特点和工作原理，并且讨论了 980nm 泵浦对结果的影响。 此外，我们还提出了一种新型的 nolm-nalm 结构的自激发多波长布里渊掺铒 光纤激光器，输出稳定的波长间隔为 11ghz 的 61 个布里渊斯托克斯线，并且输出光 谱平坦，泵浦功率阈值低。我们研究了四波混频和单纵模特性，是第一次在环形结构 的布里渊激光器中研究这些特性。发现四波混频可以产生高阶斯托克斯和反斯托克 斯，从而增多波长数，降低斯托克斯峰值功率。 关键词：关键词：布里渊，光纤激光器，多波长，自激 上海交通大学学位论文 abstract research on self-seeded multi-wavelength brillouin-erbium fiber laser abstract in order to satisfy the request of super high speed, super high capacity optical communication system, lots of optical communication models appear. among them, the wdm (wavelength division multiplexing) technique becomes a hot subject and a research frontier because of its reconfigurability, transparency, compatibility and survivability. among the active fiber components, the fiber lasers, especially the wavelength tunable fiber laser, attract researchers attention because of its simple integrity with the basic fiber systems and good temperature stability. fiber lasers are emerging as an interesting alternative to semiconductor laser diodes for use in future wdm communication system. tunable laser is the key devices in wdm fiber communication system, and is used in the fields of optical sensing system and high resolution spectroscope as well. multi-wavelengh brillouin-erbium fiber laser combines the linear gain from the edf and the brillouin nonlinear gain from the smf. in this paper, we demonstrate a dual-cavity self-seeded multiwavelength brillouin-erbium fiber laser. with such a design, 2x52 combs can be obtained with 11ghz spacing. this is the best result in similar design to the best of our knowledge. also, combs with double line spacing can also be obtained due to dual-cavity structure. we analysis the impact of 980 pump power to the combs. 上海交通大学学位论文 abstract in addition, we proposed a new nolm-nalm self-seeded multiwavelength brillouin-erbium fiber laser. the fiber laser was formed by 16.5m edf as linear gain and 12000m smf as nonlinear gain. we got 61 brillouin stokes when 980nm pump was set at 270ma output. keywords: brillouin-erbium, fiber laser, multiwavelength, self-seeded 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 近二十年来，信息时代赋予了光纤通信全新的历史使命。自 1966 年华裔科学家 高馄(charles k. kao)博士和他的同事发表的从理论上证明石英光纤可实现光信号传 输与通讯的可能性一文开始，光纤通信就注定会兴旺发展。其后由于光纤制造工艺、 半导体激光器和光电管生产技术的突破，使得光纤通信成为可能。恰逢其时，由计算 机快速革新造成了互联网的飞速扩张， 以及电信和有线电视业务的迅猛发展对信息传 输提出了新的要求，迫切需要更大容量、更加高速的通信系统。从此，信息时代的信 息需求和光纤通信技术的发展两者紧紧地联系在一起。 近年来 随着光纤通信系统的极大的应用和发展， 超快速光电子学、 非线性光学、 光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。光纤激光器在降低阈值、振荡波长范 围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。它是目前光通信领域的新兴技术，它 可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系 统和未来相干光通信的基础。目前多波长光纤激光器技术是研究的热点技术之一 。 1.2 本课题的研究意义本课题的研究意义 作为一种新型的多波长光纤激光器，布里渊光纤激光器有以下一些方面的应用 1-8。 首先，在光纤通信系统中，普遍以半导体激光器作为光源，但是当激光被耦合进 入光纤时，总是存在着耦合损耗的问题。光纤激光器则解决了这一难点，因为光纤到 光纤的耦合不仅损耗低、效率高，而且非常稳定。尤其是耦合点被焊接以后，效果会 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 更好。另外多波长的布里渊光纤激光器经过优化之后，可以实现单纵模连续输出，波 长在 50nm 范围内可调，而半导体激光器调谐范围小于 10nm，因此，多波长的布里 渊光纤激光器具有更高的波长精确控制性，更适用于多通道通信系统。 其次，多波长光纤激光器还可应用于光传感领域。一般情况下，光纤激光器以连 续波方式运转，并以布拉格光纤光栅作为激光谐振腔的反射镜，因此它的工作波长是 由光纤光栅的反射波长来决定的， 而光纤光栅的反射波长会随外界环境的温度和应力 的变化而改变。因此，利用光纤激光器可以实现对温度、应力、应变、场强、电流等 物理量的传感测量。 光纤激光器在光纤通信领域有重要的应用地位己是不争的事实， 而且还有迅速的 向其它更为广阔的激光应用领域扩展的趋势。为了满足光纤通信、激光加工、激光医 疗等领域快速增长的市场需求，美国、西欧、日本和我国纷纷加大光纤激光器的研发 力度。尤其是近几年，美国 ipg 光电公司推出的掺 yb 高功率光纤激光器系列，最大 激光输出功率己经高达几十 kw，具有高插头效率，泵浦二极管寿命长，无需机械稳 定，可在各种不同的外界条件下使用、省电、安全的空气冷却等一系列的优点，从而 在激光加工、光电探测、生物工程等领域有极大的应用前景。 总之，光纤激光器的应用范围越来越扩展，如在计算机和微电子制造业中用于各 种不同类型的微电子制造加工和数据存储加工； 在图像显示和印刷业中用于不变图像 的自动记录、显示及各种类型图像处理应用;在工业制造业中用于传统工业制造加工 和大功率二极管的泵浦光源；在医药卫生业中用于诊断及治疗的应用(如对心血管病 心脏造影、激光美容等)，在电信业中用于电信市场的有源和无源的光电子产品等各 种不同功率的光纤激光器。此外，山于光纤激光器结构小巧、紧凑，对温度与震动的 稳定性好，因此还可以应用于国防与军事领域等。 1.3 论文内容论文内容 论文的第一部分为绪论，对于课题的意义和论文的结构作了介绍。 第二章对从以下几个方面对光纤激光器作了介绍。包括光纤激光器的工作原理， 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 其分类，特点及未来的发展。并且介绍了多波长布里渊光纤激光器中涉及到的 sbs 及 edfa 原理。 第三章介绍了现在常见的几种典型结构的多波长布里渊光纤激光器及其发展。 第四章是对本论文的第一个实验双腔自激 befl 进行了介绍。 首先介绍了实验 结构及光路，然后对其得到的数据结果进行了分析，讨论了 980 泵浦对于各种性能的 影响。 第五章介绍了本论文的第二个实验nolm-nalm 腔自激 befl。着重分析了 四波混频的影响，以及对于单纵模的研究。 第六章对于论文的实验结果作了总结，同时提出了一些未来工作的方向及改进。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 参考文献参考文献 1 boyd tl, klemer d, leilabady pa, et al. a 1.55-mu m solid-state laser source for dwdm applications, journal of lightwave technology 17 (10): 1904-1908 oct 1999 2 harun sw, san cx, ahmad h, s-band brillouin/erbium fiber laser for dwdm application, journal of nonlinear optical physics 由于同样的理由， 泵浦波和斯托克斯波有相同的光纤损耗， 即 ps 。 由以上假定， 可以从 srs(受 激拉曼散射)的公式中变形得到： s bpss p bpsp di g i ii dz di g i ii dz (6) 在无光纤损耗的情况下（0） ，可以写成 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 11 ()0 ps d ii dz (7) 即沿光纤保持一常数。 方程（6）中假设了反向传输的泵浦和斯托克斯波沿相同方向偏振，并且在 光纤中偏振保持不变这是两光波沿保偏光纤主轴方向偏振的情况。有人曾经证明， 在常规光纤中，泵浦和斯托克斯波之间的相对偏振角随机变化，这时布里渊增益 gb 减小为原来的 2/317。 若要估算布里渊阈值， 可以忽略泵浦消耗。 将 00 e z sp ii 代入方程 （6） ， 并对其在整个光纤长度 l 上积分，可以发现后向的斯托克斯强度按下面的关系式成 指数上升 0 0e x p/ ssbe f fe f f iilgp lal (8) 式中， 0 0 peff pia， eff a为有效纤芯截面，有效作用长度为 leff 1 exp/ eff ll (9) 方程（8）表明了一个在 zl 处入射的反向斯托克斯信号是如何增长的，其 原因是由于 sbs 而产生的布里渊放大。如果没有馈入这样的信号，那么斯托克斯波 的增长是由光纤中的噪声或者自发布里渊散射发展起来的。 sbs 等价于在增益完全等 于光纤损耗处，每个模式注入一个虚拟的光子。我们可以得到发生在临界布里渊泵浦 功率 pcr处的布里渊阈值 /2 1 bc re f fe f f g p la （10） 式中， gb为布里渊增益的峰值。 若利用 1.55um 光通讯系统中的典型值： eff a 50um2， eff l 20km，gb=51011m/w,则由方程（10）预测的临界功率约为 1mw。 由于布里渊阈值如此之低，因而使 sbs 成为光纤中主要的非线性过程。 方程（10）预测的布里渊阈值只是一个近似值，而在实际中，很多因素都会 造成有效布里渊增益降低。例如，有人证明当泵浦光完全无规则偏振时，sbs 的阈值 增大 50。光纤的非均匀性也能影响光纤中的有效布里渊增益。光纤掺杂浓度的径 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 12 向变化会导致该方向上声速的微小变化，结果 sbs 的阈值在一定程度上与制造光纤 时光纤的掺杂浓度的变化有关18。与此类似，布里渊频移 b 沿光纤纵向变化能降低 有效布里渊增益，增大 sbs 的阈值19。因为 b 与光纤芯径有关，故可以用这些特征 人为的抑制 sbs20. 2.3.4 sbs 的应用的应用 2.3.4.1 布里渊光纤激光器布里渊光纤激光器 把光纤置于谐振腔内，就可以利用光纤的布里渊增益构成光纤布里渊激光 器。这种激光器早在 1976 年就已经制造，从此一直是人们研究的课题21-39。光纤布 里渊激光器由环形腔和 f-p 腔结构，他们各自由自己的优点。环形腔不需要腔镜，可 以用光纤定向耦合器构成。 由于谐振腔提供了反馈，激光器所需要的阈值功率会下降。考虑环行腔的结构， 利用边界条件 is(l)=ris(0), 阈值条件可以写为 rexp(gbpthleff/aeff l)=1 式中，l 是环行腔的长度，r 是斯托克斯光强经过每个循环后反馈的百分率，pth 是泵浦功率的阈值。下面给出光纤布里渊环形激光器的示意图。由于这种光纤布里渊 激光器的阈值很低，工作波长为 632.8nm 的 hene 激光器可以作为其泵浦光源，也 可以用半导体激光器来代替 hene 激光器，构成紧凑的光纤布里渊激光器。这些激 光器可以用作为感测惯量旋转的高精度激光陀螺仪。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 13 激光器 扫描光谱分析仪 分束器 透镜 方向耦合器 泵 浦 波 斯 托 克 斯 波 偏振控制器 1 2 3 4 图 2-4 光纤布里渊环形激光器示意图 fig. 2-4 ring cavity brillouin fiber laser f-p 腔结构的的光纤布里渊激光器与环形腔结构的激光器相比有不同的特性。这 些差别的原因是，由于光纤内同时有前向和后向传输的泵浦波和斯托克斯波分量， 当 低阶斯托克斯波功率达到布里渊阈值时，泵浦产生了更高一级的斯托克斯分量。通过 级联 sbs，产生了更高阶的斯托克斯波。同时，同向传输的泵浦波和斯托克斯波的四 波混沌产生了反斯托克斯分量。 为了避免通过级联 sbs 产生多条斯托克斯线，大多数布里渊激光器采用环形腔 的结构。 2.3.4.2 布里渊光纤放大器布里渊光纤放大器 光纤的布里渊增益可以用来放大频率偏离泵浦波长等于布里渊频移vb的弱信 号，人们在 20 世纪 90 年代就对这种放大器进行了研究40-42。 如果一个半导体激光器工作在单纵模状态，且其谱宽远小于布里渊增益的线宽， 那么它可以作为光纤布里渊放大器的泵浦源。 分布反馈或外腔半导体激光器最示意泵 浦光纤布里渊放大器。下图所示为试验装置示意图，在这个试验中，泵浦光经 3db 的耦合器进入 37.5km 长的光纤，在光纤的另一端入射弱信号探测光（约 10uw） ，为 使布里渊增益达到最大，其波长在布里渊频移附近可调，测得的峰值增益随着泵浦呈 指数规律变化，与理论一致。由于试验所用的光纤较长，当泵浦功率仅为 3.7mw 时， 放大器增益约为 16db。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 14 图 2-5 光纤布里渊放大器示意图 fig. 2-5 brillouin fiber amplifier 当泵浦功率低于 10mw 时，光纤布里渊激光器就能提供 30db 的增益。由于 vb4i9/2 807nm 4i15/2-4i11/ 2 980nm 4i15/2-4i15/ 2 1480nm 跃迁状态 对应的荧光辐射波长 （nm） 4i13/2-4i15/ 2 1536nm 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 17 掺杂在不同基质中的饵离子， 其光谱性质相似， 但并不完全一致。 波长在 1550nm 处的荧光跃迁主要取决于离子的电子结构而不是基质。在稀土元素中，饵也是比较特 殊的，它具有窄的吸收和发射线。即使在玻璃中，由于局域电场的作用，各个格位的 电子能级各不相同(stark 效应)，与其他稀土离子相比，饵离子的跃迁带更窄。当这种 现象更有利于得到高效率放大器时，也限制了可能放大的波长范围。光谱宽度会因基 质的不同而不同。 er3+在固态中以三价离子形式存在。er3+的电子结构是xe4f，其中xe表示 xe 的满壳层构型。所有的稀土元素都具有部分充满的 4f 壳层，并且被具有 xe 壳层构性 的外层电子所屏蔽， 因此可以观测到他们具有相似的物理化学性质。 对每个离子来说， 屏蔽作用也降低了基质电场对其的影响，导致了相似的光谱性质。 由表 3-5 可知，我们可以应用 er3+的吸收和荧光特性，实现光信号的放大。即用 波长为 807nm ,980run 或 1480run 的光泵浦掺饵光纤，当泵浦光足够强时，就可以将 大部分处于基态的 er3+离子抽运到激发态上， 处于激发态的 er3+离子又迅速无辐射地 转移到亚稳态上。由于 er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与 基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的 er3+粒子数比处于基态的 er3+粒子数多。 当信号光子通过掺饵光纤，与 er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身 完全相同的光子，这时通过掺饵光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用； 只有少数处于基态的 er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。er3+离子的 亚稳态和基态具有一定的宽度， 使 edfa 的放大效应具有一定波长范围， 其典型值为 1530-1570nm。er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产 生自发辐射，即 er3+离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会自发 地从亚稳态跃迁到基态并发射出 1550nm 波段的光子，这种光子与信号光不同，它构 成 edfa 的噪声。 由于自发辐射光子在掺饵光纤中传输时也会得到放大， 即形成放大 的自发辐射(ase)，因此在 edfa 的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。 在现有 edfa 中，大多采用波长为 980nm 或 1480nm 的光源作为泵浦源。 当泵浦光功率足够大，而信号光与 ase 很弱时，上下能级的粒子数反转很高， 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 18 并可认为 edfa 长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器的增益将达到很高的 值， 而且随输入信号光功率的增加， 增益仍维持恒定不变， 这种增益称为小信号增益。 在泵浦光功率一定时，随着输入信号光与 ase 光的增加，上能级饵粒子数的增加将 因不足以补偿消耗而逐渐减小，因而增益也逐渐下降，此时称放大器进入饱和工作状 态，增益达到饱和。 当泵浦光功率足够大，而信号光与 ase 很弱时，上下能级的粒子数反转很高， 并可认为 edfa 长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器的增益将达到很高的 值， 而且随输入信号光功率的增加， 增益仍维持恒定不变， 这种增益称为小信号增益。 在泵浦光功率一定时，随着输入信号光与 ase 光的增加，上能级饵粒子数的增加将 因不足以补偿消耗而逐渐减小，因而增益也逐渐下降，此时称放大器进入饱和工作状 态，增益达到饱和。 在泵浦阈值下，信号光通过长为 l 的光纤后，功率保持不变即 g(l)=1，经过计 算可得 edfa 的阈值泵浦功率是与信号光强无关的。 对于给定的泵浦功率，掺饵光纤存在一个最佳长度，使放大器的增益为最大。这 是由于泵浦光在掺饵光纤内被饵离子吸收，它的功率逐渐下降。如果光纤太长，当功 率下降到泵浦阈值以下时，有一部分光纤处于低阈值泵浦，这不但不能造成饵离子的 反转分布，反而吸收信号光;光纤太短，对泵浦光吸收太少，降低了泵浦光的利用效 率。当信号增益在光纤输出端为零时，该光纤长度 l。达到最佳值。 当光纤为最佳长度时，信号通过放大器后获得的增益最大。 2.4.2 edfa 的结构的结构 根据不同系统应用(如海底光缆系统、陆上干线系统、数字系统、模拟系统、视 频分配和宽带本地网)的要求，可将 edfa 作为功率放大器、中继线路放大器和前置 放大器应用，根据应用中对增益、输出功率与噪声系数的不同要求，需要采用不同的 结构方案。通常有三种基本结构，即前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦，分别如图 3-6 所示。 所谓正向或前向泵浦表示泵浦光与信号光以相同方向通过掺饵光纤，反向或后 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 19 向泵浦指以相反方向通过掺饵光纤， 双向泵浦结构中泵浦光则在两个方向同时通过掺 饵光纤。 输入信号光 输入信号光 输入信号光 泵浦源 泵浦源 wdm wdm 隔离器 隔离器 隔离器 隔离器 wdm 掺铒光纤 掺铒光纤 掺铒光纤 光滤波器 光滤波器 wdm 输出信号光 输出信号光 输出信号光 泵浦源 泵浦源 （a）前向泵浦 （b）后向泵浦 （c）双向泵浦 图 2-7 edfa 结构 fig.2-7 schematic of edfa 由图 2-7 可以看出， edfa 主要有掺饵光纤、 泵浦激光器、 光波分复用器(wdm)、 光隔离器和光祸合器等几部分构成。图中输入光信号和泵浦光经波分复用器(wdm) 合波后进入掺饵光纤(edf)在泵浦光的激励下具有放大作用， 将信号光进行放大;连接 在 edf 两端的光隔离器是为了抑制光的来回反射和激光器振荡，保证放大器的工作 稳定。 2.4.3 edfa 的性能和特点的性能和特点 1)特点 : a.高增益、高输出光功率 b.低噪声指数 上海交通大学硕士学位论文 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的基本原理 20 c.谱宽宽度从 1 53 5 到 1 56 5nm d.偏振无关特性 e.可靠的 980 nm 泵浦激光器 f.内部增益控制 g.使用与系统传输速率无关 2)性能 a.光谱范围 :(1 550 1 5) nm b.输出光功率 :1 7d bm c.光信号输入 :5d bm d.小信号增益 (- 3 5d bm) :3 5d b e.增益平坦度 : 1 d b f.噪声指数 : 5d b g.光纤连接器型式 :fc/ apc h.反射损耗 :50 d b i.光输入 /输出隔离度 :40 d b j.偏振极化灵敏度 : 0 . 2 d b k.偏振模色散 :32，因此 n3能级上的粒 子数可近似为零，从而可用二能级粒子与双波长相互作用来描述 edfa。 能量 e3 e2 e1 泵浦光 电 子 吸 收 泵 浦 光 跃 迁 激发态 无辐射跃迁32 自发辐射21 输入信号 光（弱） 输出信号 光（强） 亚稳态 受 激 辐 射 跃 迁 基态 图 4-1edfa 原理图 fig.4-1 illustration of edfa 泵浦光波长 小信号增益 输出功率 噪声系数 800nm 高 高 低 980nm 低 低 低 1480nm 低 低 高 图 4-2 为获得相同输出特性参数要求的泵浦功率比较 fig.4-2 comparison of pump power to achieve same output 为使 edfa 达到相同的输出功率、小信号增益及噪声系数所需泵浦功率是不同 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 39 的，如图 4-2 所示。此表表明，在同等情况下，980nm 波长的泵浦源所需泵浦功率较 低。 由以上分析可知，980nm 波长的半导体激光二极管是一种较为理想的泵浦源。 因 此，我们选择了 hope optic communication ltd. 生产的 980nm 泵浦光源。功率可调 节范围为 0-270ma。 edfa 的原理及结构在第三章已经有了详细的介绍。在本次实验中，使用了长度 为 16.5m 的 edf 用于构建 edfa，工作波长在 1562nm 处。 4.2.3 环形器（环形器（circulator） 所有环行器的工作原理却是相同的， 即在端口1输入的光信号只有在端口2输出； 在端口 2 输入的光信号只有在端口 3 输出，如图所示。在所谓的理想的环行器中， 在端口 3 输入的信号光只会在端口 1 输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不 必要的。因此，大多数商用环行器都被设计成非理想状态，即吸收从端口 3 输入的 任何信号，方向性一般大于 50db。 12 3 图 4-3 环形器的典型结构 fig. 4-3 typical structure of circulator 4.2.4 耦合器（耦合器（coupler） 耦合器（coupler）是将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的器件，属于光无 源器件，广泛应用在光传输系统、有线电视（catv） 、局域网中，在无源器件中和 光纤连接器同属使用量最大的。 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 40 耦合器按照制作方法分为熔融拉锥型、微光学型及波导型三种，其中熔融拉锥法 是制作耦合器最理想的方法，制作过程大致如下：将两根除去涂覆层的光纤以一定的 方式并拢，在高温下加热使其熔融，同时向两侧拉伸形成双锥体的光波导结构,从而 实现光功率在光纤间的耦合。常用的加热源是氢氧焰或丙烷氧焰等,也有采用电加热 的报导;加热原有的采用固定式,有的采用可移动式。这种方法可以用计算机较精确的 控制各种过程参量,并随时监控光纤输出断口的光功率变化,从而实现制作各种器件的 目的。 实验中使用了两个 3db（50/50）的耦合器及一个 10db（10/90）的耦合器 4.2.5 隔离器（隔离器（isolator） 光隔离器是在光通路中防止光反射回光源,即只允许光单向传输的无源器件。 从光连接器的交接面和光纤近端或远端反射回来的光再次进入半导体激光器,会 使激光 振荡产生不稳定现象,或者使激光波长发生改变。对高速直接调制-直接检测光纤 通行系统。反射光会产生附加噪声使系统劣化,必须在半导体激光器输出端串入一个 光隔离器。对相干光纤通信系统,光隔离器更是必不可少的。光纤放大器在未来的长 距离光纤通信系统有十分重要地位,光纤放大器的有源光纤的两端应接入光隔离器,以 避免有源光线由于断面的寄生腔体效应引起的激光振荡。 常用的光隔离器主要由起偏器,检偏器和旋光器三部分组成。当光入射到某一光 学器件时,其输出光速变成某一形式的偏振光,这种光学部件称为起偏器。线起偏器有 一个透光轴或偏振轴。当光的偏振方向与透光轴(偏振轴)完全一致时,则光全部通过。 实际只有部分通过或全部不通过。因此起偏器也可以作为检偏器使用。光隔离器中的 旋光器由旋光性材料和套在外面的电流线圈(或永久磁铁)组成。 借助磁光效应,使通过 它的光的偏振状态发生一定程度的旋转。旋光性材料种类很多,如钇铁石榴石(yig)晶 体对波长在 1um至2um间的红外光由良好的旋光性,某些费尔德常数大的石英玻璃也 是旋光材料。 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 41 光隔离器的主要技术指标为:对正向入射光的插入损耗,其值应越小越好,对反向 反射光的隔离度其值应越大越好。另外还包括回波损耗,偏振相关损耗 pdl 等指标。 光隔离器的制造技术不断提高,国际上已出现正向插入损耗为 1db 以下,隔离度在 40db以上的光隔离器。 国产光隔离器的工作波长范围为15201550nm， 正向损耗3db， 隔离度为 25db，实验室已做到正向损耗 1db 以下,隔离度 40db 以上。 4.2.6 偏振器（偏振器（pc） 偏振器是能够对偏振态(sop)进行滤波的一种器件,在允许一种偏振态实际上无 损耗的通过的同时,对光信号中正交的另外一种偏振态进行高度的衰减。偏振器可以 用来对偏振随机的光源产生单一的纯净的偏振态;也可以用作单一偏振态选择器对光 束的偏振态进行分析。 偏振器的一个主要参数是偏振器对单个偏振态的滤波能力,这种能力被定义为消 光比(er).消光比的定义为不需要的(或者衰减的)偏振态和正交的另外一种偏振态的 比值的对数。 4.2.7 光谱仪（光谱仪（osa） 实验中使用的 osa 为 comstar ltd. 生产的 optical test system iq-203。分辨率 0.065nm。 4.3 实验操作实验操作 4.3.1 熔接光纤熔接光纤 光纤的连接方式,分为活动连接和固定连接两大类。 (1) 活动连接方式 光纤的活动连接,又称为活接头。这种连接方式是通过光连接器实现的。光连接 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 42 器的种类较多,本设计所用的光连接器是 fc 型光连接器。光连接器由插头和插座组 成，工厂生产时根据用途制成带不同长度光纤（单心缆）的连接插头。插头通常是跳 线自带的， 有的跳线两端都有插头， 用于线路的中间连接； 有的跳线只有一端有插头， 而另一端是裸光纤，用于与其它光纤进行固定连接。fc 型插座俗称法兰盘。 活动连接方式的优点在于连接方便，便于拆卸，但是很容易带来比较大的损耗， 实验中由于用到了很多活动接头就碰到了损耗较大的情况，最大曾出现几十 db 的损 耗， 直接影响到了实验的进行。所以进行测量前要把接头用酒精或者丙酮清洗干净来 减少损耗。 （2）固定连接方式 光纤固定连接即永久性连接，习惯称死接头。在所有的光通信线路中，固定连接 是大量的，因此，固定连接对线路质量有十分重要的意义。 光纤固定连接的方法主要熔接法、机械连接法。机械连接法又分为旋转式机械连 接法和模块机械连接法，此二种方法都是将光纤对准后用粘接剂固定。因此，此二种 方法又称为光纤粘接法。 光纤固定接头的连接损耗， 由于受被连接光纤本身参数以及外部工艺等因素的影 响。因此光纤连接损耗的一致性受到一定的限制，故在工程中，以平均连接损耗来衡 量。光缆连接线路对连接损耗的要求，从实用化看，0.5db 的连接损耗已经可以满足 基本要求了，就是说光纤连接损耗达到 0.5db 表明连接技术已基本达到实用化阶段。 但随着光纤生产工艺和连接技术的不断成熟，光纤连接损耗已经大大降低，目前，机 械连接法的连接损耗典型值为 0.1db，一般平均在 0.10.2db 水平；熔接法多数可以 做到平均小于 0.1db，不少工程可以达到小于 0.05db 的良好水平。 光纤熔接法具有连接性能优良、接头损耗较小、操作较方便等优点，因而受到普 遍欢迎。本实验即采用连接光纤熔接法，因此下面对光纤熔接法进行着重介绍。 光纤熔接法，是借助光纤熔接机的电极的尖端放电，其电弧所产生的高温使被连 接的光纤熔为一体。其中大部分工程是由光纤熔接机自动完成的，但熔接前的准备工 作却是由实验人员完成，如果准备工作达不到光纤熔接机的要求，则光纤熔接机不会 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 43 自动熔接，因此熔接准备工作也是至关重要的。 光纤熔接程序有以下几个主要的步骤： 去除光纤涂层 光纤涂层， 对于松套光纤、 骨架式光纤， 主要指去除预涂层； 对于紧套光纤来说， 还包括去除尼龙外保护层。 二次涂层，一般用专用剥离钳去除；对于一次涂层，可采用预涂层钳或化学去除 剂等方法去除。实验中通常采用专用剥离钳去除的方法。 制备光纤端面 制备光纤端面是光纤熔接非常重要的一步。 光纤端面制作达到光纤熔接机的要求 才能熔接，否则熔剂机就不给熔接。单模光纤的熔接通常要求光纤端面的最大角度不 能超过 3 度，多模光纤的熔接要求稍低些，最大角度不能超过 5 度。实验室有专用的 光纤切割刀，熟练操作后比较容易达到这个要求。 光纤切割刀是根据刻痕法原理进行光纤端面的制备。 光纤端面要求断面与轴线垂 直、平整、无毛刺，目前高精度的自动切割刀和超声波切割刀可以获得较高的成功率 以及质量良好的光纤端面。 光纤端面前端裸露部分长度，一般根据光纤熔接机工作台 v 型槽尺寸和光纤热 可缩增强保护管长度决定。端面制备后应用酒精或丙酮清洗干净。 光纤熔接 此过程均由光纤熔接机自动控制，因此不予仔细介绍。熔接机将两光纤端面自动 对准，如果一切符合要求，则电极放电将光纤熔接在一起。如果两光纤端面不符合要 求，则熔接机会提示重新制备光纤端面。光纤连接好后，如果损耗较大，可以继续放 电矫正，知道损耗满足要求为止。但对于明显连接不合格的光纤接头（如有气泡等） ， 必须重新连接，以降低接头损耗。 光纤接头损耗测量、评价 光纤熔接机具有自动测量损耗的功能。对于单模光纤，连接损耗低于 0.2db 就满 足要求。只要光纤端面制备得比较好，通常连接损耗只有 0.02db。但光纤熔接机所 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 44 显示的连接损耗不一定准确，因此，目测在熔接过程中是非常重要的，是连接质量评 价的一个方面。只有通过目测确定光纤熔接部位连接无异常，如无变形、气泡等不良 状况。目测及熔接机测量通过后，还要在实际线路中测量才能真正得到实际的损耗。 如果损耗过大，必须重新连接。 光纤接头的增强保护 用熔接法连接光纤，由于光纤连接部位呈裸露状态，在完成熔接后必须采取增强 保护措施才能满足实际要求。目前较为常见的方法主要有热可缩管保护法和 v 槽硅 胶保护法 本实验采用热可缩管保护法。它是由热缩管、易熔管（软化温度为 80 度） 、钢针 组成。当在光纤熔接之前套上热缩管（光纤穿入易熔管） ，在完成熔接后置于专用加 热器上使之在一定温度下易熔管软化为新的一次涂层；热缩管收缩成为新的二次涂 层；钢针在内部起到抗压抗拉的作用。 建议试验中尽量采用固定连接方式，避免差生较大的损耗。但试验中有一些器件 有固定的珐琅口，剪断重新焊接不便，给本实验带来一些被证明是比较大的损耗。 4.3.2 操作时应注意的问题操作时应注意的问题 （1）实验中需要焊接的光纤很多，而焊接处不加套管保护的情况下容易损坏， 所以再焊接的光纤处用贴纸做标记，以方便检查光纤是否被折断。 （2）尽量降低连接损耗。光纤的固定连接和活动连接都有损耗，实验中应尽量 避免不必要的损耗。跳线的插头一定要对准法兰盘，插入之前最好用酒精或丙酮清洗 干净。当拔出不用时，一定要用塑料帽将其盖住，避免粘上空气中的灰尘。对于固定 连接，光纤端面的制备是非常重要的，端面角度越小越好，放入熔接机之前也要用酒 精或丙酮清洗干净。另外特别要注意的是接头有 pc 和 apc 两种，分别为端面倾斜 和平整的，两种不可以混连，会有很大的连接损耗。实验中 980nm 泵浦的输出的接 头是倾斜接口的。 （3）整个实验过程必须耐心、细心。光学实验要求精度比较高，而且实验仪器 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 45 大多比较精密或昂贵（如 osa,光纤熔接机等） ，应按操作步骤使用，以免损坏。另外 整个实验中用到的光器件很多，光纤连接复杂，应做好标记，以方便检查。 （4）实验环境的清洁对于光学实验，清洁度的要求是很高的。进入实验室前， 要穿上专用的实验用服，并风淋除尘。实验室内，必须保持实验平台的清洁，实验产 生的杂物放在专门的垃圾袋内，同时保持地面的清洁。 （5） 超净室中的实验平台或者仪器会积累静电， 特别是 osa 和 tunable laser 的 输出口。实验时可以将仪器后面的螺丝与平台相连导出静电。 4.4 双腔自激双腔自激 befl 的实验结构的实验结构 980 pump-1 edf-1 edf-2 circir smf 10/90 coupler osa-1 osa-2 a b c de f wdm-1 wdm-2 980 pump-2 10/90 coupler 图 4-4 双腔自激 befl 的实验结构 fig.4-4 schematic of dual-cavity self-seeded befl 图 4-4 是实验采用的双腔自激 befl 的实验结构，与14，15相比，没有采用外 接的 brillouin 泵浦源。 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 46 4.4.1 实验器材实验器材 edf：16.5m x 2 smf：12km 耦合器： 10db2 个 1550/980nmwdm：2 个 980nm 泵浦源：2 个 环形器：2 个 osa：comstar ltd. 生产的 optical test system iq-203。分辨率 0.065nm 4.4.2 光路分析光路分析 双腔的 befl 是由两个共享同一段 smf 的腔构成的。在本实验中，两个腔分别 是顺时针 (cw) 方向的 a-b-c-d-e-f-a 腔和逆时针方向 (ccw)的 f-e-d-c-f 腔。光路运 行图可以如下理解： 980 泵浦 1 经过 1550/980wdm 进入光路，在经过 edf-1 的线性放大后，通过环 形器 c，在 smf 中形成后向散射波，可以认为是一阶 stokes 的产生，比之输入光波 有 11ghz 的频移，一阶 stokes 将有 10%由 osa-1 输出进行观察，余下 90%将重新进 入光路。重新进入光路的 stokes 波将沿 ccw 路线由 f-e-d-c-f 进行循环，并由 osa-2 输出。所以 osa-1 和 osa-2 将分别得到两套类似的光谱，但是相互之间有 11ghz 的平移，而每套光谱的波长间隔将比之普通的 befl 大一倍。因此，可以输出两种不 同间隔的光谱是双腔 befl 的一个很大的优势。 4.4.3 产生机理产生机理 自激的多波长布里渊光纤激光器的产生机理如下： 首先在谐振腔内产生作为布里 渊泵浦的波长 p。同时，反向产生了窄线宽的布里渊，波长为 b=p,其中 为 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 47 布里渊频率的平移。在经过这样的多次循环后可以得到多波长的输出。如下图 4-5， 布里渊斯托克斯光 b在每次循环中会经过两次放大： 1：edf 中产生的线形增益。 2：smf 中产生的非线性增益。 当布里渊增益达到一定程度时，总增益会呈现出非均匀展宽的特性。传输过程中 的损耗与增益决定了布里渊产生的波长。但在绝大部分情况下，在增益的最大处会产 生布里渊。 图 4-5 自激 befl 中布里渊每次循环经过两次放大 fig. 4-5 double amplify of brillouin in every circle 自激发多波长布里渊掺铒光纤激光器的工作原理如下： 首先在环形激光腔内建立 最初的激光振荡模式，然后在单模光纤中，受激布里渊散射产生窄线宽的布里渊斯托 克斯。 如果放大的光超过阈值， 斯托克斯光做为布里渊泵浦激发下一阶的斯托克斯光。 系统 90%的光进入下一个循环，掺铒光纤提供线性增益，单模光纤提供非线性增益， 循环一直进行到总的损耗和总的增益相等。 上海交通大学硕士学位论文 第四章 双腔自激多波长布里渊掺铒光纤激光器 48 4.5 多波长实验结果多波长实验结果 1576157815801582158415861588 -45 -40