（光学专业论文）光纤光栅调谐技术、应用及宽带可调谐掺铒光纤激光器研究.pdf

摘要 . . . . .， ， ， ， ， ， . ， . . . 同时测f,墓于所用光谱分析仪 0 . 1 n m的波长分辨率，测t的曲率分辨率为 0 .0 3 6 m l ,温度分辨率为0 .8 8 0 c ，实验证实该方案可完全避免常规 f b g传感中 的温度应变交叉敏感效应。 6 .首次提出了一种新型的可调谐叨嗽光纤光粗色散补偿器设计方案，该方 案具有色散调谐对中心波长的不依赖性，非常适合于对光纤通信中固定波长信 道的可调谐色散补偿。 论文理论分析了其色散补偿可调谐的原理， 并通过数值 模拟的方法分析了 其在不同调谐程度下的色散补偿能 力，以 0 . 6 5 2单模光纤为 例给出了可完全色散补偿的光纤长度。 7 . 介绍了 掺饵光纤放大系统均匀展宽二能级模型的 基本理论， 研究了 掺饵 光纤器件的宽带化发展趋势，采用新的设计得到了工作波长搜盖 c + l波段的宽 带的a s e光源和并联结构的掺饵光纤放大器。 前者在超过 8 0 n m的范围内 具有 比较平坦的、总功率达 1 3 .5 d b m的宽带输出， 后者充分利用了泵浦产生的无用 的反向a s e 来提高l 波段e d f a的 泵浦效率， 在两个波段同时获得了高的、 平 坦的增益。 8 .首次用一种简单的理论模型，通过数值模拟的方法研究了可调谐掺饵光 纤环形腔激光器的输出 特性及其随掺饵光纤长度、输出拐合比、腔内损耗和泵 浦功率等参数的变化，并实验获得了可调带宽超过 l 0 0 n m的、高功率的单波长 窄线宽激光输出，实验结果较好地验证了理论模拟分析. 9 .首次实验获得了 调谐范围超过 l 0 0 n m的单波长窄线宽线性腔掺饵光纤 激光器，通过理论模拟与实验研究了其输出功率和可调谐带宽随掺饵光纤长 度、输出祸合比 ( 腔镜反射率)、腔内损耗等参数的变化，实验证实激光器具 有 高 的 输 出 功 率 和 信 嗓 比 沙 关 。 词 : 光 纤 光 袱， 嗽 光 纤 光 纤 窿属 封 装 、 位 移 传 感 、 曲 率 传 感 、 带 宽 调 宽 带 a s e 光 源 、 掺 饵 光 纤 放 大 辆e d f 段、环形腔、线性腔、可调谐、数值模a )v i,/ 掺 饵 光 ” - -一-一一一- u . 击开大母博士母恰我 abs tract i n t h e in f o r m a t i o n e r a , o p t i c a l fi b e r h a s b e e n w i d e l y u s e d a s t h e m o s t im p o r ta n t t r a n s m i s s i o n m e d i u m . v a r i o u s o p t i c a l fi b e r d e v i c e s h a v e b e e n d e v e l o p e d , w h i c h g r e a t l y e n h a n c e t h e fl e x i b i l ity o f t e l e c o m m u n ic a t i o n n e t w o r k s . i n t h i s t h e s i s , f i b e r b r a g g g r a t i n g ( f b g ) a n d e r b i u m - d o p e d fi b e r l a s e r ( e d f l ) , b e i n g i m p o r t a n t p a s s i v e a n d a c t i v e fi b e r d e v i c e s , h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d t h e o re t i c a ll y a n d e x p e r i m e n t a l l y . t u n i n g t e c h n i q u e s f o r f b g w a v e l e n g th a n d b a n d w i d t h h a v e b e e n s t u d i e d a n d d e v e l o p e d . wi d e l y t u n a b le e d f l w i t h i n th e c - b a n d a n d卜b a n d h a s b e e n a c h i e v e d b o t h i n r in g a n d l i n e a r c a v i t i e s . t h e o u 却 u t c h a r a c t e r i s t i c s a s f u n c t i o n s o f s e v e r a l c a v i ty p a r a m e t e r s h a v e b e e n s t u d i e d . t h e m a i n c o n t e n t s a r e l i s t e d a s f o l l o w s . 1 . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f f b g h a v e b e e n s t u d i e d衍 m e a n s o f t h e c o u p l e d - m o d e t h e o ry a n d t h e t r a n s f e r m a t r i x a p p r o a c h . r e fl e c t i v i ty a n d d i s p e r s i o n o f s e v e r a l t y p e s o f f b g , s u c h a s u n i f o r m p e r i o d f b g , a d a p t e d f b g , p h a s e - s h i ft e d f b g , a n d p h a s e - s h i ft e d c h i r p e d f b g h a v e b e e n d e m o n s tr a t e d b y n u m e r i c a l m o d e l i n g . 2 . t h e p r i n c i p l e s a n d t e c h n i q u e s o f t h e w a v e l e n g t h t u n i n g o f f b g h a v e b e e n s t u d i e d . e l e c t r i c a l t e c h n i q u e s b y u s i n g a m e t a l t u b e a n d a lu m i n u m v a c u u m c o a t i n g h a v e b e e n p r o p o s e d . h i g h t u n in g r a t e o f 2 . 1 x 1 0 n m / ( m a ) 2 h a s b e e n o b t a in e d . f u r th e r m o re , th i s t e c h n i q u e h a s s u c c e s s f u l l y b e e n u s e d t o c h a n g e t h e m o d e o f a f b g e x t e r n a l c a v i t y s e m i c o n d u c t o r l a s e r , re s u l t i n g i n c h o o s i n g o f a l a s e r w a v e l e n g t h e le c t r i c a l l y a m o n g s i x m o d e s t h a t c o v e r 5 n m r a n g e . 3 . f o r t h e fi r s t t i m e , a t e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t e d f b g d i s p l a c e m e n t s e n s o r b a s e d o n c a n t i l e v e r b e a m s t r u c t u r e h a s b e e n d e m o n s t r a t e d . t h e c a n t i l e v e r w a s f o r m e d b y s t i c k i n g o n e e n d o f a p o l y m e r b e a m o n t o a n a l u m in u m b a s e p l a t e . b y a t t a c h i n g a f b g o r t h o g o n a l l y o n t h e j o i n t s e c t io n , d is p la c e m e n t o f t h e b e a m s e n d a n d t e m p e r a t u r e c a n b e e n m e a s u r e d s i m u lt a n e o u s l y d u e t o t h e d i ff e r e n t re s p o n s e s o f t h e t w o f b g . s e c t io n s . r e s o l u t i o n s o f t h e s e n s o r , l im i t e d勿 t h e s p e c t r a l r e s o l u t i o n o f t h e o p t i c a l s p e c t r a l a n a l y z e r ( 0 . 1 r u n ) , a re 0 . 0 8 m m a n d 3 . 1 0 c ( i n t h e c a s e o f n o d i s p l a c e m e n t , i t w i l l b e 0 . 7 3 0 c ) . a m a x i m u m ra n g e o f 1 0 .5 m m h a s b e e n a c h i e v e d w i t h o u t a n y d a m a g e t o t h e f b g . 4 . f o r t h e f i r s t t i m e , a l i n e a r c h i r p i n g t e c h n i q u e f o r f b g w i t h o u t c e n t e r w a v e l e n g t h s h i ft h a s b e e n re a l i z e d . b y a t t a c h i n g a f b g i n a s l a n t e d d i re c t i o n o n t o t h e s i d e 一一一-一-一-一 一川 . 宁济 a b s t r ac t 一一一二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 f a c e o f a fl e x i b l e b e a m , s t r a i n g r a d i e n t c a n b e e n f o r m e d a l o n g t h e l e n g t h w h e n t h e b e a m i s b e n t t h a t p r o d u c e s a l i n e a r v a r i a t i o n i n t h e g r a t i n g p i t c h . t h i s p e r m i t s a t u n a b l e c h i r p w i t h o u t c e n t r a l w a v e le n g th s h i ft . w i t h t h i s t e c h n i q u e t h e b a n d w i d t h o f a f b g h a s b e e n t u n e d fr o m 0 . 4 2 mn t o 1 1 . 3 2 n m. t h e l a t e r w a s t h e ma x i mu m v a l u e re p o rt e d a t t h a t t i m e ( n o w i t i s 1 8 .3 n m , a c h i e v e d u s i n g t h e s a m e t e c h n i q u e w it h t h e a u t h o r s c o o p e r a t io n ) . a n d th e t u n i n g r a t e is 2 .7 4 n m / m . 5 . a n o v e l t e m p e r a t u r e - i n d e p e n d e n t f b g b e n d s e n s o r u s i n g c h i r p e ff e c t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d . i t w a s re a l i z e d b y a t t a c h i n g a f b g i n a s l a n t e d d i re c t i o n o n t o t h e s i d e f a c e o f a fl e x i b l e b e a m . d u e t o l i n e a r re s p o n s e s o f t h e b a n d w i d t h t o c u r v a t u re a n d t h e b r a g g w a v e l e n g th t o t e m p e ra t u re , s i m u l t a n e o u s m e a s u re m e n t o f c u r v a t u re a n d t e m p e r a t u r e h a s b e e n a c h i e v e d w it h a s in g l e f b g . t h e re s o l u t i o n s a r e 0 .0 3 6 rn a n d 0 . 8 8 0 c fo r 0 . l n tn s p e c t r a l re s o lu t io n . t h e c r o s s - s e n s it i v e e ff e c t b e t w e e n s t r a i n a n d t e m p e r a t u r e t h a t d i s t u r b s t h e c o m m o n f b g s e n s o r s i s c o m p l e t e l y a v o i d e d . 6 . a n e w d e s i g n f o r f b g d i s p e r s i o n c o m p e n s a t o r w i t h t u n a b l e c o m p e n s a t i o n a b i l i ty h a s b e e n p r o p o s e d . t h e d i s p e r s i o n t u n i n g i s fr e e fr o m s h i ft o f t h e c e n t e r b r a g g w a v e l e n g th t h a t i s v e ry i m p o r t a n t t o a c o m p e n s a t o r d u e t o t h e f a c t t h a t t h e d i s p e r s i o n i s c h a n g e d w i t h t h e fi b e r l e n g t h w h i l e t h e c h a n n e l w a v e l e n g t h i s a lw a y s f i x e d . f o r g .6 5 2 fi b e r , t h e le n g t h w h o s e d i s p e r s i o n c a n b e c o m p e n s a t e d c o m p l e t e l y w i t h d i ff e re n t t u n in g d e g r e e o f t h e c f b g c o m p e n s a t o r h a s b e e n f i g u r e d o u t b y n u m e r i c a l m o d e l i n g . 7 . t h e f u n d a m e n t a l t h e o ry o f e d f a m p l i f i c a t i o n s y s t e m h a s b e e n i n t r o d u c e d b y u s i n g a h o m o g e n e o u s b r o a d e n i n g t w o - le v e l s m o d e l , a s w e l l a s t h e b r o a d e n i n g t re n d o f e r b i u m - d o p e d f i b e r d e v i c e s i n r e c e n t y e a r s . n e w d e s i g n s f o r b r o a d b a n d a s e s o u r c e a n d e d f a w i t h w a v e l e n g t h r a n g e c o v e r i n g b o t h c - b a n d a n d l - b a n d h a v e b e e n d e mo n s t r a t e d . 8 . o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c s o f t u n a b l e e r b i u m - d o p e d f i b e r r i n g l a s e r h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d b y u s i n g a s i m p l e t h e o r e t i c a l m o d e l f o r t h e fi r s t t im e . t h e e ff e c t s o f t h e e d f l e n g t h , o u tp u t c o u p l in g r a t i o , i n t r a - c a v i ty lo s s , a n d p u m p p o w e r h a v e b e e n s t u d i e d . t u n i n g r a n g e o v e r 1 0 0 n m h a s b e e n o b t a i n e d w i t h o p t i m iz a t i o n , a s w e l l a s h i g h o u t p u t p o w e r . t h e e x p e r i m e n t a l re s u l t s a g r e e w e l l w it h t h e s im u l a t i o n r e s u l t s . .i v 令开大李博士甘备大 9 . f o r t h e f i r s t t im e , l i n e a r c a v i t y e d f l w i t h la r g e t u n i n g r a n g e o v e r 1 0 0 n m h a s b e e n d e m o n s t r a t e d b y e x p e r i m e n t a t i o n , a n d t h e o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c h a s b e e n s t u d i e d a s a f u n c t i o n o f e d f l e n g t h , o u t p u t c o u p l i n g r a t i o ( n a m e l y , r e fl e c t i v ity o f t h e c a v i t y m i r ro r ) , a n d i n t r a - c a v i ty l o s s b o t h b y t h e o r e t i c a l m o d e l i n g a n d b y e x p e n r a t i o . t h e l a s e r s h o w s h i g h o u t p u t p o w e r a n d h i g hs t 幼a l - t o - n o i s e k e yw o r d s : f i b e r b r a g g g r a t i n g , c h i r p e d fi b e r b r a g g g r a t i n g , m e t a l c o a t i n g , d i s p l a c e m e n t s e n s o r , b e n db a n d w i d t h t u n i n g , d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n , b r o a d b a n d a s e s o u r c e , e d f a , e r b i u m - d o p e d f i b e r l a s e r , r i n g c a v i ty , l i n e a r c a v i ty , n u m e r ic a l m o d e l i n g -. . . 口 . . . . . . 白 目 . -. . .卜 . .，叫 口. .曰 山. .月 . . . . 叫， . 卜. . .叫 .网 口. . . . ， . 曰 . . . . v 南 开大 母谁士心位德我 第一章绪论 11 . 1光纤及光纤通信技术发展的历史回顾 人类很早就认识到用光可以 传递信息。 两千多年前在我国 就有了 用光传递远 距离信息的设施 烽火台: 十八世纪末期西方出现了 用灯光闪烁、 旗语等传递 信息的方法。1 8 8 0 年，以发明电 话而著名的发明家a l e x a n d e r g r a h a m b e l l 利用 太阳光作光源， 硒晶 体作为光接收器件， 成功地进行了光电话的实验， 但大气作 为传输介质损耗很大， 无法避免气象条件的影响和各种外界的 干扰， 传柏距离很 有限。在接下来的几十年间，利用光进行的信息传递只在一些特殊的场合应用， 如船与船之间的通信，新的技术尚在酝酿之中。 人类对全内反射导光的认识可以追溯到十九世纪中叶， 瑞士和法国的物理学 家发现喷射的水柱可以导光， 并应用于喷泉演示. 随后出现用弯曲的石英棒内反 射导光做成的牙医用的照明器。 光纤的诞生将这种技术提升了一大步. 最初的光 纤由 透明的玻璃棒或聚合物拉制而成， 没有包层， 因此导光性能很差， 但长而且 易弯曲。 1 9 3 0 年， 德国的l a m m用一束短光纤首次成功地进行了图象传输。 1 9 5 4 年， 荷兰的a b r a h a m v a n h e e l 发明了包层光纤， 大大提高了光纤的导光性能。 玻 璃包层光纤随后出 现，但是它的衰减损耗仍然很大， 在 1 9 7 0 年以前，光纤的损 耗的典型值为1 0 0 0 d b / k m ， 人们可以 用它制造在医疗上用的内 窥镜， 但离光通信 的要求 ( 2 0 d b / k m) 还相差太远.因此，当时有很多科学家和发明 家认为光纤通 信的希望渺茫，失去信心而放弃了光纤通信的研究。 在这种情况下，1 9 6 6 年7 月，英国标准电信研究所的英藉华人高馄 ( k . c . k a o ) 博士和g . a . h o c k h a m就光纤传输的前景发表了 具有重大历史意义的论文， 论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因， 大胆地预言， 只要能设法降低玻瑞纤维 的杂质， 就有可能使光纤的损耗降低到2 0 d b / k m 。 这篇论文的发表掀起了低损耗 光纤研究的热潮。1 9 7 0 年，美国 康宁玻瑞公司 ( 现康宁公司)的r o b e rt m a u r e r 等三人，首先研制出传输损耗低于 2 0 d b / k n 、 的光纤。这样低损耗的光纤，在当 时是 惊人的 成功， 使光 纤通 信有了 实 现的 可能 1 1 1 光纤通信的另一重要技术是光通信的光源，因为传送光信号不能用普通的 光。太阳光、灯光的频率和相位是杂乱的，不能用于大容f的通信。1 9 6 0年美 国人t . h . ma i m a n 发明了红宝石激光器， 使人们获得了性质与电磁波相同、 而且 频率和相位都稳定的光激光.激光的出现使人类进入了近代光通信的时代， 但是红宝石激光器还不能在室温条件下连续工作。1 9 7 0年贝尔实验室的 1 . 峪 一章 价份 h a y o s h i 等 人研制出 能 在室 温下连续工 作的 半 导 体激光 器， 这种激光 器只 有米粒 大小。 尽管最初的激光器的寿命很短， 但这种激光器已 被认为可以作为光纤通信 的光源. 由 于光纤和激光器的重大突破， 使光纤通信有了实现的可能， 因此1 9 7 0 年被 认 为 是 值 得纪 念 的 光 纤 传 输元 年 (z 1 1 9 7 0年这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，立 即引起了各国电信科技人员的重视， 竟相进行研究和实验。1 9 7 4年美国贝尔实 验室发明了低损耗光纤制作法 ( c v d法，即汽相沉积法) ，使光纤损耗降低到 1 d b / k m ; 1 9 7 7 年， 贝尔实验室和日 本电 报电 话公司几乎同时研制成功寿命达1 0 0 万小时( 实用中1 0 年左右) 的半导体橄光器， 从而有了 真正实用的激光器。 1 9 7 7 年， 世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市 投入商用， 速率为4 5 m b / s . 进入实用阶段以 后， 光纤通信的发展极为 迅速， 系统已 经多次更新换代。 2 0 世纪7 0 年代的第一代光纤通信系统主要是用多模光纤和短波长 ( 8 5 0 n m) 波段， 在该波段光纤损耗的典型值为2 d b / k m ; 8 0 年代以 后， 第二代光纤通信系统信号 源采用新研制的1 3 1 0 m n i n g a a s p 激光器， 光纤逐渐采用单模光纤， 光纤的损耗 减至0 . 5 d b / k m:到 9 0 年代初，通信容童扩大了5 0 倍，达到2 .5 g b / s :进入9 0 年代以后，光纤的传输波长转向 更长的 1 5 5 0 m n ，该波段光纤损耗的典型值为 0 .2 d b / k m ， 并且开始使用掺饵光纤放大器( e d f a ) 、 波分复用 ( wd m) 、 色散管 理、分布式喇曼放大等新技术，光纤通信的容f继续成倍增长:现在已经达到 t b / s f级3 1 ，并 在长途通信干线和城域网获得广泛应用。 我国从7 0 年代初开始光纤通信的研究，发展一直非常迅速， 在许多领域取 得突破。1 9 7 9 年7 月建成第一个8 mb / s , 5 . 7 k m室内实验系统，1 9 8 2 年建成第一 个8 m b / s , 1 3 .2 k m现场试验系统. 从1 9 9 1 年起， 我国己 不再建长途电缆通信系 统，而大力发展光纤通信。在 “ 八五”期间，建成了含2 2条光缆干线、总长达 3 3 0 0 0 公里的 “ 八横八纵”大容f光纤通信千线传输网。 1 9 9 9 年 1 月， 我国第一 条高 传 输速率的国 家一级干 线 ( 济南 青岛) 8 x 2 .5 g b / s 波分复 用系统建成 (4 1 2 0 0 1 年国内 光通信公司华为、 中兴开发的3 2 x i o g b / s d wd m通信系统分别中 标 云南、广西移动传输骨千网和重庆移动s d h干线、铁通京哈传输干线、武汉城 域网 等5 1高比 特率、 大容f的 光纤通信系统正在将我国 推向信息时代的浪潮。 一 1 .2 光 纤 光 姗 技 术 的 发 展 概 况 伴随着光纤结构的完善以 及对其光学性能的进一步研究， 在传统的光学领域 冲开辟了 光纤光学新分支， 并且发展十分迅速。 基于光纤本身的有源器件 ( 如光 纤放大器和光纤激光器) 和无源器件器件( 如熔融拉锥光纤祸合器) 等不断问世。 门 . . . . . . . . . . . . . . . .2. 肠开大母博士母位份人 器和功率放大器. 现在， e d f a已经广泛应用于有数字通信 ( 如5 d h ) 系统、 波 分复用 wd m) 系统和光纤有线电视 ( c a t v ) 系统等领域。 e d f a在w d m系统中应用时， 要考虑增益平坦和增益锁定的问题。 受掺饵 光纤的 增益谱形所限， 其对不同的 波长的增益亦不相同。当e d f a在wd m系 统级联使用时， 由于此不平坦性的积累， 会使增益较低信道的光信嗓比迅速恶化， 从而影响系统性能. 针对这一问 题， 国内外研究人员进行了许多方面的尝试， 采 用的措施主要可分为两种:一是研制自 身增益平坦的e d f , 如在e d f中掺入少 f的 铝或 磷， 或 者 使 用氛 化物 基 质光 纤 4 3 ,4 4 : 二 是 在e d f a 使 用各 种增 益平 坦 滤 波器，如平面波导滤波器、介质膜滤波器、ma c h - z e h n d e r干涉滤波器、声光可 调 滤波器、 长周 期 光纤光栅等1 1 9 ,4 5 .4 6 1 . 两 种方法经 常 被一 起使 用， 我们实 验室 采 用长周期 光纤 光栅和高 掺铝e d f 做过这 方面的 工作， 取得了 较好的效果 14 7 增益锁定是指e d f a在一定的输入光功率范围内 提供恒定的 增益， 这样当一 个信道的信号上下载或功率发生变化时， 其他信道的增益不会受其影响。 最常用 的方法是通过控制泵浦电流来达到增益锁定。 这种方法容易实现， 有锁定范围宽 的优点。 但其最大的缺陷是响应时间较慢，由 徽处理器控制的泵浦电流响应一般 需数百毫秒， 难以解决突然上下光路造成的浪涌问题。 另一种方案是全光增益锁 定。 将e d f a输出 光的一部分经过带通涟波器接到愉入端， 形成一个负反馈系统。 当输入信号光增大时， 通过带通滤波器返回到输入端的带外输出光功率变小. 使 得信号光获得的泵浦功率增加， 从而达到增益锁定的目 的。 由于这个过程是全光 的过程， 因此， 具有很好地响应速度。 这种方法的缺点是动态范围较小. 采用双 波长反馈形成激射的控制方法，可能有助于提高其动态范围。 随着技术的发展和要求， e d f a的研究除以上提到的增益控制和锁定外， 还 呈现以下几个热点: 一、l波段 e d f a l波段 ( l o n g w a v e l e n g t h b a n d )是指在常规 e d f a增益波段长波侧的 1 5 7 0 - 1 6 0 5 n m波段。 由 于光纤通信的容f急剧增加， 对放大器的带宽提出 更高的 要求， l 波段e d f a的应用可以 在原有的c波段墓础上使带宽扩大一倍，因 此 成为研制的热点. l 波段的e d f a主要有两种: 一为增益位移e d f a ，由 于出现 较早， 也 称为l 波 段e d f a 1 4 1 ) . 利用长 度是传统e d f a 4 - 5 倍的e d f ， 在较低 粒 子数反转程度下可在1 5 7 0 - 1 6 0 5 w n 的l 波段获得平坦增益;二是掺饵蹄化物光 纤 放 大 器( e d t f a ) 14 8 1 . e d t f a采用 啼 化物 墓 光 纤， e r a 可在 更大的 带宽范 围 内具有高的受滋发射截面，尤其是在 1 6 0 0 n m 波长以 后，其受激发射截面是在氛 化物和石英基光纤中的两倍， 这样就减小了因受激发射截面变小而导致的激发态 .! !. 挤章 绮份 对信号的吸收， 进而使放大器维持较低的嗓声指数。 研究证实， e d t f a增益高 于2 0 d b 的带宽可达8 0 n m ， 低的噪声指数可维持到1 6 2 0 n m。 因此， e d t f a是实 现l 波段， 尤其是波长超过1 6 0 0 n m的光纤放大器的 合适的选择. 但目 前仅有日 本的n tt 公司能生产，而且制备技术极为封锁. 二、包层泵浦接饵光纤放大器和接饵波导型放大器4 9 ,5 0 长途传输系统需要大的功率放大器， 所以e d f a具有大的饱和输出功率非常 重要， 包层泵浦e d f a可以 大大地提高泵浦效率， 将更多的泵浦光功率转化为信 号光功率， 从而提高放大器的饱和输出功率， 因此其研制受到重视。 波导型掺饵 放大器具有尺寸小、 温度稳定性高、 偏振维持特性好等许多优点， 而且可与wd m 波长选择器、 滤波器、 复用器等集成， 手工少， 可批t生产，因此也是未来光放 大器的理想选择之一。 三、e d f a / f r a棍合放大器 f r a ( 光纤喇曼放大器) 是近几年光纤通信界 研究的热点之一， 其吸引人的主 要特点有三个:a 、增益波长由泵浦光波长决定，可得到光纤可用带宽内任意波 长的信号增益: b 、可利用传输光纤作为增益介质，对信号进行在线的分布式放 大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底通信系统;c .嗓声 低。f r a 的主要不足是泵浦效率很低，因此需要的泵源功率比较高，成本居高 不下.目 前， 其最重要的 应用是作为分布式光纤放大器与e d f a一起用于w d m 系统的中继放大。 应用该放大技术可大大降低传输光纤的非线性效应， 提高系统 传输的 信嗓比， 和增加 信号 传输距离， 是目 前w d m系 统升 级的 关 键技术之一5 q 1 . 4 . 2接饵光纤激光器的研究与发展 掺饵光纤激光器可以 提供光纤通信第三窗口 ( 1 5 5 0 n m波段)的宽带可调谐 窄带激光光源， 而且具有低阂值、 高功率、 高信噪比、 高温度稳定性、易于与光 纤系统集成等优点，因此成为未来高速大容f光纤通信系统的理想选择，同时， 也可为系统测试和光纤传感提供理想的光源， 因此引起了 广泛的研究兴趣。 经过 多年的发展， 掺饵光纤激光器已 经在单频光纤激光器、 窄线宽 ( 可调谐) 光纤激 光器、调q光纤激光器和锁模光纤激光器等领域获得广泛的 研究与发展。 一、单频接饵光纤激光器 单频掺饵光纤激光器也称单纵模接饵光纤激光器， 顾名思义， 只有一个纵模 的激光起振，因此线宽非常小，典型的理论值小于 1 k h z 。但受腔的稳定性等环 境因紊的影响比较大， 理论值很难达到， 而且与半导体激光器相比， 光纤激光器 的腔长一般比 较大， 所以纵模间距小， 想要得到单纵模激光输出就必须使腔具有 更高的波长选择性，以保证只有一个纵模的光起振。 此类激光器已经利用窄线宽 .1 2 岛开大母 件士母 位伦久 光 纤 光 姗 2 3 】或 干 涉 滤 波 器 3 2 1实 现。 由 于 饵 光纤的 非 均 匀展 宽 特 性， 在驻 波 腔中 存 在光谱烧孔效应， 饵光纤 对与 激射棋相邻的纵模的增益高于对激射模的 增益， 要 求波长选择对相邻模式的衰减必须大于其高出的增益，才能保证相邻模式不起 振， 所以 采用 行波腔 结 构 如 环形 腔更 容易 得到单模翰出 5 3 1 。 还有一种方 法称为 注 入 锁定( i n j e c t i o n lo c k in g ) 法， 通 过 注 入一 个与 激 光 腔纵 模匹 配的 窄 带 光， 使 其 达到闷 值激射， 从而 抑制 其 他 模式的 起振， 也可以 得到 单纵模激 光输出 s a t 二、窄线宽 ( 可调谐) 拾饵光纤激光器 窄线宽掺辑光纤激光器又称单波长窄线宽拾饵光纤激光器， 其线宽一般小于 o . i n m ，对应于数十到数百个纵棋。有两种方法可以实现这种光纤激光器:一是 光纤 光 姗法; 二 是f - p 涟 波 器 法 5 5 1 . 其中 ， 光 纤光 姗 是反 射 型 波 长 选 择 器 件， 带 宽窄、 插入损耗小、 无偏振选择特性， 可以直接作为线性腔的 端面反射镜用， 或 者为环形腔提供波长选择性反馈， 从而得到窄线宽徽光输出。 而f - p 滤波器法则 是透射型波长选择器件， 其带通宽度取决于其精细度， 对与其带通波长相同的光 损耗很小，不同的光损耗很大，因此也可以形成窄带激光. 掺饵光纤激光器的可调谐特性非常重要， 窄线宽可调谐掺饵光纤激光器无论 是在光纤wd m通信系统， 还是在光纤传感、 光纤放大器测f等领域都有重要的 应用。 用前述两种滤波方法都可以得到窄线宽可调谐掺饵光纤激光器。 对光纤光 栅， 只要使其沿轴向 发生应变或改变温度就可以改变其布喇格波长， 从而改变激 光波长，但这种方法受 f b g调谐范围的限制，调谐范围不是很大。f - p滤波器 可以 通过改变反射端面之间的距离来调谐， 一般利用压电陶瓷法， 调谐范围可以 大于1 0 0 n m 。 值得一提的 是光纤f - p 滤波器， 其与光纤的 辐合性好、 插入损耗低， 是 一 种很 有吸 引 力的 调 谐 方 案 5 6 1 。 另 外， 利 用声 光调 制 滤 波 器 ( a o m ) s 1 、 双 折射滤波器 ， 1 等也 可以 得到 窄 带 可调谐 掺饵光纤激光器。 三、 调q拼饵光纤橄光移 除连续波光纤激光器以外， 人们还经常要用到短脉冲光纤激光器， 如作为分 布式传感或距离探测的激光源等。 在该领域， 半导体激光二极管虽然同样具有方 便和集成度高的优点， 但是半导体材料损坏门值太低， 无法承受超短脉冲的高功 率. 而光纤激光器可以承受很高强度的光， 不会损坏， 所以半导体滋光二极管泵 浦的光纤脉冲傲光器具有光明的前景. 用调 q方法直接调制光纤激光器可以 产 生短的脉冲激光.1 9 8 6年， 人们把声光调制器分别放1在接饵光纤激光器产生 了 调q 光 脉 冲 5 9 1 。 从 那以 后， 出 现了 多 种 形 式的 调q 光 纤 激 光 器。 调q 光 纤 激 光器可以 产生峰值功率很高 ( 大于1 k w)的脉冲， 脉宽可达n s i t 级. 四、锁模接饵光纤激光器 .1 3. 络一章 价份 与调 q光纤激光器相比， 锁模光纤激光器可产生脉宽更窄、 重复频率更高 的 脉冲。 1 9 8 9 年， d . c . h a n n a 及m . w . p h i l l i p s 等用 体 妮酸 铿相 位调 制器演示了 第一个 锁模掺饵光纤 激光器， 得到了3 7 p s 的 锁模 脉冲 和4 .5 w的 峰 值输出 功率 (60 l 。高重复频率、窄脉宽的掺饵光纤锁模滋光器可以 用作o t d m的光源，有着 极为重要的应用前景. 1 .5本论文研究的 主要内 容 本论文从光纤光栅的理论及物理特性开始， 研究并发展了光纤光栅的波长及 带宽调谐技术， 并将其应用于光纤传感、通信等领域， 取得了较好的效果.除此 之外， 在 c 十 l波段宽带可调谐接饵光纤激光器的 研究方面也做了许多工作。本 论文的主要内容可归纳如下: 1 . 介绍了 光纤光姗的祸合模理论和传输矩阵 分析法， 结合m a t l a b编程数 值模拟和研究了 均匀周期布喇格光纤光姗、 切趾光纤光栅、 相移光纤光栅、 明啾 相移光纤光栅等多种类型光纤光栅的光谱和色散特性。 2 .研究了光纤光栅波长调谐的原理与技术，在国内首次进行了光纤光栅的 金属封装和电流调谐， 采用金属套管和真空镀膜两种方法分别进行了实验， 并将 此项技术成功应用于光纤光姗外腔半导体徽光器的电流选模。 3 .首次提出了一种基于悬份梁结构的温度补偿的光纤光栅位移传感方案。 理论上分析了该方案的传感原理， 实验上获得了高灵敏度的位移与温度的同时测 t，实验结果与理论分析相一致. 4 . 首次提出了一种中心布喇格波长不移动的线性的光纤光栅带宽调谐技术。 利用此项技术成