（光学专业论文）超短长度铒镱共掺超荧光光纤光源的研究.pdf

摘要 摘要 传统的掺铒超荧光光纤光源( e d - s f s ) 中增益光纤的长度在几米至几十米之 间，光纤中的非线性效应会随着光纤长度的增加而剧烈增大，较长的光纤影响 到e d s f s 的性能，且不利于集成化。本论文所研究的超短长度铒镱共掺超荧 光光纤光源( e y d s f s ) ，增益光纤的长度仅为1 0 厘米量级，大大减少了光纤中 的非线性效应，缩小了器件的体积，有利于光子集成。 本文首先阐述了制作光纤预制棒及拉制光纤的过程。用二次套孔法制作单 包层单模铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤( e y d p f ) 预制棒时，以预制棒直径1 6m m ， 拉制标准直径( 1 2 5 a m ) 光纤为例，计算表明：每次打孔直径2 2 1m m ，每次打孔 偏心距3 4m m 为最佳加工尺寸。制作出光纤预制棒后，用开发的小型自动特种 光纤拉丝机成功拉制出单包层标准直径的e y d p f ，误差可以控制在4 - 5l i m 以内。 然后，对超短长度e y d s f s 进行了理论研究。建立了一个以六能级速率方 程和功率传输方程为基础的理论模型。在理论模型中，不仅包括了高浓度掺杂 时所发生的共协上转换( u c ) ，交叉弛豫( c r ) ，y b ”至l j e r ”的前向能量传递( f e t ) ， 累积能量传递( c e t ) 以及二次能量传递( d e t ) 等过程，而且考虑了光纤温度的影 响。采用打靶法数值分析了输出功率，发现双程前i 句( d p f ) 结构是一种较理想的 基本结构。以d p f 结构为例，当光纤长度1 4 6c m ，信号光反射镜的反射率0 9 9 ， e r 3 + 浓度2 x 1 0 2 6i o n s m 3 ，y b 3 + 浓度8 x 1 0 2 6i o n s m 3 时，本征热力学系数( i t c ) 的理 论值为1 5 9p p m 。c 。计算了e r 3 + - y b ”共掺体系中的非线性跃迁过程( 共协u c ， c r ，c e t 以及d e t ) 、y b 3 十掺杂和玻璃基质对i t c 的影响。对d p f 结构的超短长 度e y d s f s 进行了理论优化，计算结果表明：当泵浦功率为3 3 0m w 时，为了获 得最佳的输出性能，e r ”浓度应控制在2 1 0 2 6 i o n s m 3 ，y b 3 + 浓度应控制在8 x 1 0 2 4 i o n s m 3 ，信号光反射镜的反射率应选为0 9 9 ，从输出功率和带宽的角度看来， 光纤最佳长度为1 4 1 6c m ，然而，缩短光纤长度可以提高平均波长的稳定性。 最后，对超短长度e y d s f s 进行了实验研究。当泵浦功率1 6 8w 时，从 长度1 0 ，4c m 的光纤中，得到了输出功率1 6 8 5m w ，平均波长1 5 4 0 9h i l l ，带 宽1 8 4a m ，斜率效率1 8 6 的超荧光输出。据我们所知，这是目前所报道的最 短长度的e d - s f s 。同时也研究了1 5 2c m 光纤中，超荧光输出功率、平均波长 摘要 和输出带宽的大小，理论模拟和实验数据之间得到了很好的吻合。光纤长度为 1 4 6c m 时，在室温( 2 0 _ - 2 3 ) 下，5 个小时内e y d s f s 平均波长的波动为1 6 7 p p m 。平均波长的波动主要受泵浦功率，泵浦波长和光纤温度影响。经测量， 由泵浦功率和泵浦波长所引起的平均波长的波动分别为7 8 2p p m 和0 0 1 6 p p m 。由于光纤温度的影响很难通过实验测得，我们采用了i t c 的理论计算结 果( 1 5 9p p m 。c ) ，得到平均波长的波动范围为2 0 4p p m ，和实验测量结果一致。 关键词：超荧光光纤光源高增益铒镱共掺光纤平均波长稳定性光纤制作 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h el e n g t ho fa c t i v ef i b e ru s e di nt h ec o n v e n t i o n a le r 3 + - d o p e ds u p e r f l u o r e s c e n t f i b e rs o u r c e ( e d - s f s ) i su s u a l l ym o r et h a ns e v e r a lm e t e r s n o n l i n e a re f f e c t si nt h e f i b e rw i l lb ea g g r a v a t e dw i t hi n c r e a s i n gt h ef i b e rl e n g t h s u c hl o n gl e n g t ha f f e c t st h e p e r f o r m a n c eo fe d s f sa n di sn o tc o n v e n i e n tf o ro p t i c a li n t e g r a t i o n i nt h i sp a p e l o u rr e s e a r c hf o c u s e so nt h e c o m p a c te r 3 + _ y b 3 + c o d o p e dp h o s p h a t eg l a s s s u p e r n u o r e s c e n tf i b e rs o u r c e ( e y d - s f s ) i nw h i c ht h ea c t i v e f i b e rl e n g t hc a nb e c o n t r o l l e di n t o 一10 c m t h i st y p eo fe y d s f ss h o r t e n st h es i z eo ff i b e rd e v i c ea n d r e d u c e st h en o n l i n e a re f f e c t si nt h ef i b e ls oi tw i l lb e n e f i to p t i c a li n t e g r a t e d a p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e f i r s t l y , w e i n t r o d u c et h et w o - s t e pr o d - i n - t u b em e t h o df o rf i b e rp r e f o r m f a b r i c a t i o n t a k et h ep r e f o r md i a m e t e ro f16m ma n dt h es t a n d a r df i b e rd i a m e t e r ( 12 5l l m ) f o r i n s t a n c e t h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a t ，i ft h e s i n g l e - m o d e e d + - y b + - c o d o p e dp h o s p h a t eg l a s sf i b e r ( e y d p f ) w i t hs i n g l ec l a d d i n gi sr e q u i r e d ， w es h o u l db o r ea na p e r t u r eo nt h ef i b e rp r e f o r mw i t ht h ed i a m e t e ro f2 21m ma n d t h eo f f s e td i s t a n c eo f3 4m m e v e r y t i m e a f i e rf i n i s h i n gt h ef i b e rp r e f o r m ，w et r yt o f a b r i c a t ee y d p fu s i n gt h ef i b e rp u l l i n gm a c h i n ew h i c hi sd e s i g n e db yo u r s e l v e s t h es i n g l ec l a d d i n ge y d p f sw i t hs t a n d a r dd i a m e t e ra r ef a b r i c a t e da n dt h ee r r o rc a l l b ec o n t r o l l e di n t o 士5l a m t h e n ，w ec a r r yo u tt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ec o m p a c te y d - s f s t h e t h e o r e c t i a lm o d e li sp r o v i d e db a s e do nt h ep r o p a g a t i o na n dr a t ee q u a t i o n sm e t h o d w ec o n s i d e rn o to n l yt h ec o o p e r a t i v eu p c o n v e r s i o n ( u c ) ，c r o s s r e l a x a t i o n ( c r ) ， f o r w a r de n e r g yt r a n s f e rf r e t ) ，c u m u l a t i v ee n e r g yt r a n s f e r ( c e t ) a n dd o u b l e - e n e r g y t r a n s f e r ( d e t ) p r o c e s s e s ，b u ta l s ot h ei n f l u e n c eo ff i b e rt e m p e r a t u r ei nt h em o d e l t h es i m u l a t e dr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed o u b l e - p a s sf o r w a r d ( d p f ) c o n f i g u r a t i o ni s a no p t i m u mb a s i cc o n f i g u r a t i o n t a k et h ed p fc o n f i g u r a t i o nf o re x a m p l e w h e nw e f i x e dt h ef i b e rl e n g t ha s1 4 6c m ，s i g n a lr e f l e c t i v i t ya so 9 9 ，e p 十c o n c e n t r a t i o na s 2 x 1 0 2 6i o n s m 3a n d ，3 + c o n c e n t r a t i o na so 8 x 1 0 2 7i o n s m 3 ，t h ei n t r i n s i ct h e r m a l i i i a b s t r a c t c o e f f i c i e n t ( i t c ) i sc a l c u l a t e dt ob e 1 5 9p p m 。c m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c e so f n o n l i n e a rt r a n s i t i o n p r o c e s s e s ( c o o p e r a t i v eu c ，c r ，d e ta n dc e t ) ，y b + a d u l t e r a t i o na n dg l a s sm a t e r i a l so ni t ch a v eb e e nc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y w ea l s o o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fc o m p a c te y d s f s t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tw h e n t h ep u m p p o w e ri sf i x e da s3 3 0m w , t oa c h i e v et h eo p t i m u me y d - s f sp e r f o r m a n c e ， t h ee r 3 + c o n c e n t r a t i o n y b 3 + c o n c e n t r a t i o na n ds i g n a lr e f l e c t i v i t ys h o u l db e2 x10 2 6 i o n s m ，8x10 2 6i o n s m a n d0 9 9 ，r e s p e c t i v e l y t oe n h a n c et h eo u t p u tp o w e ra n d b a n d w i d t h ，t h eo p t i m u mf i b e rl e n g t hs h o u l db e14 16c m ，w h i l ee l i m i n a t i n gf i b e r l e n g t hc a ni m p r o v em e a nw a v e l e n g t hs t a b i l i t y f i n a l l y ，i no u re x p e r i m e n tt h ee y d p fi s1 0 4 - c m l o n g ，a n da t 1 6 8w p u m p p o w e ra no u t p u tp o w e ro f1 6 8 5m w , am e a nw a v e l e n g t ho f1 5 4 0 9n m ，ab a n d w i d t h o fl8 4n n l ，a n das l o p ee f f i c i e n c yo f18 6 h a v eb e e no b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h e o u t p u tp o w e r , m e a nw a v e l e n g t ha n do u t p u tb a n d w i d t hh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e di n a15 2c me y d p et h e r ei sag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h e o r e t i c a lr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a ld a t a f r o ma14 6c me y d p f , t h ef l u c t u a t i o no fm e a nw a v e l e n g t hc a n r e a c ht o1 6 7p p mu n d e rr o o mt e m p e r a t u r e ( 2 0 2 3 1 2 ) d u r i n g5h o u r si no u r e x p e r i m e n t t h ef l u c t u a t i o ni sc a u s e db yp u m pp o w e r , p u m pw a v e l e n g t ha n df i b e r t e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt om e a s u r e m e n t , t h ei n f l u e n c e so fp u m pp o w e ra n dp u m p w a v e l e n g t ha r e 7 8 2p p ma n d o 0 1 6p p m ，r e s p e c t i v e l y b e c a u s ei ti sd i f f i c u l t t om e a s u r et h ee f f e c to ff i b e rt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t a l l y , w ea d o p tt h e o r e t i c a li t c v a l u e ( 1 5 9p p m c ) a n dt h em e a nw a v e l e n g t hf l u c t u a t i o ni sc a l c u l a t e dt ob e2 0 4 p p m w h i c ha g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：s u p e r f l u o r e s c e n tf i b e rs o u r c e ，h i g hg a i ne r 3 + _ y b ”c o d o p e df i b e lm e a n w a v e l e n g t hs t a b i l i t y , f i b e rf a b r i c a t i o n i v 南开大学学位论文原创性声明 本人郑霞声明：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：名占缸叶 加1 年r 月主1 日 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l 列览服务；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。 学位沦文作者签名：冷善豇叶 2 矿矿? 年p 月罗1 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： 内部5 年( 最长5 年，可少丁- 5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少丁2 0 年) 第一章绪论 第一章绪论 随着光纤通信和光纤传感等技术的发展，人们对宽带光源提出了更高的要 求，即：高输出功率，宽带宽，良好的带宽平坦度及稳定的输出波长。传统的商 用宽带光源，如发光二极管( l e d ) 和超发光二极管( s l d ) ，虽然可以提供较宽的 输出带宽，但是它们的输出功率只能达到p w 量级，并且输出光的光谱稳定性较 差( 1 0 4 ) ，无法满足以上要求。因此，人们将目光转移到新的宽带光源的研究 中，于是，超荧光光纤光源( s f s ) 逐渐成为了宽带光源的研究热点之一。 第一节铒镱共掺超荧光光纤光源的研究背景 与传统的宽带光源的发光原理不同，s f s 利用在泵浦光作用下增益光纤中掺 杂离子放大的自发辐射( a s e ) 的性质制作而成，通过在光纤中掺杂不同的稀土元 素如：b ( e r ”) 、镱( y b l 、铥( 1 m 3 + ) 等，可以制作出不同波段的s f s 。 在所有的稀土掺杂s f s 中，掺铒超荧光光纤光源( e d - s f s ) 由于具有输出功 率高、光谱稳定性好、受环境影响小、荧光谱线宽、使用寿命长和易与光纤耦合 等优点，被认为是最有潜力的新一代宽带光源【1 】【2 】【3 1 。目前e d s f s 已经在光纤陀 螺( f o g ) 、光纤光栅传感系统、光谱测试、低成本接入网、光纤传感、光纤无源 器件制作监测、掺铒光纤放大器( e d f a ) 的测量以及密集波分复用( d w d m ) 中得 到了非常广泛的应用1 4 儿5 】【6 1 ，这方面的技术已经发展得日益成熟。 近年来，为了进一步获得高功率的e d s f s ，必须要提高增益光纤中e ，的掺 杂浓度。而然，过高的e ，掺杂会引起浓度猝灭效应r 7 1 ，限制了泵浦光转换效率。 采用多级结构可以获得高输出功率，但由于结构复杂、成本较高，不适于实际应 用。对比于单掺e ，加入敏化剂y b ”，由于其吸收截面积很大，处于基态的y b 3 + 被激发到高能级的效率很高，并且y b 3 + 能级结构较简单，从y b 3 + 至u e r 3 + 具有很高 的能量传递效率( 高达9 5 ) t s l ，因此，为e r 3 + 提供了一种高效的间接泵浦方式， 可以使e r 3 + 相关能级上的粒子数急剧增加。另一方面，由于y b ”的掺杂浓度可以 是e ，的几十倍，因而，大大提高了系统对泵浦光的吸收效率。同时y b ”的掺入 能抑制e ，“离子簇”的形成，减少浓度猝灭1 9 1 1 1 0 】。此外，共掺敏化剂y b ”在1 0 0 0n n l 附近具有较宽泵浦吸收带( 8 0 旺l1 0 0n m ) 以及相当宽的激发带( 9 7 0 - - 1 2 0 0n m ) ， 且不存在受激态吸收，拓宽了泵浦波长的选择范剧1 1 1 0 2 1 。因而，使铒镱共掺光 纤( e y d f ) 对泵浦光的吸收效率较单掺铒光纤( e d f ) 有显著的提高，改变了过去 e d s f s 对泵浦光要求较严格的缺点。因此，铒镱共掺超荧光光纤光源( e y d s f s ) 第章绪论 是一种较e d s f s 更理想的宽惜光源。 2 l 发光原理 第二节铒镱共掺超荧光光纤光源基础 当泵浦光入射到e y d f 中时，首先被y b ”吸收，将y b ”从2 f 讹能级泵浦到即m 能级，而后y b ”通过能量传递过程( e d 将能量传递给e r ”，使e ，+ 从4 l 啪能级泵浦 割4 l 呲能级，e r ”再通过无辐射弛豫作用跃迁到4 i m 自 级。当泵浦光能量坡低 时，光纤中的e r ”只能在4 i m 能级与4 i m 能级之间由自发辐射作用产生荧光：随 着泵浦光功率的增强，但尚未达到激光输出的阈值条件，4 i 眦能级与4 i l 饥能级之 间粒子数形成反转分夼，所产生的荧光沿光纤的特定方向被逐渐放大，出现山自 发辐射荧光引起的受微辐射光，e p e y d f 中的a s e ：若泵浦光功率继续增强，掺 杂光纤中的辐射放大增益完全抵消了系统的损耗，这时将形成自激振荡而产生激 光。e y n s f s 发光原理如图l1 所示： y b v d o n o r e l ，a c c 叫h 图1ie y d - s f s 发光原理示意图 e d f a 中一般要抑制a s e ，而e y d s f s u 是利用e 一在光纤中的a s e ，对于 e y d - s f s 来讲a s e 是有利因素，因此在设计e y d - s f s 和e y d f 时，应该尽量增 j c a s e 的输出。另外和掺铒光纤激光罂( e d f l ) 相反e y d - s f s 应该尽量抑制激 光振荡的产生增大输出光的线宽。 匿一圜 掣 亘h 乙jl一 第一章绪论 1 2 2 结构组成及分类 和e d - s f s 相似，典型的e y d s f s 主要由e y d f ，半导体泵浦源( l d ) ，光 隔离- 器( i s o l a t o r ) ，波分复用器( w d m ) ，信号光反射镜( m i r r o r ) 等组成。其在结构 上，和e d f a 相比，没有信号光源；和e d f l 相比，没有谐振腔。 按照结构的不同，e y d s f s 有四种基本类型，如图1 2 所示： ( 覆) ( c ) ( b ) ( d ) 图1 2 四种基本结构e y d - s f s 不意图 其中，( a ) 是单程前向结构( s p f ) ；( b ) 是单程后向结构( s p b ) ；( c ) 是双程前向结 构( d p f ) ；( d ) 是双程后向结构( d p b ) 。所谓的前向或者后向分别指：输出的超荧 光的方向和泵浦光的方向相同或者相反。单程结构是指输出的超荧光只利用前向 或后向的a s e 。因此，在这种结构中，光纤的两个端面一般都制作成和光轴成7 0 以上的夹角以减少光纤端面的菲涅尔反射。双程结构是指输出光同时利用前向和 后向的a s e 。因此，在这种结构中，输出超荧光的光纤端面制作成和光轴成7 0 以上的夹角，另一端面与光轴垂直，并安装信号光反射镜，将另一个方向的a s e 反射回光纤中，也从输出超荧光的端面输出。四种基本结构的s f s 分别有各自 的特点，见表1 1 ： 3 第一章绪论 表1 1 四种基本结构s f s 的特点比较 s p fs p bd p fd p b 优点l 结构简单，易l 不容易产生l 在四种基本 l 具有较高的泵 于实现。激光振荡。结构中，具有最 浦效率。 2 输出光谱带低的泵浦阈值。2 通过优化 宽宽。2 光谱热稳定e y d f 长度，可 3 在四种结构性好。以使得输出波长 中，光反馈对输3 对不同的泵在很大范围内不 出光稳定性的浦模式具有良依赖于泵浦功率 影响最小。好的稳定性。的变化。 4 通过优化4 具有较高的3 通过优化信号 e y d f 长度，可泵浦效率。光反射镜的参 以使得输出波数，可以使输出 长在很大范围 光在高稳定性的 内不依赖于泵前提下获得最大 浦功率的变化。的输出带宽。 缺点1 输出功率低。l 对于9 8 0a ml 容易产生激1 容易产生激光 2 容易产生激泵浦光的热稳光振荡。振荡。 光振荡。定性较差。2 光谱带宽较 3 泵浦效率较2 输出光对泵窄。 低。浦光波长的稳 定性较差。 3 泵浦效率较 低。 按照出射光的波段范围不同，可分为s 波段( 1 4 8 旺1 5 2 0n m ) ，c 波段 s f s ( 1 5 2 0 - - 1 5 6 0n m ) ，l 波段s f s ( 1 5 6 0 - - 1 6 2 0r i m ) ，c + l 波段s f s ( 1 5 2 0 - - 1 6 2 0 n m ) 等。 此外，最常使用的泵浦源是波长为9 8 0a m 和1 4 8 0h i l l 的l d ，并且有两种 常用的泵浦方式，s f s 各自的特点如表1 2 所示： 4 第一章绪论 表1 2 不同泵浦方法的特点比较 泵浦波长泵浦方式 9 8 0n m1 4 8 0n m包层泵浦v 形槽泵浦 特点优点；优点：优点：优点： l 有更高的光l 泵浦光对信信号光在纤芯l 光纤的两个端 电转换效率。号光的转换效内传输，泵浦光面可以和其他光 2 输出光的光率高在内包层内传纤自由熔接。 谱展宽更宽。2 输出光不依输，有效地提高2 可以通过增加 3 具有成熟的 赖于泵浦光波了纤芯对泵浦 v 形槽的个数来 商用l d 作为 长。 光的吸收。提高泵浦功率。 泵浦源。3 激发态不吸 缺点；3 不需要波长选 4 对s p b 结构收象浦光。1 限制了掺杂择耦合器，从而 的s f s 具有更4 泵浦光为单光纤与其它光降低成本。 短的最佳光纤模光。纤的熔接。缺点： 长度。5 泵浦光和信2 光纤的泵浦对光纤产生破 4 对s p b 结构号光的重叠因需要波长选择坏。 的s f s 具有固子更高。耦合器。 定的最佳泵浦 功率。 第三节超荧光光纤光源的研究进展 关于e d s f s 贝尔实验室的e d e s u r v i r e 最早比较系统地分析了单模光纤 a s e t l 3 】。1 9 9 9 生1 z ，中国科技大学的钱景仁和台湾大学l pw - 肌g 等人作了详细的 理论模拟，在理论上证明了d p b 结构的e d s f s 较其它三种基本结构的e d s f s 优 越【1 4 】【b 1 。在随后的十年里，人们的研究重点主要放在从实验的角度探讨如何提 高s f s 的性能，提出了很多不同结构的s f s l l 6 1 1 1 7 】【18 1 。 1 3 1 理论模型与数值模拟 已见的报道中，人们以速率方程和功率传输方程的理论模型为基础，针对四 种基本结构e d s f s 的边界条件，提出了不同的算法来模拟超荧光的输出特性。 归纳起来可以分为：松弛法( r e l a x a t i o n ) 和打靶法( s h o o t i n g ) 两种。其中，松弛法具 有方法简单，不用预估初值等优点，但是只能用来模拟s p f 和s p b 结构的s f s ，而 打靶法则对四种结构的s f s 均适用，但是只有选取合适的初值才能迅速收敛得到 5 第一章绪论 有效解。 已见的报道中，关于s f s 的理论模拟文章主要是以g i l e s 和d e s u r v i r e 等人所提 出的掺e r 3 + 玻璃材料的速率方程的解析解为基础【1 9 】，没有涉及至j j y b ”掺入后对超 荧光输出特性的影响；忽略了e ，的上转换( u c ) 和交叉弛豫( c r ) 等过程，而这些 跃迁过程在高掺杂e y d f 材料中是非常重要的，不能够通过简化速率方程而回避： 并且，已有的报道所涉及的掺杂基质多为硅酸盐，而目前常用的高掺杂玻璃基质 多为磷酸盐。众所周知，高掺杂e r 3 + y b 3 + 共掺磷酸盐玻璃在激发态能级寿命，吸 收发射截面等方面具有和普通掺e r 3 + 硅酸盐玻璃不同的性质。因此，在用高掺杂 e r 3 + - y b 3 + 共掺磷酸盐玻璃光纤( e y d p f ) 进行超短长度e y d s f s 的研究过程中，非 常有必要对理论模型进行改进与完善，并且在理论上进行数值模拟与优化。 另外，高掺杂e y d p f 材料较普通的e d f 材料来讲，温度的变化会改变y b ”到 e r 3 + 的能量传递系数，能级寿命，吸收、发射截面等参数，从而会严重影响至t j s f s 的平均波长输出稳定性。而在目前的文献报道中，还没有文章针对这些方面的问 题做出系统的讨论。 1 3 2 实验研究 第一篇关于s f s 的实验研究由美国斯坦福大学的k l i u 等人发表于1 9 8 7 年 【2 0 1 。在1 9 9 0 年，美国斯坦福大学的pf w v s o c k i 等报道了e d s f s 的实验成果【2 。 在此之后，人们对四种基本结构的e d s f s 在实验上作了详细的研究与比较。值 得指出的是：直到1 9 9 6 年，l a w a n g 等人才对d p b 结构的e d s f s 作出了实验 上的报道【2 2 l 。对于d p b 结构的e d s f s ，上海交通大学的郝素君等人于2 0 0 2 年申 请发明专利：0 2 l l l 4 6 4 1 。 在近些年中，人们基于以上四种基本结构，提出了许多新型结构来优化 e d s f s 的性能【2 3 】1 2 4 】【2 5 1 。提高e d - s f s 的性能主要表现在：提高泵浦效率，增大输 出带宽，提高输出功率，优化输出带宽的平坦度，增强平均波长对温度的稳定性 等方面。目前各研究小组所提出的新型结构归纳起来，可以分为：双向泵浦和多 级结构两个方面。以下将从这两个方面介绍几种主要的新型结构s f s 。 1 3 2 1 双向泵浦的超荧光光纤光源 这里所述的双向泵浦s f s 是指：用两个l d 作为泵浦源从e d f 的两端同时 泵浦进去的s f s 。两个l d 的泵浦波长如果是相同的，则称为双向对称泵浦s f s 。 如果是不相同的，则称为双向不对称泵浦s f s 。 图1 3 为2 0 0 2 年，中国科技大学的黄文财等提出的双向不对称泵浦的超荧 6 第一章绪论 光结构【2 6 1 。e d f 的两端分别用9 8 0a m 的l d 和1 4 8 0n n l 的l d 泵浦，通过一根3 7m 的e d f 输出光展宽达到8 0n l n ，总功率最高可达到9 5 7m w 的超荧光。 图1 3 双向不对称泵浦s f s 结构示意图 图1 4 为2 0 0 3 年，s z u - c h it s a i 等所提出的双向对称泵浦的超荧光结构1 2 7 1 。 两端均采用1 4 8 0n n l 的l d 做泵浦源，通过一根9 3m 的e d f 输出光带宽为4 1 6n m ， 输出功率为7 1 8m w ，泵浦效率高达4 2 2 。 图1 4 双向对称泵浦s f s 结构示意图 对称结构的s f s ，中国科技大学的黄文财等人已于2 0 0 2 年申请发明专利： 0 2 1 1 3 1 6 5 1 ；不对称结构的s f s ，南开大学的袁树忠等人已于2 0 0 3 年申请实用新 型专利：2 0 0 3 2 011 2 2 9 4 4 。 1 3 2 2 多级结构的超荧光光纤光源 这里所述的多级结构的s f s 是指：有两段以上的e d f ，一段e d f 作为产生 l 波段光的种子光源，而其它e d f 作为l 波段的种子光的放大器和c 波段光的 7 第一章绪论 光源，最后将两部分一起作为输出光的s f s 。 图1 5 为1 9 9 9 年，j uh a r tl e e 等所提出的二级结构s f s l 2 8 1 。用e d f 2 所产生 的后向a s e 泵浦e d f i ，e d f l 产生l 波段的超荧光，并通过e d f 2 放大。这是多 级结构s f s 的首次提出，并通过一根2 0 0m 的e d f 得到了8 0n l n 的输出带宽。 图1 5 二级结构s f s 结构示意图 两个e d f 的二级结构，三星电子株式会社已于1 9 9 9 年，在我国申请发明专利： 9 9 1 1 8 7 1 2 1 。 图1 6 三级结构s f s 结构不意图 图1 6 为2 0 0 5 年，南开大学的陈胜平等人提出的三级结构s f s 2 9 1 。e d f l 和 e d f 2 可以产生l 波段的超荧光，通过右边e y d f 放大。输出光光谱可以覆盖 1 5 6 1 6 1 5n m ，最大得到o 9 4w 的超荧光输出。2 0 0 8 年，他们在0 5 年所提出 的新型结构的基础之上，将原来的9 8 0 n m 泵浦源改为1 5 4 5 n m 的s f s 泵浦，得到 了输出功率为l w ，输出带宽为3 4 ，3 n m ，光转换效率达到了5 1 ，是e d s f s 目 前的所能达到最好水平1 3 0 1 。 除了上述所介绍的几种s f s 结构之外，在实际应用中，更多的时候是将多 8 第一章绪论 级结构和双向泵浦相结合，组成新的更复杂的超荧光结构。 图1 7 为2 0 0 7 年，中国科技大学的黄文财等提出的二级结构双向对称泵浦 的s f s 3 1 1 。这种结构结合了二级结构和双向泵浦，可以产生带宽为5 2 6n m 的超 荧光，泵浦效率可以达到4 7 5 。 图1 7 二级结构双向对称泵浦的s f s 结构示意图 这方面主要的发明专利有：g a e l l e a l e s 等人申请的美国专利：6 ，5 0 7 ，4 2 9 ；三星电 子株式会社于2 0 0 4 年，在我国申请的双向泵浦二级结构e d s f s 的发明专利： 2 0 0 4 1 0 0 4 4 7 6 7 8 1 ；南京大学强则煊等人于2 0 0 4 年申请的双向泵浦三级结构 e d - s f s 的发明专利：2 0 0 4 1 0 0 4 1 8 1 5 0 等等。 除此之外，对于输出偏振光的e d s f s 也是人们的研究重点之一【3 2 1 1 3 3 】【3 4 1 ， f o g 需要输出偏振光的e d s f s ，因此，输出偏振光的e d s f s 会有更高的功率使 用效率。这方面主要的成果是由斯坦福大学的d j f a l q u i e r 在1 9 9 6 年将数值研究 结果报道在o p t i c sl e t t e r s 上【3 5 】，并于1 9 9 7 年在o p t i c sl e t t e r s 上发表了他们的实验 报道【3 6 】。他们采用了s p b 结构，将e d f 中间加入了一段偏振光纤。e d s f s 输出的 功率是未加入偏振光纤e d s f s 输出功率的8 8 ，而在f o g 中的利用率却提高了 7 6 。这方面的发明专利有：斯坦福大学于1 9 9 7 年申请的发明专利：9 7 1 1 1 5 8 8 5 ； 上海光机所于2 0 0 6 年申请的发明专利：2 0 0 6 1 0 0 2 7 5 0 1 4 。 然而，以上所有结构的e d s f s 所用的e d f 长度都很长，往往都在几米甚至 几十米。这些传统的e d f 器件造价相对较贵，并且光纤中非线性效应很强，会影 响至u s f s 的性能。长光纤器件不满足集成光学对未来光源的发展要求，因为卷起 这个长度的光纤大大影响了器件的尺寸，复杂性和成本，从而限制了e d s f s 的 应用。另外，使用普通硅酸盐玻璃光纤的s f s 发射光谱的带宽也在一定程度上受 到了限制。如果e d - s f s 中的光纤长度能缩短到l o 厘米量级，不但可以大大缩小 光源体积，而且可以将光纤中的非线性效应忽略。这对于光子集成的应用无疑是 9 第一章绪论 很有益处的。 为了实现超短长度的e d s f s ，一方面，要求光纤必须单程具有足够的增益。 常规的e d f 由于没有足够的单程增益，因此很难在1 0 厘米量级的长度中得到超荧 光；另一方面，要求能够做到有效地抑制激光振荡的产生。对于长度过短的光纤 ( 小于1 0c m ) 在实验操作中很难抑制光纤两端对信号光的反馈，因此只能产生激 光，而探测不到超荧光的输出。因此，虽然近几年许多研究小组已经成功制作出 了高增益光纤，并且其中一些小组已经研制出了利用高增益光纤所设计的超短长 度光纤放大器【3 7 】【3 8 1 和激光器 3 9 1 1 4 0 ，但对于利用高增益光纤实现超短长度s f s 的 研究还是非常的不充分。 目前，对于超短长度e d s f s 国际上的报道极少，只有美国n p 公司所申请的 美国专利：2 0 0 4 0 1 0 9 2 2 5 。他们采用多模侧面泵浦的方式将泵浦光耦合进一段无 源光纤，再将无源光纤中的泵浦光以端面泵浦的方式耦合进e y d f ，制作出了后 向结构的超短长度s f s 。给出的实施例中，s p b 结构的s f s 中光纤长度为3 0c m ， d p b 结构的s f s 中的光纤长度为2 0c m 。 但是，一般来说后向结构的e d - s f s 光谱的稳定性不如d p f 结构e d - s f s 优越。 众所周知，e s f s 的稳定性直接决定了f o g 的测量精度，因此，d p f 结构e d s f s 更利于制作高精度的f o g 。而且，d p f 结构的s f s 在所有基本结构中具有最低的 泵浦阈值，降低了对泵浦光源的要求。另外，专利2 0 0 4 0 1 0 9 2 2 5 中所采用的泵浦 方式结构相对复杂，对光路的设计要求较高，并且较端面泵浦来讲，侧面泵浦具 有效率低、模式匹配差以及波长不匹配等缺点。因此，国际上目前对于超短长度 e d s f s 的研究还很不够。 国内对超荧光的研究起步较晚，对于超短长度的e d s f s 的研究更是一个空 白。我们科研小组在过去在超短光纤器件的研究基础上f 4 1 1 1 4 2 1 1 4 3 1 ，首次在国内对 超短长度e y d - s f s 进行了一些研究工作。 第四节本文主要研究内容 本文首先对e y d s f s 的产生背景和基础知识进行了介绍，并对e d - s f s 和 e y d s f s 的研究现状进行了综述。然后就光纤的制作进行阐述。为了对光纤的 拉制以及光纤器件的模拟和制作进行铺垫，我们简单介绍了玻璃材料烧制过程中 的所用到的检测手段以及重要的参数。而后，对我们自己研究制作的光纤预制棒 和小型自动特种光纤拉丝机进行了介绍，并展示了自己制作的各种玻璃光纤。 超短长度e y d - s f s 的研究是本文的重点，我们从e r 也y b ”共掺体系的六能级 速率方程出发，结合功率传输方程建立起理论模型。比较了四种基本结构 1 0 第一章绪论 e y d s f s 的输出性能。然后，以d p f 结构为例，对超短长度e y d s f s 的输出性质 进行数值模拟，分析了掺杂浓度、信号光反射镜的反射率和光纤长度对e y d - s f s 输出功率、平均波长和输出带宽的影响。而后，我们对e y d - s f s 的本征热力学系 数( i t c ) 进行了数值上的研究，分别计算t e r 3 + y b 3 + 共掺体系中的非线性跃迁过 程、y b 3 + 掺杂和玻璃基质对i t c 的影响，并且对i t