（光学工程专业论文）基于相移光栅的掺铒光纤激光器研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：光通信与光信息处理 作者： 指导教师： 蔡晓锋 施伟华副教授 题目：基于相移光栅的掺铒光纤激光器研究 英文题目： r e s e a r c ho n g r a t i n g 主题词：掺铒光纤激光器， ( t m m ) ，保偏 w i t hp h a s e d s h if t f b ) ，传输矩阵法 k e y w o r d s ：e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r , p h a s e d - s h i f tg r a t i n g ，d i s t r i b u t e d - f e e d b a c kt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 传统的半导体激光器与单模光纤之间存在模场失配，从而造成耦合效率较低，尽管采 用微透镜进行耦合，耦合效率仅能达到4 0 9 6 6 0 0 5 ，耦合损耗达3 d b 一4 d b 。提高入纤光功率、 降低耦合损耗是改善光纤通信系统性能的主要途径。光纤激光器可通过在有源掺杂光纤直 接写入光纤光栅形成激光器的谐振腔进行选频，光纤激光器与传输光纤可熔为一体。掺铒 光纤具有较宽的增益带宽，且位于光纤通信最佳窗口1 5 5 0 r i m 波段上，通过直接在掺铒光 纤上写入相移光栅可以实现分布反馈式( d f b ) 光纤激光器，其结构简单，稳定性好，并且具 有单纵模，窄线宽等优点，具有广泛的应用前景，成为研究热点。在一些高速调制系统中要 求光源输出具有稳定的偏振状态，减小啁啾噪声引起的信噪比降低，这时需要具有偏振特 性的光纤激光器。 因此，本文研究了基于相移光栅的掺铒光纤激光器及基于相移光栅的保偏掺铒光纤激 光器。首先由耦合模方程出发推导了相移光栅的光场传输方程，结合掺铒光纤激光器的速 率方程，得到了相应的传输矩阵方程，从而建立了掺铒光纤激光器的计算模型。然后利用 该计算模型对掺铒光纤激光器的基本输出特性进行了分析，并针对不同的激光腔体损耗对 光纤激光器进行了优化设计。结果表明，在制作相移光栅光纤激光器时，由于损耗的影响 使光栅长度及耦合因子的选择范围减小；可选择光栅长度及耦合因子的最佳值使得激光器 具有最佳输出。接着设计了一种基于相移光栅的保偏光纤激光器，利用偏振烧孔效应可以 实现稳定的具有开关性能的单偏振单波长或空间分离的双波长稳定输出，然后建立了基于 相移光栅的保偏光纤激光器传输方程，并利用该方程对其输出特性进行了仿真分析，具有 偏振特性的激光器在相干检测及光传感具有重要应用。 关键词：掺铒光纤激光器，相移光栅，分布反馈式( d f b ) ，传输矩阵法( t m m ) 保偏 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ei sm i s m a t c h i n go ft h em o d ef i e l db e t w e e nt h et r a d i t i o n a ls e m i c o n d u c t o rl a s e ra n d s i n g l e m o d ef i b e r a l t h o u g hm i c r o l e nh a sb e e nu s e df o rc o u p l i n g , t h ee f f i c i e n c yi so n l y4 0 t o 6 0 a n dc o u p l i n gl o s sr i 鼬e s3 d b - 4 d b b r a g gg r a t i n gc a l lb ed i r e c t l yi n t e g r a t e do nf i b e rf o r s e l e c t i n gf r e q u e n c y , w h i c hc a ne n h a n c e t h ec o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec o u p l i n gl o s sf o r i m p r o v i n go p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e s i n c ee r b i u m d o p e df i b e rw i t ha w i d eg a i nb a n d w i d t hi so p e r a t e di n15 5 0 n m , w h i c hi st h eb e s tw i n d o wo ft h eo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o nb a n d d f bf i b e rl a s e rc 锄b eo b t a i n e dt h r o u g hw r i t i n gp h a s e d s h i f tg r a t i n go n e r b i u m - d o p e df i b e r t h el a s e rh a ss i m p l es t r u c t u r e ，g o o ds t a b i l i t y , s i n g l e - l o n g i t u d i n a l - m o d ea n d n a r r o wl i n e w i d t h a n dl a s e r 、析t l ls t a b l ep o l a r i z a t i o nh a sb e e nr e q u i r e dt or e d u c et h ec h i r pn o i s e i ns o m eh i g h - s p e e dm o d u l a t i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h ed o p e d - e b r i u mf i b e rl a s e ra n dp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e rl a s e rb a s e d o np h a s e d - s h i rg r a t i n gh a sb e e nr e s e a r c h e d a tf i r s t , c o m b i n i n gt r a n s f e rm a t r i xt h e o r yo f p h a s e d s h i f tg r a t i n gw i t hr a t ee q u a t i o no fd o p e d - e b r i u mf i b e r ，t r a n s f e rm a t r i xe q u a t i o no f e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rh a sb e e nd e r i v e d b ye s t a b l i s h i n gc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o nm o d e l ，t h e b a s i co u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ft h ef i b e rl a s e ra n do p t i m i z ec a v i t ys t r u c t u r ea r ea n a l y z e d i ti s s h o w e dt h a ti fw ew a n tt oo b t a i no p t i m u mo u t p u ta n dn a r r o w e rt h el i n e w i d t h , t h el e n g t ha n d c o u p l i n gc o e f f i c i e n to ff i b e rg r a t i n g m u s tb eo p t i m i z e dw h e nt h ee f f e c to f p r a c t i c a lc a t i v i t yl o s si s i n d u c e di nd e s i g n i n gt h ef i b e rl a s e r a tl a s tan o v e lf i b e rl a s e rb a s e do nt h ep o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b e rg r a t i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hc a l lo b t a i ns w i t c h a b l es i n g l e - p o l a r i z a t i o no u t p u to r o r t h o g o n a ld u a l - w a v e l e n g t hw i t hs e p a r a t i o na tr o o mt e m p e r a t u r e t h i sn o v e ll a s e rc a nr e m o v e m o d e c o m p e t i n gr e s u l t e df r o mh o m o g e n e o u sb r o a d e n i n go fd o p e d - e r b r i u m f i b e rl a s e r a n dt h e t r a n s f e rm a t r i xe q u a t i o ni se s t a b l i s h e da n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ft h i sf i b e rl a s e ri ss i m u l a t e d t h el a s e rw i mp o l a r i z a t i o nc 纽b ea p p l i e di nc o h e r e n td e t e c t i o na n dt h es e n s o r k e yw o r d s ：e r b i u m d o p e df i b e rl a s e r , p h a s e d s h i rg r a t i n g , d i s t r i b u t e d - f e e d b a c k , t r a n s f e r m a t r i xm e t h o d , p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n g i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 - 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 】：i 第一章绪论1 1 1 基于光栅的光纤激光器研究背景及特点1 1 2 基于光栅的光纤激光器研究进展2 1 2 1 单波长光纤激光器2 1 2 2 多波长光纤激光器3 1 3 基于相移光栅的掺铒光纤激光器研究目的及意义4 1 4 本课题研究内容5 第二章基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论6 2 1 光纤激光器基本结构6 2 2 光纤激光器常用数值方法7 2 3 相移光栅传输矩阵理论。8 2 3 1 光纤光栅原理介绍8 2 3 2 光纤光栅耦合模理论9 2 3 3 传输矩阵理论1 1 2 3 4 相移光栅传输方程1 3 2 4 基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论1 3 2 5 本章小结1 5 第三章基于相移光栅的掺铒光纤激光器研究1 6 3 1 引言1 6 3 2 掺铒光纤激光器计算模型1 6 3 2 1 泵浦波长确定1 6 3 2 2 铒的能级速率方程理论1 7 3 2 3 泵浦光及信号光增益方程建立1 8 3 2 4 掺铒光纤激光器传输计算模型1 9 3 3 相移光栅特性分析2 1 3 3 1 无相移时反射特性2 1 3 3 2 相移量变化时反射特性2 2 3 3 3 相移位置变化时光栅反射特性2 2 3 3 4 光栅长度变化时反射特性2 3 3 3 5 折射率调制变化时反射特性2 3 j 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 3 3 6 透射峰的半高宽2 4 3 4 掺铒光纤激光器基本特性分析2 4 3 4 1 初值试探解2 5 3 4 2 前向波和后向波幅值沿腔体分布2 5 3 4 3 腔体内铒粒子转换率分布2 6 3 4 4 泵浦功率对输出的影响2 6 3 4 5 相移位置对输出功率的影响2 7 3 4 6 掺铒离子浓度对输出的影响2 7 3 4 7 谐振点变化分析2 8 3 5 掺铒光纤激光器优化分析2 8 3 5 1 耦合因子的优化设计2 9 3 5 2 腔体长度的优化设计3 0 3 6 阂值特性及优化分析3 1 3 7 掺铒光纤激光器模式竞争分析3 2 3 8 本章小结3 4 第四章基于相移光栅的保偏掺铒光纤激光器研究3 5 4 1 引言3 5 4 2 基于相移光栅保偏掺铒光纤激光器3 5 4 3 保偏掺铒光纤激光器传输方程3 6 4 4 保偏光纤激光器特性分析3 9 4 4 1 保偏光纤激光器波长特性分析3 9 4 4 2 保偏光纤激光器功率输出特性分析4 l 4 5 基于相移光栅的保偏光纤激光器应用4 4 4 5 1 相干检测中的应用4 4 4 5 2 光子混频中的应用4 4 4 6 本章小结4 5 第五章论文工作总结和展望4 6 5 1 论文工作总结4 6 5 2 工作展望4 6 致谢4 8 参考文献4 9 附录1 攻读学位期间发表的学术论文目录5 3 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 。 第一章绪论 1 1 基于光栅的光纤激光器研究背景及特点 随着全球通信业务的飞速增长，业务形式日趋多样化，高速大容量的宽带综合业务网 络已成为现代通讯网络的发展趋势。在这种需求下，带宽和通信容量的急剧增大，使得信 息的传输和交换由光电网络向全光网络发展将成为历史的必然。要构造新一代的全光网络 必须以大量新型光器件为基础，而光源作为全光通信核心技术之一，其性能的研究和提高 将对光纤通信产生至关重要的影响。 早在2 0 0 多年前，布拉格父子就发现了晶体中b r a g g 反射现象。1 9 7 5 年，b e l l 实验 室在g a a s 衬底上研制出了第一个具有单模激射的分布布拉格反射( d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r ，d b r ) 激光器皿，推动了d b r 半导体激光器的发展，开启了b r a g g 反射通往光电 子器件的应用大f - j m 。然而传统的半导体激光器与光纤之间耦合效率低，高速调制下易产 生啁啾、功率低，不能满足未来大容量、高速率光纤通信对光源的要求。1 9 7 8 年，k 0 h i l i 用较强的氩离子激光光束照射掺锗石英光纤，成功地研制出了光纤b r a g g 光栅目，由于技 术的限制，直到1 9 8 9 年，人们才利用侧面曝光全息技术制作出了周期可控的光纤b r a g g 光栌，同时英国南安普顿大学p o o l e 等采用化学气象沉积法( m v c d ) 获得了低损耗掺 铒光纤的成功腿，使得以掺杂光纤作为增益介质的基于光栅的光纤激光器显示出十分诱人 的应用前景。与传统的激光器相比，光纤光栅型光纤激光器具有无可比拟的优势，主要表 现在： ( 1 )可采用廉价的短波长大功率半导体激光二极管泵浦，成本低；泵浦输出可通过光耦合 器直接同增益介质耦合泵浦，避免了光路的机械调整，耦合效率高，损耗小；可方便 地延长增益介质长度使泵浦光被充分吸收。 ( 2 ) 采用光纤光栅元件组成谐振腔进行选频和反馈，输出光单色性好，线宽窄；光纤光栅 可直接写在增益光纤上，传光与增益集成为一体，结构简单、小型化，且其与标准的 通信用光纤兼容性好。 ( 3 ) 纤芯细，容易在纤芯产生高功率密度，具有极低的体积面积比，散热块损耗低，转换 效率较高，降低了激光器阈值； ( 4 )宽带是光纤通信的主要发展趋势，可方便地通过光纤光栅实现多波长调谐。光纤光栅 光纤激光器不但容易实现调谐，而且调谐范围可达5 0 r i m 。 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章。绪论 ( 5 )利用光纤光栅能非常准确地确定波长，其波长容易符合i t u t 建议的w d m 波长标准， 且输出光谱线宽窄，相对强度噪声较低，稳定性好；高速调制下的频率啁啾效应小、 抗电磁干扰，温度膨胀系数小。 以上光纤光栅型光纤激光器的诸多优点使得其在光纤通信、光纤传感、光纤陀螺、光 学检测等不同的领域获得了广泛的研究。 1 2 基于光栅的光纤激光器研究进展 上世纪8 0 年代末期，掺稀土元素光纤光栅激光技术研究受到了世界各国的普遍重视， 1 9 9 0 年，r k a s h y a p 等首次将光纤光栅应用于光纤激光器以增强模式选择性回，自此引发 了人们对基于光纤光栅的光纤激光器的研究。 光纤激光器从时域上分为脉冲、连续型两大类，从频域上可以分为单波长和多波长两 大类，下面我们从频域角度介绍下光纤光栅激光器的发展概况。 1 2 1 单波长光纤激光器 单频光纤激光器由于具有很好的模式特性、不存在模式竞争、输出功率稳定等特点， 一直是业界研究的热点。尤其是工作在1 5 5 u l 波段的窄线宽单频光纤激光器，不仅在高速 光纤通信领域有重要作用，而且在远距离光传感、相干通信及高精度光谱分析等领域同样 有着重要的应用。 上世纪九十年代初，g a b a l l 等幽在掺铒光纤两端紫外写x o 5 m 长的b r a g g 光栅，率 先实现1 5 5 p m 波段的d b r 激光器，获得了峰值功率为5 m w 的单频运转。为消除掺稀土光 纤均匀加宽造成的激光器跳模现象，获得稳定的激光输出，z y s k i n d 等腿用掺杂浓度高达 2 5 0 0 p p m 的掺铒光纤制作出腔长仅为2 0 m m 和1 0 m m 的短直腔d b r 激光器，输出功率分别 为1 8 1 l a w 和5 7 b t w ；国内北京大学等实现了腔长为5 3 m m 的d b r 光纤激光器，频宽小于 1 2 m h z 心；2 0 0 7 年电子科技大学伍波等在高掺杂掺铒光纤写入双均匀光栅，并采用两端 抽运，实现f - p 型光纤激光器线宽小于7 姐z ，抽运功率1 4 5 m w 时输出3 9 5 m w 叫。 短腔高掺杂光纤不足以在厘米级光纤上提供足够的泵浦吸收，另一方面，高e r 3 + 掺杂 光纤存在离子聚集效应衄，研究人员开始考虑采用共掺杂光纤提高泵浦吸收。1 9 9 9 年武汉 邮电科学研究院在长为3 0 m m 的e r 共掺光纤上实现了短腔型光纤激光器衄；2 0 0 3 年日 本东京大学制出2 0 m m 长的e r y b 共掺光纤激光器心；2 0 0 4 年美国n pp h o t o n i c s 公司利用 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 2 0 m m 长高掺杂e r v b 磷酸盐玻璃获得输出功率1 0 0 m w ，线宽2 k h z 的d b r 激光器衄。 为满足未来光通信中对光源线宽及频率稳定性要求，能够输出单纵模窄线宽的光纤激 光器一直为人们所追求。1 9 9 5 年w h l o b 等人就在掺铒光纤上写入1 0 c m 长的相移光栅，实 现了1 5 5 i - t m 的单频输出，输出功率为1 m w ，线宽为1 3 k h z l t f l ；同年瑞典a a s s e h 等人在光 纤光栅中引入7 c 相移，实现了长1 0 c m 的d f b 掺y b 3 + 光纤激光器，激光器的泵浦阈值小于 2 3 0 9 w l l 2 1 ：随后m a q u i n t c l a 等人用对称啁啾光纤光栅代替普通光纤光栅，使激光器的激 射波长稳定性有所提高，同时使得该激光器对温度敏感性也有所降低心；2 0 0 4 年k u th a r ty 等人研制成实用化水平的铒镱共掺杂相移光栅分布反馈光纤激光器心；2 0 0 6 年上海交通 大学在低掺杂掺铒光纤上写入5 c m 长的相移光栅，输出功率为5 0 州圆；同年j i a n g 等在掺 铒光纤上写入等效7 t 相移的取样光栅，实现了输出功率为o 2 m w ，边模抑制比大于6 7 d b 的 d f b 光纤激光器叫；2 0 0 8 年，s y 等采用可调啁啾相移光栅实现了结构比较简单的可调谐 超窄线宽光纤激光器，线宽小于1 5 2 k h z ，可调谐范围1 5 5 n m ，输出功率l o d b m 幽；同年 南开大学在铒镱共掺光纤上写入5 0 m m 相移光栅，输出功率1 洲，线宽小于0 0 5 r i m ，阈 值3 5 m w 幽。 采用光纤光栅还可形成环形光纤激光器上，环形光纤激光器对跳模具有较好的抑制特 性。2 0 0 5 年a l e x a n d e rp o l y n k i n 等采用光纤光栅制作了5 c m 长的e r y b 共掺环行光纤激光 器没有出现跳模 2 4 1 。近年来，由于在相干通信及传感方面的要求，基于光栅的单偏振单 频光纤激光器也有所发展。2 0 0 7 年w g u a n 等在掺镱光纤上采用普通均匀光栅和保偏光栅 实现了单频单偏振输出，输出功率3 5 r o w ；信噪比大于6 5 d b ，消光比大于2 0 d b t 2 5 1 。2 0 0 9 年北京交通大学延凤平等在掺铒保偏光纤上写入三个均匀光栅，并采用偏振控制技术，实 现了高稳定性的单波长输出，输出功率9 2 d b m 圆。 1 2 2 多波长光纤激光器 多波长掺铒光纤激光器不仅是高速大容量密集波分复用( d w d m ) 光纤通信系统的理 想信号载体，而且是光纤光栅传感系统中理想的传感检测光源。因此基于光纤光栅的多波 长光纤激光器多集中于两个方面的研究，一是用于适用于密集波分复用类型的，另一方面 是适用于光传感或微波领域的双波长光纤激光器的研究。 1 9 9 6 年j o n gc h o w 等人在环形腔光纤激光器中用取样光栅实现了间隔1 8 r i m 的5 波长 激光输出【2 刁；1 9 9 7 年，p v a r m i n g 等人用五个级联的d f b ，形成了间隔l n m 的五波长光纤 激光器 2 8 1 ，悉尼大学m i b s e n 等人用取样光纤光栅发明了可调谐的d b r 光纤激光器，实现 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章+ 绪论 1 6 7 衄不连续调谐【2 2 l ；韩国的d s m o o n 用啁啾光纤光栅实现了可在单波长、双波长和三 波长激射之间进行切换的多波长光纤激光器幽；加拿大滑铁卢大学得到了一种新的三个光 纤光栅级联，通过控制输入功率控制波长输出的三波长掺铒光纤激光器皿；美国新墨西哥 大学n a t h a n i e l j c l 提出了带有饱和吸收体的可调谐的环腔光纤激光器l r i 。国内清华大学 将取样光栅用在d b r 激光器中，获得了3 0 r i m 的不连续调谐，线宽为4 卸m 幽。 在双波长输出的光纤激光器方面，2 0 0 0 年s h u 等人将一个b r a g g 光纤光栅非对称的置 于光纤s a g n a e 环形镜中构成的光纤激光器实现了3 波长激光输出幽；2 0 0 4 年南开大学用 带有光纤光栅的s a g n a c 光纤环形腔实现了波长可切换的双波长光纤激光器圆； 2 0 0 6 年， j i es u n 等在采用特殊方法写入具有两个非等效相移，提高1 阶通道的反射特性，实现了波 长间隔为5 2 p r o 空间分离的双波长输出，输出功率1 2 4 州幽；同年y uy a o 等采用一个相移 光栅和一个均匀光栅组合的线形腔实现了单纵模双波长输出，波长间隔2 7 p m 衄；清华大 学季恒等人提出一种基于相位采样的分布反馈式双波长光纤激光器圆，实现了波差为 0 4 6 r i m 的空间分离的双波长光纤激光器；2 0 0 8 年，d c h e r t 等人采用布拉格光栅对实现了 间距为o 0 8 n m 的双波长输出幽。2 0 0 9 年n j o v a n o v i c 等通过点点写入法在保偏掺镱光纤上 写入均匀光栅，实现了具有单偏振输出，线宽1 3 5 p r o ，信噪比大于6 2 d b ，输出功率 1 8 8 m wr 4 0 1 ；同年华中科技大学采用啁啾相移光纤光栅，获得波长间隔为8 r i m 的双波长透 射谱的光栅器件凹；2 0 0 9 年，l i nw a n g 等在保偏掺铒光纤上写入均匀光栅和啁啾光栅， 实现了波长间隔为o 1 8 r i m 正交分离的双波长稳定输出，信噪比大于5 0 d b 幽。 然而在多波长光纤激光器输出上，由于掺稀土光纤均匀展宽会造成模式竞争，从而造 成各波长输出功率不稳定，产生跳模等现象，从而成为目前研究的热点问题。 1 3 基于相移光栅的掺铒光纤激光器研究目的及意义 分布反馈式( d f b ) 激光器的激光振荡由纵向等间隔分布的光栅来进行，输出激光为动 态单纵模，具有线宽窄、波长稳定性、动态谱线好等优点，在密集波分复用系统、微波系 统及光传感中具有广泛应用。但半导体式d f b 激光器的价格比较昂贵，同时其与系统的传 输光纤耦合困难，损耗较大，即便采用微透镜与之耦合，耦合损耗一般也在3 d b 一4 d b 之 间，且发射过程伴随着有源区内自由载流子的浓度变化导致啁啾效应等缺点删。 相对于传统的半导体激光器，基于相移光栅的光纤激光器不存在特殊的耦合要求，其 腔体是由相移光栅直接写在掺铒光纤上构成，掺铒光纤可以直接通过光纤熔接机进行光纤 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 之间的熔接，使得谐振腔与光的传输可以集成为一体，从而很容易使耦合损耗控制在l d b 之 下，因此在未来的高速通信网络和传感中将有着巨大的应用潜力，而且能够满足相干通信 中对激光器线宽的要求幽。 然而由于损耗对光纤激光器的影响，激光器会难以激射或激射功率很小，因此本文主 要工作是对基于相移光栅的单纵模输出掺铒光纤激光器进行了研究，详细分析了各参数对 输出性能的影响，并对其结构进行了优化设计；然后设计了一种基于相移光栅的保偏光纤 激光器，其可实现偏振状态正交分离的单频输出或具有开关性能的双波长光纤激光器输 出，其偏振输出特性可用于相干检测或偏振复用等领域，从而在光传感、相干通信及高精 度光谱分析等领域中存在广泛的应用。 1 4 本课题研究内容 基于相移光栅的光纤激光器具有良好的集成特性及输出特性，因此在未来光通信及光 传感中具有重要应用，因此，本课题针对基于相移光栅的掺铒光纤激光器进行了深入研究。 全文各部分内容组织如下： 第一章介绍了基于光栅的光纤激光器的特点，然后综述了近年来国内外对光纤光栅光 纤激光器研究概况，并阐述了基于相移光栅的光纤激光器的研究目的及意义。 第二章首先介绍了基于光栅的光纤激光器基本结构，然后由光纤光栅基本原理出发， 通过耦合模方程推导了相移光栅传输矩阵方程，并在此基础上建立了基于相移光栅的光纤 激光器传输矩阵理论。 第三章由铒的能级速率方程出发，通过其增益表达式推导，在上章光纤激光器传输矩 阵模型基础上建立了掺铒光纤激光器的计算模型；然后对相移光栅的基本特性进行了仿真 分析；接着对基于相移光栅的光纤激光器基本特性进行了分析，并对影响输出性能的关键 参数耦合因子及光栅长度进行了优化分析，最后对基于相移光栅的掺铒光纤激光器用于多 波长输出时存在的模式竞争进行了分析。 第四章针对高速调制及光传感中对激光输出偏振状态的要求，设计了一种基于相移光 栅的保偏光纤激光器，其可实现单频单偏振及具有开关性能的双波长输出，并且可消除掺 铒光纤激光器均匀展宽引起的模式竞争，接着建立了保偏相移光栅传输矩阵理论，对其相 关波长特性及输出特性进行了仿真分析。 第五章对全文工作进行总结，并对下一步研究工作提出了展望。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论 第二章基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论 2 1 光纤激光器基本结构 激光器要产生激光，必须具备泵浦源、工作介质、谐振腔三个基本条件，基于光栅的 光纤激光器当然也不例外，仍然需要由这三部分承担输出激光的任务。下面介绍其三个组 成部分： ( 1 ) 泵浦源 光纤激光器一般采用光泵浦，而且多采用半导体二极管泵浦。这是由于l d 泵浦效率 高，噪声特性号，频率稳定，寿命长( 可达几万小时或更长) ，热光畸变好，光束质量好， 可靠性强，重量轻，结构简单。除此之外，半导体可用于光纤传输的近红外波长、峰值功 率高、器件紧凑，同时现有的l d 泵浦采用尾纤输出，易于同作为增益介质的掺杂光纤熔 接耦合。 光纤激光器泵浦源最佳选择标准：泵浦效率要高，这影响泵浦功率的提高，进而影响 调谐范围；二是激发态吸收( e s a ) 要小，激发态吸收是指处于上能级的电子吸收泵浦能 量向更高能级跃迁的一种物理过程，是一种无效消耗。 ( 2 ) 工作介质 一般用掺杂稀土元素光纤作为工作介质，常用的稀土掺杂元素有铒( e r 3 + ) 、镱( y b 3 + ) 、 钕( n d ) 、镨( p r 3 + ) 、铥( t m 3 + ) 、钬( h 0 3 + ) ，常用的是掺铒或掺镱光敏光纤。 ( 3 ) 谐振腔 光纤光栅光纤激光器最主要的特点就是谐振腔一般由光纤光栅构成，承担反馈选频作 用。光纤光栅作为谐振腔反馈时，光传播附加损耗很小，约l d b 以下，同时光纤光栅体积 小、部件可微型化、也可同其他光纤器件融为一体，不受环境尘埃的影响。 通过对工作介质及反馈腔的选择，可以构成用于不同场合的光纤激光器。采用光栅进 行选频的光纤激光器通常可构成线形腔或环形腔结构，线形腔结构简单，比较容易获得 窄线宽及单频输出特性，一直是研究的热点。 均匀光栅常用来形成d b r 型光纤激光器，其采用两个较高反射率的均匀布拉格光栅 f b g l 、f b g 2 作为反射镜，将其置于掺杂光纤两端，构成线性激光谐振腔来增强模式选择。 基本结构如图2 - 1 ： 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论 l d 泵源 输出 均匀光栅均匀光栅 图2 - i 基于均匀光栅的光纤激光器结构 相移光栅是在均匀周期光纤光栅的某些点上，通过一些方法破坏其周期的连续性而得 到的，这一不连续连接则会产生一个相移。它的主要特点是可以在反射谱的阻带中打开线 宽极窄的一个或多个透射窗口，使得光栅对某一个或多个波长具有更高的选择度，可应用 于滤波，波分复用，窄线宽单频光纤激光器以及掺饵光纤放大器增益平坦等。由相移光栅 形成的光纤激光器基本结构图2 - 2 ： l d 泵源 相移光栅 输出 图2 - 2 基于相移光栅的光纤激光器结构 由相移光栅作为激光器腔体时一般可构成的d f b 型光纤激光器，此时有源区与反馈 区同为一体，集成特性好，可以获得单纵模窄线宽输出，且频率稳定性较好，边模抑制比 高。 基于相移光栅的光纤激光器具有良好的动态特性，在光通信及光传感中具有广泛应 用，因此本文将针对其建立相应的理论模型，并对其特性进行分析和优化设计。 2 2 光纤激光器常用数值方法 速率方程理论是激光器相关性能分析的重要工具，同样也是光纤激光器的理论基础， 然而光纤激光器的增益介质既然是起着导波作用的掺杂光纤，构成了一个波导型的谐振装 置，对其特性的分析就要受到光纤波导性质的影响，所以对其分析比较复杂，很多情况下 难以得到解析解，需要采用数值方法进行计算。然而由于激光腔体不同，所采用的方法通 常会有所不同，因此需要引入不同的模型进行分析。下面我们介绍两种常用的用于光纤激 光器的理论模型。 龙格库塔方法出鲥是在分析光纤激光器传输特性中用的较多的一种方法，无论是线形 7 堕室坚皇盔堂堡圭堡茎皇堂垡笙苎至三兰薹主塑整垄塑塑垄堑鲎堂堂堡塑堑堕里丝 腔还是环形腔均可采用。该方法的主要思想是针对不同的掺杂光纤的能级结构建立相应的 能级速率方程，并将与光束传播方程组成方程组，然后加入边界条件，利用龙格库塔方法 对其进行差分求解，便可得到激光器的相关性能分析。该方法的主要优点就是通用性，但 对于目前开始采用的复杂光栅选频具有一定的局限性。 传输矩阵法i 生幽也是比较传统的一种数值计算方法，该方法同样比较适合采用光栅作 为反馈腔的光纤激光器。该方法主要源于光栅反射谱分段求解的思想，就是将作为谐振腔 的光栅进行分段，求出通用的传输矩阵方程，然后将各段传输方程相乘，结合相应的边界 条件得到相应的分析图形。该方法的优点主要是适用于复杂光栅选频计算，计算速度较快。 其它方法如基因遗传算法圈，但相对来说前两种方法较为常用。 2 3 相移光栅传输矩阵理论 由于基于相移光栅的光纤激光器采用了非均匀光栅构成谐振腔，因此本文以相移光栅 矩阵为研究起点，从而建立以相移光栅作为反馈机构的的光纤激光器的传输矩阵模型。 2 3 1 光纤光栅原理介绍 光纤光栅是在光纤芯层中沿着轴向存在一个周期性的折射率变化( 图2 3 ) ，折射率 变化的平均值称为调制深度6 n 毋。相对于光纤芯层和包层介质的折射率，折射率调制深 度较小，根据耦合模理论，此折射率变化可以视为对光纤芯层折射率的微扰，微扰的存 在将引起光纤中本征模式的耦合。 图2 - 3 光纤光栅不恿图 在光纤上制作光纤光栅的主要方法有内部写入法、侧面全息曝光法、逐点写入法、相 位掩模法及在线制作法。相位掩模写入是应用最广泛的一种方法，其采用周期分布的准分 子激光条纹对光敏光纤曝光，在光纤纤芯中诱发周期性折射率调制，形成纤芯折射率呈现 周期性变化的一段光纤，如图2 _ 4 所示。采用该方法可以获得不同的光纤光栅，如均匀光栅、 相移光栅、啁啾光栅、取样光栅、长周期光栅等，从而可以构成不同的反馈机构实现不同 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论 类型的光纤激光器。 相位模板 紫外光束 纤 图2 4 相位掩模写入法制作光纤光栅示意图 这里我们还要介绍一种新的光栅制作方法，就是利用飞秒激光直接写入光纤光栅。其 在写入光栅过程中不需要掩膜板，光纤材料也不需要载氢，制作的光栅热稳定性好，不易 老化，并且可以制作各种复杂光栅，光栅周期易于控制，甚至易于在微结构光纤上写入光 栅。这种技术一旦成熟，将为光栅的制作带来极大的福音。 光纤光栅在广义上可以分为两类：布拉格光栅也被称为反射光栅或短周期光栅，光在 传输中是相向的两个模式之间出现耦合；传输光栅又被称为长周期光栅，光在传输中是同 向的两个模式之间出现耦合。对于均匀布拉格光栅来说，在曝光中由曝光形成有效折射率 n d 变化可以表示为： 融毋= 吲c o s c 癸z 删) 协， 式中，6 n 哂为一个光栅周期内的折射率变化的直流部分，u 是折射率变化条纹清晰度，人 为光栅周期常数，巾( z ) 描述光栅啁啾。光栅的传输常数可以表示为： p b ：娑n 醋 ( 2 2 ) 式中p 。表示传输常数，n 茁表示有效折射率。 光纤光栅主要工作在l 级衍射，若光栅周期为人，当两个相同模式发生耦合时的谐振 波长九b ( 布拉格波长) 为： 九b = 2 n 毋a ( 2 - 3 ) 2 3 2 光纤光栅耦合模理论 模式耦合理论是定量分析光纤光栅的衍射效率和光谱特性的优选工具，根据模式耦合 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论 理论推导圆，在模式耦合理论理想近似情况下，假设电磁场的横向场模由一系列下标为_ ，的 理想模叠加而成，在理想波导中没有光栅微扰的模，即： 吾t ( x ，y ，z ，i ) - - z a j ( z ) e x p ( - i 3 j z ) + b j ( z ) e x p ( i 1 3 j z ) 卜t ( x ，y ) e x p ( k o t ) ( 2 - 4 ) j 其中，a j ( z ) 和b j ( z ) 分别是沿着+ z 和一z 传输方向上的第j 个传输模的慢变振幅，横向模 场苫j 。( x ，y ) 代表传导模、辐射l p 模或包层模。对于理想波导，这些模式是相互正交的，模 式之间没有能量交换，但是存在介电微扰时第j 个模的a j ( z ) 和b j ( z ) 会在z 轴方向上产生 能量j l ；禺合： i d a j = 1 耻k 拇) e x p i ( ) z + i 硼k 拽) 唧毗 ( 2 5 ) 鲁叫a k ( k 毛一k 毛) e x p 陬+ 即z 一1 ；b k ( k ；+ k 毛) e x p - i ( 1 3 t 一即z 其中i q 是第j 个模和第k 个模的横向耦合系数： k 黝= i c o 肛d y ( x ，y ，z ) ；h ( x ，y ) 孔，y ) ( 2 6 ) 式中是介电常数扰动，当8 n n 时，近似为2 n s n 。纵向耦合系数k 毛与k 毛表达类 似，对于光纤模式通常k 毛( z ) k 蝎t ( z ) ，因此k 乙( z ) 通常被忽略。 对于大多数光栅，光致折射率变i 七8 n ( x ，y ，z ) 可近似认为在光纤纤芯横截面内是均匀 的，在纤芯外没有光致折射率变化。因此可用类似( 2 - 1 ) 表示纤芯折射率，用瓦( z ) 代 替丽= ( z ) ，定义两个新系数： ( z ) = 竺争生夏i ( z ) j i d x d y a ( x ，y z 疵( x ，y ) 邑。( x ，y ) ( 2 - 7 ) ( z ) = 导 毛( z ) ( 2 - 8 ) 其中f 是直流耦合系数，1 c 是交流耦合系数，因此总的耦合系数为： 啄z ) ( z ) + 2 k 如) c o s 除z 州z ) ( 2 - 9 ) 式( 2 5 ) 一( 2 9 ) 即为描述光纤光栅光谱特性的耦合模方程组。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于相移光栅的光纤激光器传输矩阵理论 2 3 3 传输矩阵理论 传输矩阵法是将光栅分为m 段，每一段的长度都要远大于光栅中最大的周期，并且每 一段中折射率变化平缓，这时可将每一段视为一个均匀周期光栅，得到它的传输矩阵，将 每一段传输矩阵相乘即得到描述整段非均匀光栅的总传输矩阵。根据耦合模理论，均匀光 栅模式耦合发生在模式相同但方向相反的模式之间，每一段的入射光场和出射光场可以由 方程( 2 - 1 0 ) 联系起来： 阱e v r 州m - i 协 其中r 、s 分别为前、后向波传输的复振幅，f m 为该段的传输矩阵。光栅传输示意图如2 5 。 r m r o f mf 2e 、 、 s m s o 图2 - 5 光栅传输示意图 下面我们来详细推导下光栅的传输矩阵凹。对于布拉格反射光栅，耦合主要发生在 布拉格波长附近，光栅把入射振幅a ( z ) 的模式耦合到模式相同但反向传输、振幅为b ( z ) 的 模式中，此时( 2 - 5 ) 可简化为仅保留耦合所涉及的特定振幅项，并作近似，忽略微分方 程右侧沿z 方向快速振荡项，这些项对振幅的影响很小，简化方程如下： 一d r ：i + r ( z ) + i 1 ( s ( z ) d z ( 2 1 1 ) 婴：-