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新型大功率单纵模光纤激光器的研究新型大功率单纵模光纤激光器的研究 摘要摘要 本论文的主要研究对象是两种新型大功率单纵模光纤激光器， 其 中包括新型基于双“sagnac 环”滤波器的大功率单纵模光纤环形激光 器和新型基于环形“fabry-prot”谐振腔的大功率单纵模光纤激光器。 本文所提出的新型基于双“sagnac 环”滤波器的大功率单纵模光 纤激光器，是通过含保偏光纤(pmf) sagnac 环形滤波器的波长选择 作用，利用滤波器内偏振态的改变，使得只有一些特定波长可以通过 该滤波器， 从而产生带宽非常窄的 1.564m 的波长， 并在腔内振荡形 成激光输出。 接着利用含未泵浦的掺铒光纤(edf)的 sagnac 环形滤波 器的饱和吸收作用，吸收零频以外的其他纵模的光强，产生单纵模的 输出。大功率掺铒激光放大器用来提供实验所需的大功率泵浦的支 持。 实验结果实现了最高输出功率在 360mw 的单纵模全光纤激光器, 并且得到超过 40db 的信噪比的输出，可以满足实验以及工程上的要 求。 在上述实验的基础上， 进一步研究了基于环形“fabry-prot”谐振 腔的大功率单纵模光纤激光器。开创性的利用环形“fabry-prot”谐振 腔来协助实现大功率单纵模的激光输出，经过我们研究，这在世界上 尚属首次。实验通过布拉格光纤光栅(fbg)来选择 1565nm 作为激光 器的输出波长，双 10/90 耦合器(coupler)光纤环起到“fabry-prot”谐 振腔的作用，极大的抑制了谐振腔内的纵模数目。本实验最后得到输 出波长为 1565nm 的激光器，最高工作在 867mw 的输出功率，泵浦 效率超过了 30%， 本实验结构简单且成本低廉， 满足长距离光通信工 程的要求。 关键字关键字：光纤激光器，大功率，单纵模，sagnac 滤波器，环形 “fabry-prot”谐振腔，饱和吸收体 research on novel high-power single-longitudinal-mode fiber lasers abstract this dissertation is concerned with two novel high-power single- longitudinal-mode fiber lasers, including novel high-power single- longitudinal-mode fiber laser using two sagnac loop filters, novel high-power single-longitudinal-mode fiber laser utilizing a ring fabry-prot resonator. the first novel high-power single-longitudinal-mode fiber laser reported in this dissertation is based on using two sagnac loop filters, which contains a high-birefringence fiber section and a polarization controller. since the polarization models of different wavelengths can be accurately controlled, the model competition is greatly reduced. by setting the polarizations properly, the 1.564m output wavelength with narrow bandwidth can be obtained. and another sagnac loop filter with unpumped erbium-doped fiber serves as a saturable absorber to ensure single-longitudinal-mode operation. the high-power edfa is used to supply the high-power pump. using such a simple configuration, the single-frequency fiber laser with scalable output power of 360mw and a signal to background noise of 40db has been demonstrated. this simple and inexpensive high-power single-longitude- mode laser may satisfy the application of the general experimentation. the second novel high-power single-longitudinal-mode fiber laser reported in this dissertation is based on a fabry-prot resonator, which consists of two 10/90 couplers, and the two 10% ends connected together. to the best of our knowledge, the use of such a fiber ring inside the cavity to achieve high-power single-longitudinal-mode laser is reported for the first time. in the cavity, a fiber bragg grating (fbg) is used to select the appropriate wavelength at 1565nm, and a fiber ring is incorporated to act as a fabry-prot resonator, which greatly reduces the longitudinal-mode density. meanwhile, an unpumped erbium-doped fiber serves as a saturable absorber to ensure the slm operation. finally, a high-power slm fiber laser producing as high as 867mw output power and exceeding 30% of the optical-to-optical slope efficiency has been experimentally demonstrated. apart from the inherent advantages of the fiber lasers, the high-power slm fiber laser may satisfy the applications in many fields. key words: fiber laser, high-power, single-longitudinal-mode, sagnac loop filter, ring fabry-prot resonator, saturable absorber 图图 片片 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 图 1.1 光纤通信基本结构.2 图 1.2 时分复用原理图.2 图 1.3 光纤放大器的基本结构示意图.4 图 1.4 拉曼放大器示意图.5 第第 2 章章 大功率单纵模光纤激光器的发展背景大功率单纵模光纤激光器的发展背景 图 2.1 几种典型双包层光纤的横截面示意图.12 图 2.2 包层泵浦技术示意图.13 图 2.3 高功率光纤激光器与其他光源的性能比较.15 图 2.4 光纤缠绕结构图.16 图 2.5 线偏振单横模掺镱光纤放大器.16 图 2.6 fox-smith 结构的谐振腔.17 图 2.7 环行谐振腔结构.18 图 2.8 环行镜谐振腔结构.18 图 2.9 单纵模多波长可开关激光器的结构示意图.20 第第 3 章章 实验理论介绍实验理论介绍 图 3.1 sagnac 环行滤波器示意图.26 图 3.2 基于保偏光纤的 sagnac 环行滤波器示意图 .28 图3.3人眼透射率和视网膜吸收率与入射波长函数.31 图3.4线形的饱和吸收体结构的激光器.31 图3.5射频分析仪探测信号随饱和吸收体长度改变的结果.33 图3.6耦合器 fabry-prot 腔连接方式.33 图3.7级联耦合器 fabry-prot 腔示意图.35 第第 4 章章 基于双“基于双“sagnac 环”滤波器的大功率单纵模光纤环形激光器环”滤波器的大功率单纵模光纤环形激光器 图 4.1 大功率单纵模光纤激光器结构示意图.38 图 4.2 光谱分析仪测得的环行激光器的光谱.41 图 4.3 在 1550nm 处输出功率与组合泵浦能量关系图.42 图 4.4 (a)射频分析仪测得的多纵模相对噪声强度图.43 图 4.4 (b)射频分析仪测得的相对噪声强度图.44 第第 5 章章 基于环形“基于环形“fabry-prot”谐振腔的大功率单纵模光纤激光器”谐振腔的大功率单纵模光纤激光器 图 5.1 实验结构示意图.48 图 5.2 光纤环示意图.49 图 5.3 (a)1565nm 处泵浦功率与输出功率的关系 .50 图 5.3 (b)光谱分析仪测得的光谱图.50 图 5.4 (a)只用 fbg 作为波长选择条件下的频谱，谱宽 70mhz .51 图 5.4 (b)在 fbg 基础上加入光纤环后的频谱图，频谱范围 1ghz.52 图 5.4 (c)在以上结构中加入饱和吸收体后的频谱图.52 图 5.4 (d)跳频频谱图 .53 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立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 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杨肖璇 日期：2008 年 1 月 20 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：杨肖璇 指导教师签名：詹黎 日期：2008 年 1 月 20 日 日期：2008 年 1 月 20 日 1 第一章 第一章 绪论绪论 随着光通信技术的日新月异，特别是密集波分复用系统（dwdm）的广泛 应用，使得光纤激光器，尤其是适用于 dwdm 系统的大功率单纵模光纤激光器 成为长距离通信研究的热点。大功率单纵模光纤激光器具有纵向模式唯一，输出 功率高，稳定性好，易于长距离传输等优点。大功率单纵模光纤激光器不仅适用 于 wdm 系统，还可用于光纤传感系统，光通信器件测试等。特别适用于目前高 速 wdm 网络波长距离的光源。 本论文研究的主要内容是大功率单纵模光纤激光 器，特别是几种新型的大功率单纵模光纤激光器。 1.1 光通信发展历史光通信发展历史 1 光通信是二十世纪的重大发明，1966 年英籍华人高锟博士首次明确提出利 用光导纤维进行激光通信的设想，从此为人类信息的传递开辟了一片新天地。之 后的几十年时间里，围绕着用光纤传递信息这一主题，用在光纤通信上的新期间 不断被发明，通信技术不断被改进，传输速率一次次地被刷新，连接世界各地地 光网络先后建成。光纤通信在国家发展和人们的日常生活所起的作用越来越重 要。在未来还要实现光纤到户，到桌面的全光网络，光纤通信将成为信息传递的 最主要方式。 1970 年美国康宁公司用高纯度石英生产出世界上第一根损耗率为 20db/km 的套层光纤2,从而使光纤用于通信成为可能。1975 年光纤点到点通信系统的 第一个现场实验在贝尔实验室进行。1977 年贝尔研究所和日本电报电话公司几 乎同时研制成功寿命达 100 万小时（实用 10 年左右）的半导体激光器，使光纤 通信进入实用化。同年世界第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入使用，其速 率为 45mb/s， 实用的是多模光纤， 应用的通信窗口是 850nm。 经过十几年的努力， 到 1982 年光纤的传输损耗降至 0.2db/km,为光纤通信在世界范围内的迅速发展 提供了坚实的技术基础。使用的光纤由多模转向单模，通信窗口由 850nm 转向 1310nm。八十年代中期，1310nm 单模光纤通信系统投入商业运营，速率达到 1.7gb/s,中继距离为 50km。标准单模光纤在 1310nm 处的损耗是 0.35db，而在 2 1550nm 处的损耗是 0.2db，当时之所以没有使用 1550 波段是因为该处光纤的色 散值过大，不利于通信，而色散位移光纤又尚未问世。 图 1.1 光纤通信基本结构 fig. 1.1. the basic configuration of the fiber communication. 进入九十年代，光纤通信迎来了它的繁荣时期。特别是掺铒光纤放大器的 发明3,为光通信带来了技术上的革命。它使原来的“电光电”转换放大模 式，变为“光光” ，直接放大，避开了线路中的电子瓶颈，为进一步提高通信 速率打下了基础。掺铒光纤放大器的有效增益带宽落在 1550nm 附近，加上色散 位移光纤的拉制成功，通信窗口迅速转移到 1550nm。1996 年至今密集时分复用 （otdm）和波分复用(dwdm)技术的全光网络开发与应用的迅速发展,充分利用了 光纤低损耗波段的潜在容量,以实现大容量传输4。 图 1.2 时分复用原理图 fig. 1.2. the principle figure of the tdm. 其中 otdm 的通信原理如 图 1.2 所示。同时，dwdm 得到快速发展这是因为 它具有下述优点：(1)传输容量大，可节约宝贵的光纤资源；(2)对各类业务信号 “透明” ，可以传输不同类型的信号；(3)网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也 不需要使用高速的网络部件， 只需要换端机和增加一个附加光波长就可以引入任 意新业务或扩充容量，因此 wdm 技术是理想的扩容手段；(4)组建动态可重构的 3 光网络，在网络节点使用光分插复用器或者使用光交叉连接设备，可以组成具有 高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。 1.2 1.2 光通信可调谐光源的介绍5 光通信可调谐光源的介绍5 随着高速大容量光通信系统的迅猛发展，可调谐激光光源在 dedm 中的应用 将越来越重要。我们接下来对几种不同结构的可调谐激光器做一下简单介绍。 1.2.1 1.2.1 可调谐半导体激光器6-8 可调谐半导体激光器6-8 早期的可调谐激光器从半导体结构考虑，可大体分为布拉格发射型激光器等 4 种类型。 1) 分布式布拉格发射型（dbr）激光器 dbr 激光器是可调谐激光器中结构最简单且出现最早的，激光器两端各有一 反射镜，进行调谐。其缺点是难以控制谐振腔内两个反射镜之间的光程长度9。 2) 分布反馈式（dfb）激光器 dfb 激光器在谐振腔的增益区内装了一个发射镜，通过改变温度对不同波长 进行调解，即改变驱动电流或控制加热槽温度。但 dbf 激光器线宽大，调谐范围 小。 3) 外腔半导体激光器 外腔半导体激光器利用外腔将部分输出光反馈回有源区， 通过反馈光与有源 区内光场之间的有效相互作用，可以降低激光器噪声、压窄激光器线宽、增大波 长调谐范围。它在光频复用（ofdm）光通信、外差传感、相干检测技术、高分辨 率光谱测量等领域获得了日益广泛的应用10。 4) 取样光栅可调谐激光器 取样光栅可调谐激光器的出现，为获得更大的调谐范围提供了依据。它在谐 振腔的两端分别有一个光栅反射镜，经光栅的“取样”得到一个光谱响应，前后 取样光栅的光栅间隔略微有些不同，这能使产生的光谱有略微的模间隔，其可调 4 谐范围约为 70nm。而采用带有光栅辅助同向耦合滤波器的取样光栅加一个滤波 器来选择取样光栅输出峰中的一个峰值，波长精确，但其制作复杂。 1.2.2 1.2.2 光通信可调谐光纤激光器11-13 光通信可调谐光纤激光器11-13 一般的光纤可调谐激光器大多是在光纤放大器的基础上发展起来的。 它用掺 稀土元素的光纤,加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器(如图 1.3 所 示)。掺稀土元素的光纤充当光纤激光器的增益介质，在光纤激光器中有一根非 常细的光纤纤芯,由于外泵浦光的作用,在光纤内很容易形成高功率密度,从而引 起激光工作物质能级的粒子数反转,适当加入反馈机制,很容易从纤芯输出激光。 图 1.3 光纤放大器的基本结构示意图 fig. 1.3. the basic configuration figure of the fiber amplifer. 光纤放大器只是可调谐光纤激光器的一种，可调谐光纤激光器的出现，为光 密集波分复用、时分复用通信、传感系统和现代光谱技术提供了良好的光源，其 中调谐方法可人为手动调谐， 也可通过计算机以实现可编程控制工作波长的调谐 激光输出。 a) 掺铒光纤激光器 掺铒光纤激光器（edfl，erbium doped fiber laser）是光纤激光器的一种， 其出射波长落在 1550nm 窗口，由掺铒光纤和光泵以及其他相关光路元件（如波 长选择器、偏振控制器、输入/输出耦合器）等组成光路，具有低阈值及光纤通 信系统兼容等优点。特别是可调谐环行 effl 具有调谐范围大，输出功率高，成 为可调谐激光器的主流。edfl 使用于大容量长距离光纤通信和 dwdm 系统。 5 b) 光纤光栅应立调谐全光栅激光器 全光纤可调谐激光器是高速大容量光通信系统中的关键部件， 它有较宽的增 益带宽，稳定的调谐结构，并且光纤光栅与光纤兼容，克服了非光纤的调谐器件 与光纤耦合时效率低，从而增大了插入损耗，导致激光器的低斜率和高阈值等弊 端。 c) 光纤光栅温度调谐光纤激光器 温度调谐光纤激光器是一种利用光纤光栅作为反馈和选频元件的全光纤激 光器。其光纤光栅的布拉格波长可随温度的变化而变化，因此可通过温度控制、 调节来实现该激光器的出射光波长，可作为光纤通信的光源。 d) 基于光纤放大器（ofa）的可调谐激光光源 普通的激光器通过改变有关参数来改变波长，但其范围很小，且激光强度等 性能指标也跟随发生变化，而实用化的可调谐激光光源，采用了特殊的激光器和 特殊的调谐及补偿措施，但成本十分昂贵。利用光纤放大器、光纤耦合器、可调 谐滤波器等构成的正反馈光纤环行器，可制成一种可调谐的激光光源。其优点是 实现调谐容易， 成本较低， 用不同的光纤放大器可得到不同波段的可调谐激光源， 缺点是其调谐范围受光纤放大器的工作区限制， 输出功率随波长的变化也需要采 取补偿措施。 图 1.4 拉曼放大器示意图 fig. 1.4. the figure of the raman amplifer. 1.31.3 光纤激光器的分类和优点 光纤激光器的分类和优点 6 由于光纤激光器有着以往激光器所不可比拟的优点，所以在进入实用不过 三四十年的时间里，应用极其迅速，发展如此充分，显示出极大的优越性，展示 出美好的应用前景。随着光纤通信网络的不断完善，将使我们的信息传递更加快 速，准确和安全。 1.3.1 光纤激光器的分类 1.3.1 光纤激光器的分类 下表给出光纤激光器按照几种不同分类标准的分类， 如按照谐振腔、 增益介 质、掺杂元素等。 分类方法 种类 按谐振腔分类 f-p 腔、环形腔、线形腔、环路发射光纤谐振腔 按增益介质分类 稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单 模光纤激光器、塑料光纤激光器 按输出光波组成分类 单波长光纤激光器、多波长光纤激光器 按工作机制分类 上转换光纤激光器、下转换光纤激光器 按光纤结构分类 单包层光纤激光器、多包层光纤激光器 1.3.2 光纤激光器的优点 1.3.2 光纤激光器的优点 光纤激光器近几年受到广泛的关注， 这是因为它具有一些其它激光器所无法 比拟的优点，主要表现在： （1）光纤激光器中，光纤既是激光介质又是光的导波介质，因此泵浦光的耦合 效率相当高，加上光纤激光器能方便地延长增益长度，能重复利用泵浦； （2）光纤的几何形状具有很大的表面积/体积比，散热快，它的工作物质的热负 荷相当小，能产生高亮度和高峰值功率； （3）光纤激光器的体积小，结构简单，工作物质为柔性介质，可设计得相当小 巧灵活，使用方便； （4）作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质具有相当多的 可调参数和选择性，光纤激光器可以在很宽的光谱范围内（455-3500nm）设计 7 运行，加上玻璃光纤的荧光谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光 纤激光器； （5）光纤激光器还容易实现单模，单频运转和超短脉冲； （6）光纤激光器增益高，噪声小，光纤到光纤的耦合技术非常成熟，连接损耗 小且增益与偏振无关； （7）光纤激光器的光束质量好，具有较好的单色性、方向性和温度稳定性； （8）光纤激光器所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，因此可以制作出高 精度，低损耗的光纤，大大降低了激光器的成本。 由于光纤激光器具有上述优点，它在通信、军事、工业加工、医疗、光信息 处理、全色显示、激光印刷等领域具有广阔的应用前景。可以预见，光纤通信在 国家的发展和社会生活中将扮演越来越重要的角色。 1.4 1.4 光纤通信和光信息网技术趋势 光纤通信和光信息网技术趋势 人们对信息的需求与日俱增。随着网络化时代的到来，计算机互联网正 在极大地改变着我们地生活。以高速传输技术、全光节点、智能联网技术为 核心， 并面向 ip 互联网应用地光波技术已构成了今天地光纤通信研究热点， 在未来的一段时间里，人们将继续研究和建设各种先进的光网络，并在验证 有关新概念和新方案的同时，对下一代光网络的关键技术进行更全面、更深 入的研究。从技术发展趋势角度来看，由于 wdm 具有大容量、透明性、可重 构性、易扩容性等优异性能，近年来得到了极大的重视和飞速的发展，其相 关的光器件、光系统、光网络等方面的发展代表了光通信技术的发展方向， 现已取得了很大的进展和成就。 目前，光纤通信和光信息网正朝着 dwdm 结合光放大器的高性能、大容 量、灵活性的光网（optical network）发展。光网是以光纤为基本传播介 质，采用 wdm 技术提高网络的传输容量，以波长路由分配为基础，在光节点 采用 oadm 和 oxc 技术来提高吞吐量， 从而使光网具有高度灵活性和生存性。 由于 wdm 技术的不断发展， 提高了光互联网技术满足不断增长带宽需求的能 力， 特别是未来的太比特率通信网只有使用光子交换技术才能满足网络容量 8 的需求， 这要依赖于合理成本下的可重构联网技术以及结构简单的用于复用 和交换的光器件不断走向实用化。 光网的实现依赖于光器件和系统的发展，dwdm、oadm 和 oxc 等一些全 新的技术的实现很大程度上取决于新型关键器件的开发和研制。同时，一种 新技术或新型器件可使整个系统的性能大大改善， 有时会使整个系统完全改 观。因此，许多公司或科研单位都投入较大的力量开发 aon 和 wdm 中的新技 术和新型的光器件，其中包括集成开关矩阵、滤波器、波长变换器、新型光 纤、oadm 和 oxc 等关键器件；还要重点解决高速光传输、复用器、高性能 的探测器和可调激光器阵列以及集成阵列波导器件等关键器件。 这些光器件 与光纤一起构成了光网的物质基础。 由于对机械稳定性和热稳定性要求的不 断提高，人们希望利用全光纤器件来组成光路。这是因为：一方面，信号被 限制在纤芯范围内传输，提高了稳定性；另一方面，由于单模光纤具有非常 低的散射和本证损耗，因此，上述因素在全光纤器件的设计和开发过程中扮 演了决定性的角色， 使得部分全光纤器件的性能已远远超过了材料光学组件 和集成光学器件。 1.5 论文的内容安排论文的内容安排 1 本文的第 2 章的内容是大功率单纵模光纤激光器的发展，首先简单介绍了光 纤的基本特性，及其非线性效应；同时介绍了现有的几种光纤激光器的发展， 大功率多纵模光纤激光器、大功率单横模光纤激光器、低功率单纵模光纤激 光器；最后在此基础上，介绍了大功率单纵模光纤激光器的发展。 2 本文第 3 章是后面两章节实验的理论介绍。包括 sagnac 环行滤波器原理， 含 pmf 的 sagnac 环行滤波器原理，掺铒光纤激光器基本原理及优点，饱和 吸收体的原理，最后介绍了“fabry-prot”光纤环基本原理，为后续的实验做 理论铺垫。 3 本文第4章提出一种新型基于双“sagnac环”滤波器的大功率单纵模光纤环形 激光器，激光器腔是主要由一个含保偏光纤sagnac滤波器和一个饱和吸收体 9 sagnac滤波器构成的环形腔结构。其中通过调节第一含保偏光纤sagnac滤波 器中pc的设置，可以改变该滤波器的透射率谱线，即可以选取允许通过该滤 波器的波长。另一个含未抽运掺铒光纤的sagnac环形滤波器则用作可饱和吸 收体，可以从多纵模中提取单纵模的输出。在这样一种实验结构下，实现了 功率大约为0.4w，且形成1.564m波长的单纵模激光输出。 4 本文第 5 章的内容是提出一种新型基于环形“fabry-prot”谐振腔的大功率 单纵模光纤激光器。开创性的利用环形“fabry-prot”谐振腔来协助实现大 功率单纵模的激光输出，经过我们研究，这在世界上尚属首次。实验通过布 拉格光纤光栅(fbg)来选择 1565nm 作为激光器的输出波长，双 10/90 耦合器 (coupler)光纤环起到“fabry-prot”谐振腔的作用，极大的抑制了谐振腔内 的纵模数目。本实验最后得到输出波长为 1565nm 的激光器，最高工作在 867mw 的输出功率，泵浦效率超过了 30%，本实验结构简单且成本低廉，满 足长距离光通信工程的要求。 5 本文第 6 章是全文的总结和对将来工作的展望。 参考文献参考文献 1 陈昭喜、刘尉、顾焕国， “光纤通信技术的进展” ，科技资讯，2007.12 2 d jafar, k.mynhaev, and lowell l. scheiner, “fiber-optic communications techniligy”, china machine press, 2002 3 聂秋华， “光纤激光器和放大器技术” ，电子工业出版社，1997 4 walter goralski, “optical networking (b) measurement result by rf analyzer with 13-m-long saturable absorber loop filter at 50mw 980nm pump 3.6 “fabry-prot”光纤环基本原理光纤环基本原理 早在1982年，l. f. stokes等人就在普通的耦合器中发现了不同的连接方式 可以产生不同的效果14，例如fabry-prot腔，mach zehnder腔等等。如图3.6 所示，耦合器对应的连接方式产生fabry-prot腔效果。光从a端口进入耦合器， 经过耦合器的分光作用，有一部分光回到进入端，与从a端口进入的光发生干涉 作用，从而起到fabry-prot腔的作用。 图3.6 耦合器fabry-prot腔连接方式 fig. 3.6. the connection matter of the coupler as a fabry-prot resonator 设光纤环的光学长度为l，光纤环中环形光场的耦合输出系数为c，ein（t) 为随时间t变化的光纤环的输入光场，并设ein（t)满足平方可积和平滑周期的要 求。环形 n 圈的输出光场为 0 (1)(/) n in ccetnl c 34 式中c0是真空光速。光纤环的输出光场为 0 0 ( )(1)(/) n outin n etcc etnl c = = 由上面两式我们可知输出光场的自相关函数为 () 2 0 0 ( )(1)() /) n m outin n m ccnm l c + = = ? 可见，out（)由光纤环中环形光场的自相关函数叠加而构成。因为01 c1，(mn)取大的值时，系数(1c)(m n)很小，所以，对于 out（）主要 有贡献的是(mn)取小值的那些项。 光纤环内光谱透射因子为 0 1 ( )12(1) cos(2/) 2 j j c scjl c c = =+ 对于本文，我们主要关心的是光纤环的相干特性。光谱透射因子直接将光纤 环入射、出射光场光谱联系在一起，表示了入射光场经过光纤环后光谱成份及其 幅值的变化，即表示了光纤环的相干性。光谱透射因子的最小值与光纤环光学长 度无关，但随着耦合输出系数增加。 当考虑损耗时的光纤环输出光场为 0 0 ( )(1)(/) n n outin n eteccetnl c = = 式中为光纤环单圈损耗系数.做与上述类似的推导，得到考虑损耗时的光谱透 射因子。 221 ( )1(1) scec = 2 0 1 12(1) cos(2/) nj j j ecjl c = + 损耗对s()的最小值无甚影响，对s()的极大值即峰值影响很大；s()透过 峰的频率宽度随着的增加而变宽。很显然，的存在和增大，使得光纤环的相 干性变坏。 35 1 12 2 4 43 3 图 3.7 级联耦合器 fabry-prot 腔示意图 fig. 3.7. the connection matter of the cascade coupler as a fabry-prot resonator 如图3.7所示， 两个耦合器级联而成的级联耦合器fabry-prot腔连接方式和 一个耦合器相似，3，4端口是分开的。如果3，4端口连接上，我们称为此结构 为级联的mach zehnder腔。级联式的光纤环理论上与单耦合器起到的作用是一 致的，我们采用级联式光纤环，主要是易于控制耦合器之间的光纤长度差，能更 好的实现模式相干。 保证光纤环良好的相干性，使光纤环有良好的频率选择性，尽可能的增加自 由光谱范围、减小峰值宽度，并让透过峰峰值为1。 选择小的耦合输出系数和适当的光纤环光学长度(满足一定的频率范围内一 定的透过峰数目的要求)，对于保证光纤环的相干性是十分必要的。损耗对于光 纤环透过峰峰值和频谱宽度有严重的影响， 减小光纤环的损耗对于保证光纤环的 相干性也是十分重要的。 参考文献 38 董天临 编著，光纤通信与光纤信息网，清华大学出版社，p. 8，2005 39 govind p.agrawal 著，贾东方，余震虹等译，非线性光纤光学原理及应用， 电子工业出版社，p.404，2002 40 檀慧明， “级联二阶非线性法布里-珀罗谐振腔特性分析， ” 光学学报，1999.10 41 张伟，陈国夫，赵卫，王屹山，李喆，侯洵， “非线性放大环形镜“8”字腔光 纤激光器实验研究， ”光子学报，2006.12 42 g. das and j. w. y. lit, “wavelength switching of a fiber laser with a sagnac loop reflector,” ieee photon. technol. lett., vol. 16, no. 2, pp. 6062, feb. 2004 43 董波，赵启大，黄桂龄，郭团，薛立芳，李淑红，顾红，董孝义， “级联双 折射光纤环镜滤波特性的分析， ” 光子学报，2007.7 44 x. fang and r. o. claus, “polarization-independent all-fiber wavelength division multiplexer based on a sagnac interferometer,” opt. lett.,vol.20,no.20,pp. 2146 2148, 1995. 45 x.p.dong, shenping li, k.s.chiang, and m.n. ng, “multiwavelength 36 erbium-doped fibre laser based on a high-birefringence fibre loop mirror”, electronics. letters, vol. 36, pp 1609-1610, 2000. 46 kejiang zhou, wei ye, jianliang yang, and nam quoc ngo, “comb filter based on an all polarization maintaining fiber loop and its applications,” spie vol. 4833 (2002). 47 kejiang zhou, wei ye, jianliang yang, and nam quoc ngo, “comb filter based on an all polarization maintaining fiber loop and its applications,” spie vol. 4833 (2002). 48 刘颖刚， 乔学光， 贾振安等， “基于 fbg 的波长可调谐环形掺铒光纤激光器， ” 光学精密工程， 2006，10 49 陈柏，陈兰荣，范薇，李学春，林尊琪，“线形腔窄线宽掺 yb(3+)光纤激 光器，”中国激光，2000.1 50 jian liu, jianping yao, jian yao, and tet hin yeap, “single-longitudinal-mode multiwavelength fiber ring laser,” ieee photon. technol. lett., vol. 15, pp. 1020-1022, a 51 l. f. stokes, m. chodorow, and h. j. shaw, “all-single-mode fiber resonator,” opt. lett., vol. 7, pp. 288-290, 1982. 37 第四章第四章 基于双“基于双“sagnac 环”滤波器的大功率单纵模环”滤波器的大功率单纵模 光纤环形激光器光纤环形激光器 4.1 实验背景实验背景 单纵模光纤激光器是未来几年光通讯和传感系统中最重要的科技之一。 在光 通讯的领域中，毫米波长信号的发生，以及光学载波恢复中，单纵模运作是绝对 必要的1。近来，光纤激光器在输出功率和工作波长这两方面都有了巨大的进 步。最近，千瓦量级的光纤激光器已经被报道研制成功了2，但是这些激光器 往往运作在多纵模的状态下。 由于单纵模高功率光纤激光器的独特的特性以及灵 活的性能，它已经吸引了许