（光学专业论文）被动锁模光纤激光器及其应用研究.pdf

上海交通大学博- 上论文摘要 被动锁模光纤激光器及其应用研究 摘要 被动锁模光纤激光器以其结构简单和紧凑而倍受关注，是未来时分复 用光通信系统、光传感和光探测等的理想光源。本论文以被动锁模光纤激 光器为主要研究对象，包括双波长被动锁模光纤激光器、产生宽谱多脉冲 的被动锁模光纤激光器、被动谐波锁模光纤激光器、基于对称非线性光纤 环形镜被动锁模光纤激光器及其在光纤长度测量上的应用。另外我们还首 次提出和实现了可调谐自激发多波长布里渊光纤激光器。 被动锁模光纤激光器是利用光纤非线性效应来实现锁模的，所以其动 力学特性非常复杂，通常存在多种脉冲激光输出模式。我们第一次直接从 被动锁模掺铒光纤环形激光器中产生了双波长脉冲，两波长可以是三个波 长带( 1 5 6 0 、1 5 8 0 、1 6 1 0 n m ) 中的任意两个，而这三个波长带正是能产生 单波长脉冲的位置。由于脉冲间的相互作用，双波长脉冲可以有各种不同 的调制格式，调制频率是由脉冲间的重叠程度决定的。它将是一种潜在的 产生双波长脉冲的简单而直接的方法。 首次在基于非线性偏振旋转的被动锁模掺铒光纤环形激光器中插入一 段高非线性色散位移光纤，得到了多脉冲平坦宽带光谱。对多脉冲束缚态 的时域和频域动力学过程进行了研究。在一定的泵浦功率和合适的偏振态 上海交通大学博士论文摘要 下，连续波分量被抑制时，产生的宽带光谱最平坦。也只有在连续波被抑 制的优化状态下，脉冲间的相互作用才能达到平衡。这种多脉冲平坦宽带 光谱具有很多潜在的应用，能够用作光相干层析、光学传感和光学探测等 的脉冲宽带光源。 构建了重复频率高达1 2 g h z 的被动谐波锁模掺铒光纤激光器。据我们 所知，重复频率1 2 g h z 是至今为止在被动锁模掺铒光纤激光器中达到的最 高重复频率。由于声光效应，稳定的被动谐波锁模仅仅发生在一些特定的 离散重复频率上，这些离散频率值相当于在光纤中传播的光脉冲所激发的 横向声波的共振频率。实验还证实存在两种被动谐波锁模的稳定机制，而 且它们在不同的重复频率处起不同的作用。还首次观察到了被动锁模光纤 激光器的一种新的操作模式，即多脉冲束缚谐波锁模，从这种模式可以产 生更高阶的被动谐波锁模脉冲。 研究了基于对称非线性光纤环形镜被动锁模光纤激光器的特性。利用 非线性偏振旋转原理实现被动锁模，用双折射光纤滤波器实现波长选择， 从被动锁模光纤激光器中产生了多波长梳。创新性地提出和实现了一种新 型的基于被动锁模原理的光纤长度测量方法锁模法，这种方法原理及 结构都很简单，利用锁模激光器稳定脉冲周期与腔长成正比这一关系来测 量光纤长度。实验证明，锁模法测量光纤长度精度高，可以达到厘米量级， 且能够用来测量上百千米的光纤长度。 关键字：光纤激光器，被动锁模，非线性偏振旋转，多波长 i i 上海交通大学博士论文a b s t r a c t s t u d yo np a s s i v e l ym o d e - l o c k e df i b e rl a s e ra n di t sa p p l i c a t i o n s a b s t r a c t p a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e r l a s e rh a sb e e nu n d e ri n t e n s ei n v e s t i g a t i o nd u et oi t s s i m p l i c i t ya n dc o m p a c t n e s sf o rt h ep a s tf e wy e a r s ，a n dw o u l db ep o t e n t i a ll i g h ts o u r c e sf o r f u t u r eo p t i c a lt i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x e d ( o t d m ) f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，f i b e rs e n s i n g ， a n do p t i c a le x p l o r a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e r n e dw i t ht h ep a s s i v e l ym o d e l o c k e d e r b i u m d o p e df i b e r ( e d f ) l a s e r , i n c l u d i n gt w o - w a v e l e n g t hp a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r , p a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e ri n c o r p o r a t i n gah i g h l yn o n l i n e a rf i b e r , p a s s i v eh a r m o n i c a l l y m o d e - l o c k e df i b e rl a s e r , a n ds y m m e t r i cn o n l i n e a ro p t i c a l l o o pm i r r o r ( n o l m ) b a s e d p a s s i v e l ym o d e - l o c k e df i b e rl a s e ra n di t sa p p l i c a t i o ni nf i b e rl e n g t hm e a s u r e m e n t i na d d i t i o n , at u n a b l em u l t i w a v e l e n g t hb r i l l o u i n - e r b i u mf i b e r l a s e r ( b e f l ) w i t he n h a n c e dp o w e r e f f i c i e n c yh a sb e e np r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y t h e r ea r ed i v e r s eo p e r a t i o nm o d e sf o rap a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r ，b e c a u s ei t s m o d el o c k i n gi sb a s e do nt h ef i b e rn o n l i n e a r i t ya n dh a sc o m p l e xd y n a m i c s w ef i r s t l y g e n e r a t et w o 。w a v e l e n g t hp u l s ef r o mt h ep a s s i v e l ym o d e l o c k e de d fr i n gl a s e r t h e w a v e l e n g t h so ft h et w o - c o l o rp u l s ec a nb es w i t c h e db e t w e e nt h r e ew a v e l e n g t hb a n d s ( 15 6 0 、 1 5 8 0 、1 6 1 0 n m ) ，a tw h i c hs i n g l e - w a v e l e n g t hp u l s ec a l le x i s t v a r i o u sm o d u l a t i o np a t t e r n so f t h et w o - c o l o rp u l s e sa r ea l s od e m o n s t r a t e d f o rt h ef i r s tt i m e ，w eg e n e r a t em u l t i p l ep u l s e sw i mf l a t t e n i n gb r o a d b a n ds p e c t r u mi n p a s s i v e l ym o d e l o c k e de d fr i n gl a s e r sb a s e do nn o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o nb y i n c o r p o r a t i o no fal e n g t ho fh i g h l yn o n l i n e a rf i b e ri n t ot h el a s e rc a v i t y t h et e m p o r a la n d s p e c t r a ld y n a m i cb e h a v i o r so fm u l t i p u l s eb u n c h i n gs t a t e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ef l a t t e s t b r o a d b a n ds p e c t r aa r ea c h i e v e dw h e nt h ec wc o m p o n e n ti s s u p p r e s s e du n d e ra p p r o p r i a t e p o l a r i z a t i o ns t a t e sa n dp u m pp o w e r s o n l yo nt h e s eo p t i m a lc a s e s ，t h ec w c o m p o n e n tc a r lb e u i 上海交通大学博士论文a b s t r a c t s u p p r e s s e da n dt h eb a l a n c eo fp u l s ei n t e r a c t i o nc a nb ea c h i e v e d p a s s i v eh a r m o n i c a l l ym o d e l o c k e df i b e rr i n gl a s e rw i t hs c a l a b l er e p e t i t i o nr a t eu pt o 1 2 g h zh a sb e e nd e m o n s t r a t e d ，w h i c hi sh i t h e r t ot h em a x i m u mr e p e t i t i o nr a t ea c h i e v e di n p a s s i v e l ym o d e l o c k e de d f l a s e rt oo u rb e s tk n o w l e d g e t h er e p e t i t i o nr a t e so fs t a b l ep a s s i v e h a r m o n i cm o d e l o c k i n ga r es o m ec e r t a i nd i s c r e t ev a l u e su n d e rd i f f e r e n tp o l a r i z a t i o n s ，w h i c h a r es u b j e c t e dt ot h er e s o n a n tf r e q u e n c i e so fi n d u c e da c o u s t i cw a v eb yp u l s e sp r o p a g a t i n gi n f i b e r s a n dt w os t a b i l i z a t i o nm e c h a n i s m sf o rp a s s i v eh a r m o n i cm o d e l o c k i n ga r ei d e n t i f i e da t d i f f e r e n tr e p e t i t i o nr a t e s i na d d i t i o n ，w eh a v eo b s e r v e dan e wo p e r a t i o nm o d e ，s o c a l l e d h a r m o n i cm o d e l o c k i n go fm u l t i p u l s eb u n c h i n g ，f r o mw h i c hh i g h e ro r d e rh a r m o n i c sc a nb e a c h i e v e d w ei n v e s t i g a t et h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co fp a s s i v e l ym o d e l o c k e df i g u r e o f - e i g h tf i b e r l a s e rb a s e do n as y m m e t r i cn o l m ，i n s t e a do fc o n v e n t i o n a lu n s y m m e t r i cn o l m t h e m u l t i w a v e l e n g t hc o m bi so b t a i n e df r o mp a s s i v e l ym o d e l o c k e df i g u r e o f - e i g h tf i b e rl a s e rb y i n s e r t i n gap o l a r i z e ra n das e c t i o no fp o l a r i z a t i o n m a i n t a i n e df i b e ri n t ot h el a s e rl i n e a rc a v i t y an o v e ls i m p l em e t h o dt om e a s u r et h ef i b e rl e n g t hh a sb e e np r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e du s i n gam o d e l o c k e df i b e rl a s e rc o n f i g u r a t i o n w ep r o v et h a to n ec a ng e tt h e f i b e rl e n g t he a s i l yf r o mt h em o d e l o c k e df i b e rl a s e rf o rt h er e a s o nt h a tt h et r a n s i tt i m ei n c a v i t yc o r r e s p o n d i n gt o t h ef u n d a m e n t a l 盘e q u e n c yi se x a c t l yl i n e a r l yp r o p o r t i o n a lt ot h e c a v i t yl e n g t h t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e ，t h i si st h eh i g h e s tr e s o l u t i o nm e t h o dt om e a s u r e t h el e n g t ho f l a r g e s c a l ef i b e r i th a sal a r g ed y n a m i cr a n g ea n di t sm e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni s h i g h e rw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef i b e rl e n g t h k e y w o r d s ：f i b e rl a s e r , p a s s i v e l ym o d e 1 0 c k i n g ，n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ，n o n l i n e a r o p t i c a ll o o pm i r r o r i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本入在导师的指导下， 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： ，娩与 嘴：坤h 日 上海交通大学 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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密吼 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：t 乞4 旦荔 指导教师签名： 醐垆形日 蹶叶7 疑7 日 上海交通大学博士论文第一章 第一章绪论 1 1 研究锁模光纤激光器的意义 第一台固体激光器闯世不久，s n i t z e r 和k o e s t e r 予1 9 6 1 年首先提出了光纤激光器和 放大器的构思。经过2 0 世纪七十年代到八十年代初期的酝酿，从2 0 世纪八十年代中期 开始，光纤激光器得到了迅速的发展。特别是最近几年，得益于利用了许多最初为电信 业开发的高性能元器件高性价比光纤激光器已经进入了实用化阶段。光纤激光器不仅可 以用作未来光纤通信系统理想光源，而且在光传感、探测诊断、非线性光学、生物医学、 军事等众多领域有着广阔的应用前景。 1 1 1 光通信系统 由于多媒体技术、计算机网络和接入网技术的快速发展，使数据通信业务呈爆炸性 增长，人们对带宽的需求越来越高，这就决定了光传输系统向超高速、大容量和长中继 距离的方向发展。据预测，到2 0 1 0 年，对通信系统的传输速率的需求将达到5 1 0 0 t b s 1 】。 为了满足超大容量通信系统的需求，目前扩大光纤通信系统传输容量的有效途径是采用 复用技术，特别是密集波分复用( d w d m ) 、光时分复用( o t d m ) 以及两者之间的有 机结合，已逐渐成为现代通信干线网的主体，并正向超高速( 4 0 g b s ) 、超大容量 ( 1 0 t b s ) 和超长距离( 2 0 ，0 0 0 k i n ) 的全光通信网络发展。但这种光通信方式的一个 关键技术就是要获得具有低时间抖动、高重复频率、接近变化极限的高质量超短脉冲源 或孤子源【2 】。 进入信息时代后，光通讯得到巨大的发展。图1 1 列出了现在采用的3 种光纤通讯 系统：图1 1 ( a ) 所示的是单信道系统，现有的通讯系统大部分还是这种系统，它在光纤 中只有单个波长用来传输信号。这种系统不能充分利用光纤巨大的通讯带宽，已经不能 满足日益增长的带宽要求。一般可以采用时分复用( t d m ) 技术和波分复用( w d m ) 技 上海交通大学博士论文第一章 术来解决这样的矛盾，图1 1 ( b ) 所示的系统是w d m 系统，图1 1 ( c ) 所示的是t d m 系统。 t d m 技术是将多个速度较慢的信道脉冲交叉复用到同根光纤中传输，这样可以提高 系统比特率。而波分复用技术在同一根光纤中同时采用多个波长来传输信号，这样就能 充分地利用光纤的通讯带宽。光的波分复用技术和时分复用技术各有自己的优点。 匝p l _ l 一门nn ? p 掘 ( a ) 似， 图1 1 光通讯系统的示意图。( a ) 传统的单波长系统；( b ) 波分复用系统，该系统将多个具有不同波 长的多个信道复用到单根光纤中来增加系统的传输容量；( c ) 时分复用系统，该系统中将具有相同波 长的多个信道交错插入到单根光纤中来增加系统的比特率。( t x ：发射机，r x 接收机，e d f a ：掺铒 光纤放大器) f i g 。l 一1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 。( a ) t r a d i t i o n a ls i n g l e c h a n n e ls y s t e m ；( b ) w d m s y s t e m ，w h e r em u l t i p l ec h a n n e l sw i t ht h ed i f f e r e n tw a v e l e n g t h sa r em u l t i p l e x e di n t oo n ef i b e rt o i n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y ；( c ) t d ms y s t e m ，w h e r em u l t i p l ec h a n n e l sw i t ht h es a m ew a v e l e n g t ha r e i n t e r l e a v e dw i t he a c ho t h e rt oi n c r e a s es y s t e mb i tr a t e ( t x ：t r a n s m i t t e r , r x ：r e c e i v e r , e d f a ： e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 波分复用技术在近几年得到迅猛发展，1 0 g b s 的w d m 系统已经商用化，4 0 g b s 的系统也将很快商用化，而且实验室早就实现了t b s 的传输。但就目前技术来说，相对 于波分复用技术而言，光时分复用技术还很不成熟。因为t d m 系统还有许多关键的技 术有待人们去解决，如超短光脉冲的产生、全光复用与解复用、光脉冲的线性和非线性 传输、超高速光调制技术和光纤的偏振模色散问题等，何况传输比特率的提高受到电子 电路物理极限限制。其中高重复频率的超短脉冲光源就是时分复用技术中的关键技术之 一。时分复用系统所使用的超短脉冲光源应满足以下的要求：( 1 ) 性能稳定，脉冲抖动 2 上海交通大学博士论文 第一章 小；( 2 ) 脉冲的带宽窄，调瞅小，应尽量达到变换极限；( 3 ) 输出波长稳定可调谐，以 便于系统进行色散补偿和解复用。 1 1 2 光通信光源技术 光源技术是光通信技术中的关键技术之一。目前商用的光纤通信系统中主要采用半 导体激光器作为光源，包括法布里一珀罗( f p ) 激光器、分布反馈激光器( d f b ) 、分布布 拉格反射激光器( d b r ) 、量子阱( q 、聊激光器和垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 等多种半 导体激光器，它们各有特点，分别适用于不同的光通信系统 3 】。法布里一珀罗激光器由 于其物美价廉、结构简单，大量用于光纤接入网、本地网( 一般信息传输速率在2 5 g b s 以下) ；直接调制的d f b 激光器在高速调制( 2 5 1 0 g b s ) 的情况下仍然能够保持动态单 模，可用于中心城市的市区城域网。在干线传输网络中，对光源的调制速率和光信号的 传输距离都有较高的要求。目前基于1 0 g b s 甚至更高速率的骨干网已经得到迅速的发 展，要求光源频率啁啾必须控制在很小甚至为负的范围内，直接调制激光器不能满足要 求，必须采用外调制器，目前普遍采用电吸收调制d b r 激光器。此外，半导体光源也 由单一波长激光器向v c s e l 阵列发展，c h a n g h a s n a i n 等最早开展多波长v c s e l 的研 究工作【4 】。 和半导体激光器相比，光纤激光器具有许多优良的特性：光纤到光纤的耦合技术成 熟，可以有更高的耦合效率和稳定性。光纤具有相当多的可调参数和选择性，因此可以 获得的激光谱线相当多。同时光纤基质有很宽的荧光谱，插入适当的滤波器可以得到很 宽的可调谐范围和很好的单色性。因此光纤激光器十分适合应用于w d m 系统和o t d m 系统。目前研究应用于光通信系统中的光纤激光器主要有：超连续光源，多波长光源和 高速超短脉冲光源。 超连续光源是未来光通信系统中最具有应用前景的光源【5 】。在1 9 9 4 年n ，r r 的 m o r i o k a 首次提出了用超连续谱来产生波分复用光源【6 】。这种方法是将高重复频率的短 脉冲注入到非线性光纤中，通过光纤内非线性效应作用产生频谱很宽的超连续光谱，然 后通过切割超连续光谱就能得到数目很多的波分复用光源。而且多波长的间隔可以由脉 3 上海交通大学博士论文 第一章 冲的重复频率决定，目前已经产生几百甚至上千个信道的多波长光源 7 - 9 ，利用这些 光源也早就实现了t b s 的通讯速度 1 0 。相比于上面所讲的v c s e l 阵列，这种超连续 多波长光源更加具有吸引力：它的间隔能够严格的保持一样，而且能够容易调整；该多 波长光源是通过非线性光纤产生的，原理非常简单，不需要类似v c s e l 阵列那样的复 杂的加工工艺和温度、电流控制；该光源直接是光纤输出，光纤间的耦合技术成熟，可 以有更高的耦合效率和稳定性；超连续谱能在很宽的范围内产生，其频谱能覆盖整个 s + c + l 波段。 能同时产生多个波长的单一光源在波分复用系统中有着重要的应用价值。为了进一 步提高通信容量，现代光纤w d m 通信系统正朝着信道数越来越多的方向发展。最直接 提供多路信号的方法就是采用多个单波长激光器。但如果单纯地增加光源数量，势必会 增加成本，因此性能稳定的多波长激光器更为人们看好。多波长激光器可以同时为多个 信道提供所需光源，使光发射端的设计更为紧凑、经济，因而在密集波分复用系统中有 很重要的用途。 光纤超短脉冲光源以其在光纤通信系统中潜在的应用价值得到了人们的广泛关注， 特别是在1 5 5 0 n m 这个窗口，掺铒光纤超短光脉冲激光器伴随着掺铒光纤放大技术的成 熟得到了很大的发展。以光纤作增益介质的光纤激光器阈值低、波长可调谐，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，势必成 为未来高速率密集波分复用系统和时分复用系统的基础。锁模光纤激光器是产生高速超 短脉冲光源的重要方法 1 1 ，1 2 。其优点是产生的光脉冲几乎为变换极限脉冲，重复频率 高，脉冲的带宽很窄，且激射波长和重复频率调谐方便。 1 1 3 在其他领域的应用 对于锁模光纤激光器的应用，总的来说可以将其分为两类：一类是弱光应用；一类 是强光应用。在弱光应用方面，如前所述它可以作为下一代超高速o t d m w d m 和孤子 光通信系统的理想光源，另外还可以广泛应用于光电探测、光信息处理、光高速采样、 生物工程、医疗、光纤传感等各个领域。还比如可用于时间分辨光谱技术和泵浦探测技 4 上海交通大学博士论文 第一章 术、光纤型光参量振荡器与放大器系统，作为飞秒固体激光放大器的种子光源，使用周 期性极化铌酸理( p p l n ) 进行高效倍频或频率上转换。在强光应用上，可采用多级啁啾脉 冲放大( c p a ) 技术将锁模光纤激光器输出光脉冲峰值功率升至百太瓦( t w ，即1 0 1 2w ) 甚至拍瓦( p w ，即1 0 ”w ) 量级。这种高峰值功率激光脉冲不仅可以用于受控核聚变、 等离子体物理学制导、激光战略武器研制、激光双星定位系统之中，而且还可以应用于 激光受控热核反应、强场物理、惯性约束快点火以及非线性光学等领域。 随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，光纤激光器技术正在不断向广度和深 度方面推进。特别是以光纤光栅、滤波器、光子晶体光纤、双包层光纤等为基础的新型 光纤器件等的陆续面市，将为光纤激光器以及锁模光纤激光器的设计提供新的对策和思 路。 1 。2 锁模光纤激光器的研究进展 锁模技术最早产生于上世纪6 0 年代初期，直到8 0 年代末期，随着光纤以及掺稀土 光纤制备技术和工艺的成熟出现了一些利用掺稀土光纤增益介质和普通光纤来设计锁 模光纤激光器的实验研究。由于锁模光纤激光器能够产生超短脉冲，在超高速大容量长 距离的孤子通信和o t d m 光通信系统中有着广阔的应用前景，所以世界各国对锁模光 纤激光器研究表现出了极大的热情。其中具有代表性的是1 9 8 9 年k a f k a 等人利用电光 调制器实现了主动锁模掺铒光纤激光器【1 3 】，获得了脉宽为4 p s 的锁模脉冲。进入9 0 年 代后，光纤激光器及锁模光纤激光器得到了飞速发展，人们对锁模光纤激光器进行了大 量的理论和实验研究。 在主动锁模方面，为了提高锁模脉冲重复频率先后出现了谐波锁模 1 4 ，1 5 1 、有理数 谐波锁模 1 6 ，1 7 ，任意分子数有理数谐波锁模技术【1 8 1 9 】。w u 等人在实验中采用1 g h z 左右的调制频率，得到了重复频率为2 2 g h z 的锁模脉冲序列，实现了调制频率的2 2 次 重复频率倍增，是目前为止报道的最高倍数 2 0 ；y o s h i d a 等人采用4 0 g h z 左右的调制 频率，得到了重复频率高达2 0 0 g h z 的锁模脉冲序列【2 1 。 5 上海交通大学博士论文 第一章 在被动锁模方面，1 9 9 1 年r i c h a r d s o n 等首次利用非线性放大光纤环形镜实现了“8 字形被动锁模光纤激光器 2 2 2 4 】，几乎同时d u l i n g 等也用非线性放大环形镜产生了亚皮 秒脉冲 2 5 1 ；19 9 2 年m a t s a s 等提出了非线性偏振旋转锁模技术，实现了被动锁模光纤环 形激光器f 2 6 】，t a m u r a 等同年也实现了非线性偏振旋转被动锁模，并且他们称这种方法 为偏振附加( 或叫加成) 脉冲锁模【2 7 。1 9 9 3 年t a m u r a 等又提出了展宽( 或称加宽) 脉冲被动锁模光纤激光器【2 8 】，展宽脉冲锁模光纤激光器与以前的孤子锁模光纤激光器 不同的是其激光腔体采用了色散交替变化的设计，脉冲在腔内会被交替的展宽和压缩， 从而降低了总的非线性积累，可以避免频谱边带的产生，并可以改善锁模光纤激光器可 能输出脉冲的最小宽度和最高能量。同是在1 9 9 3 年g r u d i n i n 等人第一次报道在被动锁 模光纤激光器中观察到谐波锁模 2 9 ，他们在铒镱共掺的被动锁模光纤激光器实现了最 高重复频率1 g h z 的被动谐波锁模。之后，在此领域如雨后春笋般地涌现了大量的研究 工作，不断地促进对被动锁模光纤激光器原理的理解和性能的改善 3 0 3 3 。特别是新 加波南洋理工大学t a n gd y 研究组在这方面做了很多出色的工作 3 4 ，3 5 】。 国内对光纤激光器的研究始于上世纪8 0 年代末，上海光机所、西安光机所、清华 大学、复旦大学、天津大学、南开大学、华中科技大学、东南大学、中国科学技术大学、 华东师范大学、电子科技大学、深圳大学、南京邮电大学、中国工程物理研究院、西安 交通大学、北京邮电大学等高等院校以及邮电部和电子部所属的一些研究单位，对光纤 激光器、放大器以及相关器件展开了一系列的理论和实验研究，并取得了一定的进展。 在被动锁模光纤激光器领域，1 9 9 5 年到1 9 9 7 年，华中科技大学黄德修等人 3 6 】，东南 大学杨祥林等人【3 7 】对有关被动锁模激光器进行了理论分析；1 9 9 9 年到2 0 0 1 年期间， 西安光机所王贤华、陈国夫等人报道了自启动被动锁模掺铒光纤激光器 3 8 ，3 9 1 ，获得了 重复频率2 1 3 7 m h z 、脉宽2 6 9 f s 的光脉冲：2 0 0 2 年，复旦大学的梁建中等人报道了自 锁模掺镱光纤激光器 4 0 】；2 0 0 3 年到2 0 0 4 年期间，天津大学李世忱研究小组研究了“8 字型腔基于非线性偏振旋转的被动锁模光纤激光器 4 1 4 3 ，电子科技大学刘勇智研究小 组对被动锁模光纤环形激光器进行了研究 4 4 ，4 5 。可见，国内在锁模光纤激光器领域， 取得了一定的研究成果，然而与国外相比，仍存在一定的差距，实用化程度也远远不够， 6 上海交通大学博士论文 第一章 有必要进一步加强锁模光纤激光器的研究。 1 3 光纤激光器概述 1 3 1 光纤激光器的概念和优点1 4 6 ，4 7 】 由块状工作物质及各种光学元件组成的传统固体激光器，存在体积大、质量大、结 构松散、可靠性差等缺点。光纤激光器具有波导式的结构，与体材料激光器相比光纤激 光器具有一些独特的优点。 光纤激光器近几年受到广泛的关注，正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 ) 首先在光通信领域中，光纤激光器与标准光纤和现有的光纤器 件( 如耦合器、偏振控制器、调制器和滤波器等) 完全兼容，插入损耗极小( 可小于0 0 1 d b ) ， 故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统，不必经过光电转换可直接对光信 号进行放大和处理；( 2 ) 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 滴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以使泵浦光充分吸收， 从而可以使总的光一光转换效率超过6 0 ：( 3 ) 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；( 4 ) 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； ( 5 ) 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( 4 5 5 3 5 0 0 n m ) 设计运行，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；( 6 ) 光纤激 光器还容易实现单模、单频运转和超短脉冲：( 7 ) 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；( 8 ) 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：( 9 ) 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，它不仅在光纤通信领域，而且在超快光学、光纤传感、 工业加工、光信息处理、全色显示、激光制导、激光印刷、医疗等领域都具有广阔而重 7 上海交通大学博士论文第一章 要的应用前景。 1 3 2 光纤激光器的主要类型1 4 6 ，4 7 1 按工作原理，光纤激光器可以分为四类：稀土掺杂类光纤激光器，光纤非线性效应 激光器，单晶光纤激光器和塑料光纤激光器。 稀土掺杂光纤激光器的工作介质是掺杂光纤，它是通过向光纤芯层中掺杂稀土元素 离子形成的。当有合适的泵浦作用稀土掺杂光纤就能形成粒子数反转，从而成为激光放 大介质。现在最常用的是掺铒光纤，在常温下它是三能级系统，c 波段的掺铒放大器大 约具有3 0 n m 的放大带宽。如果存在合适的谐振腔，通过腔的反馈和选模作用，就能形 成光纤激光器。掺铒光纤激光器的振荡波长一般位于1 5 5 r i m 波段，波长的可调范围大 于4 0 n m 。 光纤非线性效应激光器是利用光纤中的非线性效应制成的激光器。常见的非线性效 应是自位相调制，交叉位相调制，参量过程和受激散射等。由于强大的非线性过程效率， 光纤中很容易出现非线性效应。比如利用拉曼散射增益，可以在光纤中实现8 0 n m 带宽 的拉曼放大器而且可以在1 0 0 n m 范围内形成可调的拉曼激光。同样利用布里渊增益也能 产生窄带的布里渊斯托克斯激光，在1 5 5 波段单模光纤中布里渊频移大约l1 g h z 。最 近随着大功率的商用半导体激光的出现，利用光纤中的参量过程来产生新波长的激光也 重新被关注。利用四波混频，通过选择合适的泵浦( 波长和功率) 和零波长色散的光纤， 已经实现了超过3 6 0 n m 范围的光纤参量放大( f o p a ) ，同样也实现了很宽的光纤参量振 荡( f o p o ) 。此外，利用光纤中多个非线性效应，将高功率的窄脉冲注入到非线性光纤 内，就能产生频谱很宽的超连续激光，这已经被应用为通讯光源。 单晶光纤激光器是利用在基质上生长单晶技术制成的掺杂单晶光纤作为激光工作 介质的激光器。它的激光过程是这样的：当泵浦光通过单晶光纤时，掺入基质的离子受 泵浦作用后，产生粒子数反转，实现光放大。当泵浦光的激发超过一定闽值时，便产生 激光输出。 在塑料光纤的芯、包层中加入激光染料，就可以制成和以往染料激光器相同波长的 8 上海交通大学博士论文第一章 激光器，这就是塑料光纤激光器。由于较大的损耗，塑料光纤激光器研究的不多。 1 3 3 锁模光纤激光器 在光纤激光器中，锁模光纤激光器不但可以提供与光通信兼容的超短脉冲源，在光 纤传感和锁模基础研究方面也有着重要的作用，已引起人们的极大兴趣。大多数光纤激 光发射都有较宽的带宽，这意味着在光纤激光器中可以产生高峰值功率和极短脉宽的脉 冲。 使用锁模技术可以获得很窄的脉冲，现在的掺镱短腔光纤激光器中，已经获得几十 f s 的超短脉冲。同样锁模也分为主动锁模和被动锁模。主动锁模现在主要利用铌酸锂波 导调制器来迫使激光器的腔频相位同步，从而产生超短脉冲。主动锁模的优点是产生脉 冲有稳定的重复频率，但是脉宽只能达到p s 量级。而被动锁模也是在腔内插入饱和吸 收体来形成脉冲。除了传统的饱和吸收体，在光纤激光器内，非线性放大环形镜和非线 性光纤环形镜这两种全光纤结构的器件也能充当饱和吸收体，并被广泛地应用；另外利 用光纤非线性效应非线性偏振旋转也能实现被动锁模。尽管被动锁模能产生很窄的脉 冲，但是由于被动锁模光纤激光器要靠光纤非线性效应来实现锁模，所以其动力学特性 非常复杂，一个被动锁模光纤激光器通常存在多种脉冲激光输出模式 4 8 】，并且可以通 过控制偏振态使其从一个工作模式转换到另一个工作模式，这也将是本文的工作重点。 1 3 4 多波长激光器 在光纤激光器中，多波长光纤激光器不仅广泛地应用到光通讯光源，而且还可用于 光传感、光器件的性能测试和材料的色散测试等很多方面，因而受到广泛关注。目前产 生多波长光纤激光器有多种方法，主要的方法有：利用超连续谱来产生多波长光源，这 种方法将产生的超连续谱通过光谱切割来产生多个脉冲或者连续的多波长激光器。目 前，产生的超连续谱已经能够覆盖整个s + c + l 波段，并且2 5 g h z 间隔的多波长已经应 用为超密集波分复用系统光源；通过将掺铒光纤浸泡到液氮中来抑制掺铒光纤的均匀加 宽机制，这样直接在光纤激光器腔内加入滤波器就能产生稳定的多波长 4 9 ，5 0 】：利用光 9 上海交通大学博士论文一，第一章 一 纤的级联布里渊散射来产生多波- t 受 s t 一5 4 】；利用混和增益或非均匀加宽机制的增益 【5 5 ，5 6 ，如半导体光放大器或拉曼放大器来实现多波长；利用频移方法来产生多波长 【5 7 ，5 8 。 1 4 论文的主要内容和安排 从前面的讨论我们知道，锁模光纤激光器能够作为未来超高速时分复用光通信系统 的光源，特别是被动锁模光纤激光器，它结构简单，且具有全光纤结构、易于集成。但 是由于被动锁模光纤激光器是利用光纤非线性效应来实现锁模的，所以其动力学特性非 常复杂，通常存在多种脉冲激光输出模式，有的甚至在以前的实验中都从未观察到，需 要对此进行详细的研究，以进一步提高其性能和拓展其用途。 本论文主要针对被动锁模光纤激光器及其应用进行了研究，包括双波长被动锁模光 纤激光器、产生宽谱多脉冲的被动锁模光纤激光器、被动谐波锁模光纤激光器、基于对 称非线性环形镜的被动锁模光纤激光器及其在光纤长度测量上的应用。主要的内容安排 如下： 1 本文的第二章主要介绍了光纤激光器的基本原理，包括光与原子的相互作用，激光 产生的基本原理和速率方程理论；同时也介绍了光纤及其非线性效应，特别是后面 用到的自相位调制和交叉相位调制；介绍了光纤激光器的基本原理和锁模光纤激光 器，对比分析了各种锁模技术的优缺点。另外还特别介绍了我们首次提出和实现的 可调谐自激发多波长布里渊光纤激光器。 2 本文的第三章着重介绍了光纤激光器实现被动锁模的技术类型，再给出了非线性偏 振旋转被动锁模光纤激光器的基本原理和其存在的多种工作模式，最后总结了被动 锁模光纤激光器的最新进展。 3 本文第四章首次报道了从一个典型的基于非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器中产 生双波长锁模脉冲。通过在一个普通的掺铒光纤环形激光器中插入两个偏振控制器 和一个偏振相关隔离器，可以实现基于非线性偏振旋转的被动锁模。双折射诱导的 波长相关腔传输使得激光器能同时在两个或更多个波长上振荡，由于偏振相关隔离 1 0 上海交通大学博士论文第一章 器引入的另外偏振相关腔损，通过调节偏振激光器能在三个波长中的任意两个上同 时共振，并同时锁模。此外，双波长脉冲中两个不同波长的脉冲会相互作用，并通 过交叉相位调制效