（电磁场与微波技术专业论文）掺铒光纤环形腔的实验研究.pdf

中国科技大学博士学位论文摘要 腔激光器为 从激 光器， 获得了 一 3 d b线宽为 7 0 k h z的 窄 线宽 激光输出。 研究了 注入锁 定中的拍噪声和降低拍噪声的有效方法。在理论上推导了锁定带宽，指出了增加锁定 带 宽 的 方 法 . 估 算 了 的 锁 定 带 宽 值 。 ) 五、 研制成了 激光线宽小于0 . 5 k h z 单频单偏振掺饵光纤环形腔激光器和具有光学双稳态特 性 光 ” 宽 小 于 0一单 频 线 偏 振 掺 饵 光 纤 环 形 腔 ， 光 ” 。 卜 未 泵 浦 掺 饵 光 纤 作 为 饱和吸收体。利用驻波干涉在掺饵光纤中诱发的自写入光纤光栅，由于自写入光纤光 栅具有窄带滤波特性及对边模有效的抑制作用，解决了一般光纤环形腔激光的多纵模 和易跳模之问题，获得具有极窄线宽，不跳模时间大于 3小时单频激光输出。并在后 一种激光器中 观测到了 光学双稳态现象。同时利用速率方程在对饱和吸收光纤中自 写 入光纤光栅的形成进行了 理论分析，给出了 形成条件、解释了 单频激光形成原因和对 ” 模 有 ” 的 抑 ”作 用 。 关键词:光纤通信。零拍法， 噪声。 口口、 / 光纤环形腔激光器，掺饵光纤环形腔涟波器，注入锁定，拍 -一-一一-一-一 1 1 中国科技大学博士学位论文摘要 ab s t r a c t b e c a u s e t h e r e i s g a i n m e c h a n i s m i n t h e r e s o n a t o r , t h e a c t i v e f i b e r r i n g r e s o n a t o r s s h o w p o l y m o r p h i c c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e i r d i f f e r e n t w o r k i n g s t a t e . u n d e r t h e t h r e s h o l d , t h e a c t i v e f i b e r r i n g r e s o n a t o r c a n b e u s e d a s s c a n n i n g o p t i c a l s p e c t r u m a n a l y z e r s , o p t i c a l f i l t e r s o r d e l a y - li n e a n d s o o n . u p p e r t h e t h r e s h o l d , t h e a c t i v e f i b e r r i n g r e s o n a t o r c o u l d b e c o m e t h e f i b e r r i n g l a s e r o r r i n g l a s e r g y r o s c o p e e t c . a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t a p p l i c a t i o n s , s o m e v a r i e d k i n d s o f g a i n m e c h a n i s m c a n b e i m p l a n t e d i n t o t h e r e s o n a t o r . a n d a m o n g t h e s e s t r u c t u r e s , t h e a c t i v e f i b e r r i n g r e s o n a t o r w i t h e r b i u m d o p e d f i b e r p u m p e d b y l d i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t o n e s . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f e r d o p e d fi b e r r i n g r e s o n a t o r s b e l o w a n d u p p e r t h r e s h o l d , a s w e ll a s h o m o d y n e m e t h o d f o r m e a s u r i n g t h e l a s e r s l i n e w i d t h , i s s y s t e m i c a l l y a n a l y z e d b y b o t h t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t al w a y s . ( 1 ) u s i n g t h e a u t o c o r r e l a t i o n f u n c t i o n , t h e p r i n c i p al o f h o m o d y n e m e t h o d i s e x p l o r e d . t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d e l a y t i m e i n d u c e d b y d e l a y fi b e r a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f a d d i t i v e f r e q u e n c y - d o m a i n fl u c t u a t i o n a f f i x e d o n h o m o d y n e b e a t n o i s e p h o t o e l e c t r i c - c u r r e n t s p e c t r u m a r e i n t e n s i v e l y a n al y z e d . t h i s f r e q u e n c y - d o m a i n p e ri o d i c i s i n v e r s e p r o p o r t i o n t o t h e d e l a y t i m e ( r . ) . t h e r e q u i r e d l e n g t h o f d e l a y fi b e r f o r c o r r e c t m e a s u r i n g i s c o n fi r m e d , a n d t h e v al u e a n d d i r e c t i o n o f e r r o r a r e p o i n t e d o u t , w h e n t h e d e l a y f i b e r i s s h o r t e d t h a n c o h e r e n t l e n g t h o f m e a s u r e d l a s e r . t h e t h e o r e t i c al r e s u l t s a r e t e s t e d b y h o m e m a d e h o m o d y n e i n t e r f e r o m e t e r . t h i s m e t h o d p r o v i d e s t h e p ri m a r y m e a n s f o r t h e m e a s u r e m e n t o f n a r r o w l i n e w i d t h . ( 2 ) u s i n g t h e s p e c t r u m d e n s i t y f u n c t i o n , t h e i n t r a c a v i t y f r e q u e n c y - m o d u l a t i o n i s a n al y z e d b o t h t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t al l y . t h e t o t al s p e c t r u m d e n s i t y i s d e d u c e d u n d e r t h i s m o d u l a t i o n . t h e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e i n t r a c a v i t y f r e q u e n c y - m o d u l a t i o n a n d o u t e r c a v i t y p h a s e - m o d u l a t i o n i s e s t a b li s h e d . t h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t al r e s u l t s m a k e s u r e t h a t l o w fr e q u e n c y s m a l l r e s o n a t o r - l e n g t h - m o d u l a t i o n c o u l d g e n e r a t e s i g n i fi c a n t f r e q u e n c y - m o d u l a t i o n . e v e n t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y u p p e r t o 3 0 k h z , n o o b v i o u s i n fl u e n c e o n l a s e r s l i n e w i d t h c a n b e o b s e r v e d . b u t a n y i n t r a c a v i t y m o d u l a t i o n m u s t b e c a r e f u l l y u s e d f o r s a k e o f a ll e v i a t i n g t h e l a s e r s c h i r p . 中国科技大学博士学位论文摘要 ( 3 ) t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f fi b e r r i n g r e s o n a t o r b e l o w t h e t h r e s h o l d a r e a l s o i n v e s t i g a t e d b o t h t h e o r e t i c a ll y a n d e x p e r i m e n t a l l y . t h e e ff e c t i v e t r a n s m i s s i v i t y a n d o u t p u t fi g h t s s p e c t r u m d e n s i t y a r e d e d u c e d . t h e v a ri a n c e b e t w e e n r e s o n a t o r s c h a r a c t e r i s t i c li n e w i d t h a n d m e a s u r e d l i n e w i d t h i s d i s t i n g u i s h e d . t h e li n e w i d t h - m e a s u ri n g - r a n g e o f a s c a n n i n g fi b e r ri n g r e s o n a t o r i s g i v e n , a n d t h e c o n d i t i o n o f s i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d e o u t p u t o f a fi b e r ri n g r e s o n a t o r fi l t e r i s g i v e n t o o . a n e r b i u m d o p e d fi b e r ri n g r e s o n a t o r i s c o n s t r u c t e d , w i t h t h e fi n e s s e i s a r ri v a l t o 1 2 5 .t h e fi l t e r e d l a s e r w i t h 7 5 k h z - 3 d b l i n e w i d t h i s a c h i e v e d , w h e n t h e l i n e w i d t h o f i n p u t l a s e r i s 9 mh z . ( 4 ) a n i n j e c t i o n l o c k i n g e r b i u m d o p e d fi b e r ri n g l a s e r h a s b e e n m a d e , i n w h i c h a d f b l d u s e d a s a m a s t e r l a s e r a n d t h e e r b i u m d o p e d fi b e r r i n g l a s e r u s e d a s a s l a v e o n e . i t p r o d u c e s a s i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d e l a s e r w i t h 7 0 k h z - 3 d b l i n e w i d t h . t h e b e a t n o i s e a n d i t s d i m i n i s h i n g m e a n s a r e t e s t e d . i n t h e t h e o ry , t h e i n j e c t i o n l o c k i n g b a n d w i d t h i s d e d u c e d , t h e m e t h o d o f i n c r e a s i n g i n j e c t i o n l o c k i n g b a n d w i d t h i s g i v e n , a n d i t s i n j e c t i o n l o c k i n g b a n d w i d t h i s n u m e ri c a l l y e v a l u a t e d . ( 5 ) a s i n g l e - l o n g i t u d i n a l - m o d e s i n g l e - p o l a ri z a t i o n e r b i u m d o p e d fi b e r ri n g l a s e r w i t h t h e li n e w i d t h l e s s t h a n 0 .5 k h z a n d a s i n g l e - l o n g i t u d i n a l - m o d e li n e a r - p o l a ri z a t i o n e r b i u m d o p e d fi b e r ri n g l a s e r w i t h t h e li n e w i d t h l e s s t h a n 0 . 7 5 k h z a r e a c h i e v e d r e s p e c t i v e l y . i n t h e s e l a s e r s , a s e c t i o n o f e r b i u m d o p e d fi b e r w i t h o u t u n d e r g o i n g b u m p u s e d a s s a t u r a t a b l e a b s o r b e r . a s e l f - w r i t t e n g r a ti n g m a y b e f o r m e d b y s t a b l e s t a n d i n g w a v e i n t h i s a b s o r b e r . b e c a u s e s e l f - w ri t t e n g r a t i n g p o s s e s s e s a c h a r a c t e r i s t i c o f v e ry n a r r o w r e j e c t i o n b a n d a n d c a n s u p p r e s s a n y o t h e r s i d e - b a n d e ff e c t i v e l y , s o t h e m u f ti - l o n g i t u d i n a l m o d e a n d m o d e j u m p i n g i n o t h e r n o r m a l fi b e r ri n g l a s e r a r e r e m o v e d i n t h i s o n e . t h e s e l a s e r s p e r f o r m s t a b l e l a s e r i n g w i t h o u t m o d e j u m p i n g b e y o n d 3 h o u r s i n t h e e n v i r o n m e n t w i t h o u t d i s ti n c t v i b r a ti o n . t h e o p ti c a l b i s t a b i l i t y i s o b s e r v e d i n t h e l a t t e r l a s e r . b y a p p l y i n g e q u a t i o n s , t h e c o n d i ti o n o f f o r m i n g s e l f - w r i t t e n g r a ti n g , r e a s o n o f s i n g l e m o d e l a s e r i n g a n d s u p p r e s s i n g e ff e c t s o n a l l s i d e m o d e s i s p r e s e n t e d . k e y wo r d : o p ti c a l fi b e r c o m m u n i c a t i o n , h o m o d y n e , fi b e r ri n g l a s e r , e b i u m d o p e d fi b e r ri n g r e s o n a t o r fi l t e r , i n j e c ti o n l o c k i n g , b e a t n o i s e 中国科技大学博士论文 第一童绪 论 第一章绪论 近二十年来，由 于单模光纤具有频带宽、损耗低等特点， 使得光纤通信系统已 成为现 代通信的基础。 特别是近几年来，由于互联网、电 信和电 视飞速地扩张发展，对光通信的 通信容量和通信速率提出了 越来越高的要求，迫切需要更大容量、更加高速的光通信系统 投入使用。单靠提高通信速率显然是不行的，或靠多铺设通信光缆线路同样不现实， 人们 意识到 采用密集型波分复 用( d w d 峋是目 前最实用和经济的 方法。 如此迫切的需求 和极其 诱人的 应用前景，与 d wd m 相关的系统和器件的研究便成了各国 政府、机构和科研人员 重中之重。 以光纤环形腔为基础结构，可以构成无源滤波器、有源滤波器、光纤激光器、延时线 和再生器等等，不一而足， 这些器件在 d wd m 光纤通信中 均有重要的应用前景。同时以 光纤环形腔为基础结构， 还可以构成光纤环形腔陀螺和激光陀螺，也可以制成高分辨率光 谱分析仪。当腔中无任何增益机构时称之为无源腔;当 在光纤环形腔腔中置入增益介质时， 称之为有源光纤环形腔，如增益介质是掺饵光纤时，则称之为掺饵光纤环形腔。 本论文将在已 有工作的基础上，深入和系统地研究掺饵光纤环形腔在多种工作形态中 特性。 第一节光纤环形腔的基本构成 、引言 将 2 x 2祸合器的一个输出端反馈至祸合器的一个输入端就构成了光纤环形腔。 构成 腔的 光纤拐合器可以 是抛磨型的， 也可是熔锥型和抛熔型的。如图1 - 1 至 1 - 3所示的 均为无 ( a ) c r o s s c o u p li n g ( b ) d i r e c t c o u p l i n g f i g . 1 - 1 b a n d - r e j e c t i o n fi b e r r i n g r e s o n a t o r f i g . 1 - 2 b a n d - p a s s fi b e r r i n g r e s o n a t o r 一一一一- 一一一一一一 1 中国科技大学博士论文 源腔，图 1 - 1为带阻腔，根据 腔中反馈光纤和祸合输入端的 连接方式， 可细分为交叉祸合和 直 接祸合两种， 其中1 - 1 ( a ) 是交 叉祸合光纤环形腔， 1 - 1 伪 ) 为直 接祸合光纤环形腔;图 1 - 2为 带通腔:具有一个以上环路的 环形腔称为复合环形腔，图1 - 3 即为复合腔。当腔中含有增益 机构 ，如掺饵光纤放大器 ( e d f a )时， 就成为有源光纤 环形腔，同样可有为带阻腔、 带通腔和复合腔，结构示例如 图 1 - 4所示。 第一章绪 论 f i g . 1 - 3 c o m p o u n d - r i n g f i b e r r e s o n a t o r ( b ) b a n d - p a s s ( c ) c o m p o u n d - r i n g 二、无源光纤环形腔的特性 ( a ) b a n d - r e j e c t i o n g f i g .1 - 4 a c t i v e f i b e r ri n g r e s o n a t o r 当注入激光通过光纤祸合器 进入腔内后， 当腔满足谐振相位 条件时， 激光将在腔内实现干涉 相长的叠加， 如果是带阻型的光 纤环形腔 ( 如图 1 - 1 ) ，则注入 光功率被极大地祸合入腔内，则 在其输出端口则为相消干涉， 当 腔长变化时该端口输出形成一系 列尖锐的谐振谷，如图 1 一5所 示:若是带通型光纤环形腔 ( 如 图 卫 -2 ) ，则在输出端口 实现相 长干涉，当腔长变化时可形成一 系列尖锐的谐振峰 ( 如图 1 -6 所示) 。 从频域角度来看，只有符合 光纤环形腔谐振条件的那一些频 率的光，才能在腔中产生谐振， ，二 石 二 二 二 二 二 一5二e一.卜 。 d - 几万. 二一 下石. ; 二 sc a n l n 0 s o / ra d i a n f i g . 1 - 5 c h a r a c t e r i s t i c s o f b a n d - r e j e c t i o n f i b e r r i n g 一一-一- 一 00 .，口盆2 肠， s c a n i n g p h a s 9 / ra d l a n f i g . 1 - 6 c h a r a ct e r i s t i c s o f b a n d - p a s s fi b e r r i n g r e s o n a t o r 一，种种种， 2 中国科技大学博士论文第一章绪 论 谐振频率之间的距离， 称之为自由 谱宽 ( f s r ) , f s r的大小由腔长决定。 表征谐振特性的 重要参数是谐振腔的精细度 ( f i n e s s e ) , f i n e s s e 的高低由 腔的环程损耗决定，f i n e s s e 越 高， 谐振峰或谐振谷就越尖锐。在最简单的带阻腔中，为了获得高精细度，交叉祸合腔的 祸合系数需很大， 与之相反直接祸合腔的祸合系数则只能很小。 然而由于前者可以 用一根光 纤做成而可无熔接点，故可获得更高的精细度。 光纤复合环形腔主要用于是用于实现自由 谱宽的扩展。对于复合腔中的每一环路都有 一个相位谐振条件，不能满足其他环路谐振条件的峰值将会受到抑制成为边峰，这样复合 腔的自由 谱宽就得到展宽， 这就是复合环的v e r n i e r 效应m 日日4 考军一.5一巨己卜 三、有源光纤环形腔的特性 很多实际应用中，光纤环形腔 内常常需要放入多种光学元件，由 于这些光学元件的插入损耗，无源 光纤环形腔腔无法工 作在高精细度 状态， 而在有源腔中 通过增益机构 的补偿作用，能够补偿光学元件的 插损和环形腔本身的损耗，此时腔 的精细度主要由增益 ( g) 决定， 可使有源光纤环形腔工作在高的精 细度状态。 o一 一 =，州 曰晚竺 竺幸-一二 巴 竺 ， 性 ， 护 ， ， 户 吧 吧 _竺 生 竺 ， 吧 ， 尸 ， ， 户 尸 o o5弓2 2 .5 3 s c a n i n g p h a s e / r a d ia n f i g . 1 - 7 c h a r a c t e r i s t i c s o f a c t i v e f i b e r r i n g r e s o n a t o r 由于 g的存在， 有源环形腔的工作特性，将有别于无 源腔， 无源腔的透过率 ( t )是 不可能大于1 的， 如图1 - 6 : 而有源腔的t可大于1 ， 见图1 - 7 。如果将有源光纤环形腔 作为有源滤波器。 必须小心的 控制g的大小， 使g值不大于 腔的 环程损耗， 当 无注入光时， 腔的输出只能是相对微弱的自 发辐射光。 当 g的值大于腔的环程损耗时，腔就会处于自 激状态，有源光纤环形腔即成为光纤环 形腔激光器。光纤环形腔激光器具有很多优点， 具有极窄的激光线宽是其最重要的 特征之 一。然而，由于腔长 较长， 一般的光纤激光器极易跳模，通过合适的技术可以 获得单 频激 光输出iz r l 。当有激光注入腔内时， 在满足一定条件时，腔可工作在注入锁定状态， 成为了 注入锁定光纤环形腔激光器， 此时输出激光的频率与注入激光一致， 而注入激光的线宽可 一-一一 3 中国科技大学博士 论文 被大大的压窄5 -6 a 所以有源光纤环形腔腔的工作状态具有多态性: ( 1 )当g小于闽值时，可为有源滤波器， 滤波特性类似于 线 11 .14 等 等 ; ( 2 )当g大于闽值时，是光纤环形腔激光器。 第一章绪 论 f p 腔11 - 1 0 1 ，或是光纤延时 ( 3 )当g大于阖值时，且有注入光时，可以是注入锁定光纤环形腔激光器。 本文的研究范围含盖了上述三个不同工作形态中腔的特性。 第二节光纤环形腔的发展状况 光纤环形腔的历史可追溯到 1 9 8 0 年，当b e r g h , k o t l e r 和h . j . s h a w 等人研制成功了 光纤方向祸合器后 r 1 ， 全光纤环形腔就成为可能。1 9 8 1 年，s h u p e 提出了 用全光纤环形谐 振腔作陀螺的基本结构11 ( 0 1 9 8 2 年由美国s t a n f o r d 大学以l . f . s t o k e s 为主的一个研究 小 组采用抛磨型光 纤祸合器在。 . 631m构 成了 一个高 精细 度的 光纤 环形谐 振腔实现了 对微小 相移的灵敏检测 i 7 。同年，他们又利用光纤中的非线性实现了 亚毫瓦阂值的全光纤受激布 里渊环形腔激光器 le l ， 同期人们己 注意到光纤环形腔在延时方面的 研究t i l l ， 此后，随着掺杂 光纤的出现，为有源光纤环形腔的研究提供了方便。 从发展历史 来看。光纤环形腔的相关研究主要集中在以下几个方面: 一、光纤环形腔激 光器: 二、光纤环形腔滤波器 ( 扫描式光谱分析仪)和延时线;三、 光纤环形腔陀螺和基 于光纤环形腔的其他类型传感器。 一、光纤环形腔激光器 早在1 9 7 3 年以 前人们就关注到环形腔激光器 19 1 ， 在1 9 8 2 年，l . f . s t o k e s 等人发表 基于全光纤受激布里渊环形腔激光器此后的几年中，在光纤中掺入稀土离子的 研究l 作得 到了大力发展，随之在 1 9 8 5 年 r j m e a r s 等人发表了掺n d 3 + 光纤环形腔激光器 2 0 1 。由于 掺 e r ” 十 光纤的发光波段处于光纤通信的主要窗口，1 9 9 0年以来各类掺 e r a + 光纤环形腔激 光器陆续发表 2 1 - 3 7 1 ， 从开始到现在， 人们自 始至终关注如下几个方面: ( l ) 如何抑制光纤环形腔激光器极易跳模特性，而产生稳定单频激光输出。 主要是采 中国科技大学博士论文第一章绪 论 用 时 饱 和 气 体 吸 收 2 1 ， 复 合 腔 技 术3 1 2 3 1 和 其 他 方 法“ 。 ( 2 ) 在光纤环形腔激光器的框架下，产生稳定的多波长 激光输出。目 前的重点是使激 光波长间隔符合i t u - t 标准和间隔距离的可控制化研究 3 3 - 3 4 1 ( 3 ) 光纤 环形腔 激光器的 模式锁定， 脉冲激光输出 和 其非 线性等3 5 - 3 7 1 ( 4 ) 宽带可调谐 波长光 纤激光器等2 3 - 2 5 1 由于光纤环形腔激光器具有非常美好的应用前景，所以同样引起了国内很多研究单位 和学者的研究兴趣， 清华大学主要侧重于锁模光纤环形腔激光器和它在旋转测量中的 应用 3 8 - 3 9 1 :北京大学在色散腔光纤激光器方面做过工作4 0 1 : 母国光院士领导的南开大学现代光 学研究所侧重于多波长光纤环形腔激光器和光纤光栅在光纤激光器中的应用 4 1 - 4 2 1 ; 北方交 通大 学光波所， 则在 简水生 院士的 领导 下从事了d f b 和d f r 光纤激 光器的 研究4 3 - 4 4 1 ; 华中 理工大学的优势在于光纤环形腔激光器的非线性效应和非 线性效应的应用4 5 - 4 6 1 。中国科技 大学物理系明海教授等老师等和我导师钱景仁教授所领导的光纤实验室很早就注意到了 掺 n d 3 + 光纤和掺 e r a + 光纤特性以 及其在光纤环形腔激光器中的应用4 7 - 4 8 1 ，在光纤环形腔激 光器相关领域做了 大量工作，取得了令人信服的成绩。 作者等人在陈跃华等人 r 作川 的基 础上， 通过改进环形腔设 计， 更进一步将输出激光线宽 压窄到0 . 5 k h z 以下 4 9 1 二、 光纤环形腔滤波器 ( 扫描式光谱分析仪) 和延时线 很早人们就注意到了和光纤 f a b r y - p e r o t干涉仪 5 0 1 类似，光纤环形腔所具有的滤波 特性，并将之应用于 激光线宽的光谱测量中 5 1 - 5 3 1 , 1 9 9 1 年 h . o k a m u r a等人通过对掺饵光 纤环形腔特性的研究5 4 1 ， 揭示了由于 e d f a的增益作用，可以 补偿腔的环程损耗，能使腔 处于高精细度状态。此后y . h . c h e w 等人的研究表明可以通过调谐光纤祸合器的祸合比在 一定的范围内调节有源光纤环形腔的精细度，以 达到控制滤波器工作状态之目的 6 1 。 作者 所在实验室长期从事有源/ 无源光纤环形腔各类特性的研究5 6 - 5 8 1 ，导师钱景仁教授和胡宗 福博士深入地研究了 光源的谱分布和线宽对无源光纤环形腔的有效精细度 ( 线宽)的影响， 对两种典型的光谱 ( l o r e n t z 和g a u s s ) 光源，给出了 有效精细度 ( 线宽)与入射光线宽之 间的定量关系 5 5 1 。 通过进一步的 研究， 从理论上导出了 在有腔长调制时光纤环形腔的输出 特性，首次得到了 腔长 调制速率限的定量公式。并给出了 调制速率大于速率限时有效线宽 与调制速率的之关系 5 6 1 。 近期己 对有源光纤环形腔滤波器进行了 初步研究工作，制作了 有 源带通环形腔，用它对窄带的光源进行滤波，可以 获得线宽更窄的光谱5 7 1 目 前的研究主 一一一一 5 中国科技大学博士论文第一章绪 论 要 集中 在 有 源 腔的 优化等 方面 1 10 . 5 8 1 在光纤环形腔的早期研究中，人们发现当光源的相干长度远小于腔的长度时，用光纤 环形腔可以 构成性能良 好的光纤延时线 1 1 1当 在光纤环形腔中置入增益 机构( 如e d f a ) 后， 通过仔细控制增益 g的大小， 可以大大增加延时时间1 1 2 1 。由 于在光通信中的应用前景，光 纤环形腔延时线引发了很多的研究兴趣1 1 3 - 1 4 1 三、光纤环形腔陀螺和基于光纤环形腔的其他类型传感器 自1 9 7 6年v a l i 和 s h o r t h i l l 首次提出光纤陀螺的概念，光纤陀螺的发展经历了三个发 展阶段: 第一代 干涉型光纤陀螺 (5 9 基于著名的s a g n e c 效应， 利用正反 两束光 之间 的光程差与 旋转角速度关系，来测定角速度。为了增加灵敏度 ( 比例因子) ，就需增加光纤长度，由于 光纤长 度增加，会导致各类噪声随之增加， 人们常采用宽带光源、 光纤 起偏器和保偏光纤 等方法来减少这些噪声。到目 前为止干涉型光纤陀螺是发展比较完善的一种陀螺，其精度 已 达0 .0 0 0 5 0 / h( 地球自 转角速度为1 5 0 / h ) ，己 广泛应用于 航空航天实际领域。 第二代光纤环形腔陀螺， 如前所述早在 1 9 8 1 年， s h u p e 就提出 提出了 用全光纤环形谐 振腔作陀螺的基本结构 1 6 1 ，利用共振频率的变化来测定旋转角速度16 0 fi 2 1 。它与第一种陀螺 相比有三个优点:( 1 )光纤较短 ( 几米到十几米) ，减少了 温度漂移带来的影响;( 2 )一般 采用高相干度光源，波长稳定性较好:( 3 )由于是采用光纤环形腔的共振频率来测量转动， 所以 灵敏度高， 动态范围大。 第三代为受激布里渊散射光纤陀螺，是基于受激布里渊散射的光学非线性效应，同样 采用了光纤环形腔结构， 注入到腔中相向 传输的激光，当达到一定闽值后， 可诱发的s t o k e s 散射光，当两束相反方向传输的 s t o k e s 散射光相遇后会产生光的相拍，其拍频的高低代表 了旋转角速度的大小。由于比 例因子线性度是这三种陀螺中最好的. 所以受到人们的关注 1 6 3 -6 4 1 , 在国内北京航空航天大学和北方交通大学等单位在光纤陀螺方面作出了出色的成绩16 5 . 6 8 ，中国科学技术大学在相关的光纤环形腔非互易性和光纤陀螺中光源谱特性对后向散射 的影响等方面进行了有一定特色的 研究工作16 9 - 7 0 1 。目前第三代光纤环形腔陀螺和其他新机 理的光纤环形腔陀螺是研究的焦点。 基于光 纤环形腔结构， 可以 研 制出 其他光纤传感 器， 如水 听器 17 1-7 2 1和电 流传感器17 3 1等。 一-一一-一-一-一 6 中国科技大学博士论文第一章绪 论 第三节本论文的主要研究内容 本论文，深入和系统地研究了 掺饵光纤环形腔在闽值以 下及闽 值以 上等多种工作形态 中 特性。在理论工作基础上进行了 大量的实验工作，得到了 许多与理论分析一 致的结果。 实现了零拍法对激光窄线宽的测量和掺饵光纤环形腔滤波器激光线宽压窄实验。完成掺饵 光纤环形腔激光器的 注入锁定。研制成了 线宽小于 0 . 5 k h z稳定的单 频单偏振掺饵光纤环 形腔激光器和具有光学双稳态特性的线宽小于 0 . 7 5 k h z单频线偏振掺饵光纤环形腔激光 器。 理论工作方面: 在第二章中，利用自 相关函数对零拍的光电流谱与被测激光谱线的关系进行了分析。 重点考察了，当零拍干涉仪中的光纤延时线长度不是远大于被测激光的相干长 度时，光电 流谱线上的附加频域周期性波动与 光纤延时线长度及其与被测激光线宽的关系;同时给出 了激光实际线宽、测量线宽和相对延时时间三者之间关系的经验公式:得到了当光纤延时 线长度不是远大于被测激光的相干长度时，测量线宽大于实际线宽的2 倍以上的结论。 在第三章中，利用谱密度函数对光纤环形激光器腔内的频率调制进行了理论分析，表 明腔内轻微腔长调制会产生明显的频率调制;指出了腔内调频与腔外调相的区别;对调频 和调相进行数值估算。理论分析和实验结果一致。 在第四章中，给出了光纤环形腔有效透过率和输出光谱密度等公式。明确和区分了腔 的本征线宽和测量线宽等概念;得到了光纤环形腔光谱分析仪的线宽测量范围和光纤环形 腔滤波器单纵模输出条件。结果表明掺饵光纤放大器的增益， 虽然可以补偿腔的损耗，但 是在确定精细度的前提下，为了提高腔的输出功率，必须有效的降低腔的总体损耗。并用 所得公式对有源光纤环形腔进行了 优化分析。 在第五章中，对光纤环形腔激光器的注入锁定带宽进行了简单明了的理论分析，得到 了注入锁定带宽公式，公式表明:增加注入功率和适当减小从激光器一光纤环形腔激光器 谐振腔的光子寿命，可以增大锁定带宽。并估算了锁定带宽。 在第六章中，对在未泵浦掺饵光纤中，由驻波干涉和饱和吸收效应诱发的自 写入光栅 的 形成进行了理论分析，给出了 形成条件， 解释了 单频激光形成和有效边模抑制的原因。 中国科技大学博士论文第一章绪 论 实验工作方面: 在第二章中，设计了零拍干 涉仪， 对多种激光线宽进行了 测定， 提供了回避零拍噪声 中直流干扰的几种简单方法，消除了零拍法会有严重误差的看法，表明该种方法比自 差法 更为简单实用。同时对零拍噪声光电流谱线上附加的频域周期性波动实验结果和理论分析 进行了对比，其结果一致。 在第三章中，对光纤环形腔激光器的腔内频率调制和腔外相位调制进行了实验研究， 实验结果与理论分析一致，当腔内调制频率不是远大于输出激光线宽时，由于边带的相互 叠加， 其表征出的激光谱线形状常常是鞍型结构连续谱线;当 腔内调制频率远大于输出 激 光线宽时，输出为分立的谱线，其包络线依然可为鞍型。在相同的实验条件下腔内调制频 率和腔外相位调制进行了 对比。在腔内调制频率小于3 0 k h z 时，没有表现出对激光线宽的 影响。同时本章的实验结果表明必须小b 的控制和使用激光器的腔内调制，否则会使输出 激光的质量受到劣化。 在第四章中，对掺饵光纤环形腔滤波器的进行了实验研究，取得了与理论分析一致的 结果。通过实验分析证明:为了获得高精细度 ( f i n e s s e )必须用窄带带通滤波器抑制非注 入激光频率以外的自由 运转激光产生:有必要仔细地控制 g的大小;并需有效降低腔的总 体损耗，选择合适的输入、输出祸合比;为了获得稳定的输出，腔一长 的稳定补偿也是必须 的。在注入激光一mb线宽为9 m h z 的前提下，得到了一3 d b线宽为7 5 k h z的压窄激光输 出，腔的精细度达1 2 5 , 在第五章中，利用注入锁定技术，将中心频率稳定、 d f b l d作为主激光器，将光纤 环形腔激光器作为从激光器，研制成了输出激光线宽为7 0 k h z 的注入锁定掺饵光纤环形腔 激光器。在实现注入锁定后，改变了一般光纤环形腔激光器易 跳模之现象:利用光纤环形 腔谐 振特性， 有效压窄了注入光线宽，得到了中 心频率稳定， 较之 d f b l d线宽更窄的 输 出 激光， 其线宽压窄比 达 2 5 。 利用对比实验对注入锁定输出 激光中的拍噪声进行了实 验研 究，提出了解决拍噪声的方法。 在 第 六 章 中 ， 采 用 光 纤 环 形 腔 激光 器 结 构， 利 用 在 未 泵 浦 掺 镇 光 纤中 ， 驻 波 饱 和 吸 收 诱 发的自 写入光纤光栅的窄带滤波特性及反射波长自 适应特性， 得到了线宽可窄至 0 . 5 k h z 以一 f ， 输出光功率大于 1 d b m ，不跳模时间大于 3小时单频激光输出。在反射臂中置入光 纤起偏器后，获得了单频线偏振激光输出，其激光线宽可小于 0 . 7 5 k h z ，并观测到了光学 双稳态现象。 一一-一-一一-一一-一一- s 中国科技大学博士论文第一章绪 论 本论文有创新之处: ( 1 ) 理 论 分 析 和 实 验 测 量了 零 拍 噪 声 频 谱 上 附 加 的 周 期 性 波 动 ， 这 个 频 域 周 期 等 于 l o ， 了 。 是 零 拍干 涉 仪中 光纤 延 时 线 所 产生 的 时 延。 ( 2 )