（物理电子学专业论文）超短脉冲光源及大模场光子晶体光纤研究.pdf

中文摘要 超短脉冲光源是高速光纤通信系统的关键技术之一，是当前光通信领域的研 究热点。同时随着高功率光纤激光器和放大器的发展，大模场面积、低弯曲损耗 的光子晶体光纤也正成为非线性光纤光学研究的重点和难点。本文主要围绕超短 脉冲产生技术和光子晶体光纤设计问题开展了相关理论分析和实验研究，具体内 容如下： 一、光脉冲压缩技术的研究 1 提出了一种基于损耗管理光纤线路的绝热孤子压缩方法，在确定了光纤长度 后，只要很好地控制泵浦功率，就能获得最佳压缩效果。 2 设计了一种基于由普通单模光纤、色散位移光纤和高非线性光纤组成的准非 线性渐增光纤的脉冲压缩方案。由于所用光纤均已商用，该方法在实际中易于实 现，且可通过改变光纤长度灵活地控制压缩效果。 3 设计了一种梳状结构的非线性光纤脉冲压缩器，其结构简单，脉冲压缩质量 较好，压缩后具有较小的基座。 二、高能量非线性偏振旋转被动锁模掺铒光纤激光器的研究 1 利用时域锁模方程对非线性偏振旋转锁模技术进行了理论分析。 2 利用非线性偏振旋转锁模技术，获得了自起振、稳定的、重复速率为1 7 4 _ e i z 中心波长为1 5 6 4 1 n m 、谱宽为2 1 4 r i m 、脉宽为8 8 p s 的锁模光脉冲，单脉冲能 量达1 4 6 4 n j ；实验研究了耦合输出比对锁模脉冲的影响。 三、大模场面积、低弯折损耗光子晶体光纤设计的研究 1 分析介绍了光子晶体光纤的基本理论与分类方法，简要介绍了光子晶体光纤 的研究方法。 2 分析了一种常见的折射率引导型光子晶体光纤的模场分布，有效折射率，有 效模场面积，数值孔径与单模性质。 3 对现有的一种大模场光子晶体的设计方案进行改进，设计出了一种新的大模 场面积、低弯曲损耗光子晶体光纤。与原方案相比，新方案的模场面积有较大增 加，同时保持了原有的抗弯曲性能。 关键词：超短光脉冲非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器光脉冲压缩 大模场光子晶体光纤 a b s t r a c t u l t r a s h o r tp u l s es o u r c e ，w h i c hi so n eo ft h ek e y t e c h n i q u e si nh i 曲一s p e e do p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , h a sb e c o m et h eh o t s p o ti nt h ec u r r e n tr e s e a r c h a n dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g h - - p o w e rf i b e rl a s e ra n da m p l i f i e r , l a r g e m o d e - a r e ap h o t o n i c c r y s t a lf i b e r ( p c f ) w i t hl o wb e n d i n gl o s s e s a r eo fg r e a ti m p o r t a n c en o w t h e p r e s e n t e dd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h eg e n e r a t i o no fu l t r a - s h o r tp u l s ea n dd e s i g no f l a r g e - m o d e - a r e ap c fw i t hl o wb e n d i n gl o s s e sb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s ， a n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s 1 ) an o v e la d i a b a t i cs o l i t o nt e c h n i q u eb a s e do nl o s sm a n a g e m e n tf i b e rt r a n s m i s s i o n l i n ei sp r o p o s e d w h e nt h ef i b e rl e n g t hi ss e t ，t h eb e s tc o m p r e s s i n gp e r f o r m a n c ec a n b ea c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h ep u m pp o w e rc a r e f u l l y 2 ) an e wo p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o nm e t h o do nt h eb a s i so fq u a s i - n o n l i n e a ri n c r e a s i n g f i b e rc o n s i s t i n go fs i n g l e m o d ef i b e r ( s m f ) ，d i s p e r s i o n s h i f t e df i b e r ( d s f ) a n dh i g h n o n l i n e a rf i b e r ( h n l f ) i sp r e s e n t e d t h i ss c h e m ei se a s yr e a l i z e di np r a c t i c eb e c a u s e t h ef i b e ru s e di nt h es i m u l a t i o na r ec o m m e r c i a l m o r e o v e r ，i tc a nb ec o n t r o l l e d f l e x i b l yb ys i m p l yc h a n g i n gt h eg a i no f e d f a 3 ) an o v e lc o m b l i k en o n l i n e a r 铷e rc o m p r e s s o ri sp r e s e n t e d i ti ss i m p l es t r u c t u r e d a n dw i t hh i g h - q u a l i t yc o m p r e s s e dp u l s e ，w h i c hh a sar e l a t i v e l ys m a l lp e d e s t a l 2 h i g hp o w e r 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 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 r 1 ) o p e r a t i o np r i n c i p l eo fan 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 np a s s i v e l ym o d e - l o c k e d f i b e rl a s e ri si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l yb ys o l v i n gt e m p o r a lm o d e - l o c k i n ge q u a t i o n 2 ) b a s e do np o l a r i z a t i o na d d i t i v ep u l s em o d e - l o c k i n gt e c h n i q u e ，as t a b l e ，s e l f - s t a r t i n g m o d e l o c k e dp u l s et r a i na t1 7 4 m h zr e p e t i t i o nr a t ew i t hc e n t r a lw a v e l e n g t ho f 1 5 6 4 。l n m ，p u l s e - w i d t ho f 8 8 p sa n ds p e c t r a lw i d t ho f 2 1 。4 n mi so b t a i n e d 。t h ee n e r g y o fs i n g l e p u l s ei s 1 4 6 4 n j t h ei n f l u e n c eo fc o u p l i n gr a t i oi s e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d 3 d e s i g no fl a r g e - m o d e - a r e ap c fw i t hl o wb e n d i n gl o s s e s 1 ) t h eb a s i ct h e o r y ，c a t e g o r i e sa n dt h er e s e a r c hm e t h o do ft h ep c f 2 ) t h em o d ef i e l dd i s t r i b u t i o n , e f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e x ，e f f e c t i v em o d ea r e a ， n u m e r i c a la p e r t u r e ( n a ) a n dt h em o d e p r o p e r t i e so fn o r m a lp c fa r es t u d i e d 3 ) an e wd e s i g ns c h e m eo fl a r g e m o d e - a r e ap c fw i t hl o wb e n d i n gl o s s e si sp r o p o s e d t h em o d ea r e a ，b e n d i n gr e s i s t a n tp e r f o r m a n c ea n dt h em o d e p r o p e r t i e sa lea n a l y z e d k e yw o r d s ：u l t r a - s h o r tp u l s e ，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 p r ) ，p a s s i v e l y m o d e - l o c k e df i b e rl a s e r , p u l s ec o m p r e s s i o n , l a r g e m o d e a r e ap c f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名到埠 签字日期：2 p 。? 年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名划洋 签字日期：3 。7 年歹月弓e l 导师签名：礓莩艿 签字隰讪v 7 年6 月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基于非线性偏振旋转的被动锁模技术的发展 1 1 1 非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器 现代通信技术的发展已经使社会和经济在全球范围内发生了彻底的变化。光 纤通信技术的出现更是通信史上的一次重要革命。目前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、超大容量和 超长中继距离的方向发展。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o t d m ( 光时分复用技术) 、d w d m ( 密集波分复用技术) 以及二者的 有机结合。 超短光脉冲的产生技术是o t d m 技术的关键技术之一。o t d m 技术的要求 是能产生满足基阶孤子能量的超短光脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形 成光孤子。以光孤子为信息载体的第五代光纤通信系统，传输速率已发展到当今 的1 0 t b s 以上。 目前应用于o t d m 通信系统的超短脉冲光源大致有以下四种：增益开关 d f b 激光器( g s d f b ) 2 1 、外腔主动锁模半导体激光器( s m l ) 【3 】、d f b 激光器+ 电 吸收调制器集成模块( d f b + e a m ) 4 f f i l 锁模光纤激光器r ( m l f l ) 5 1 。g s d f b 的结构 相对来说比较简单，性能也稳定，但是输出脉冲带有一定的抖动和较严重的红移 啁啾，需要进行消抖动和消啁啾处理后才能应用于传输，而且脉冲具有较大的直 流基底，时分复用后会产生干涉噪声；外腔s m l 输出脉冲的啁啾较小，但是重 复频率不可调、性能也不稳定，集成后的外腔s m l 虽然在性能上更加稳定，但 工艺复杂；利用d f b + e a m 产生高重复频率超短光脉冲对工艺有很高要求，且 输出脉冲的波长不可调。 与上述几种光源相比，m l f l 激光器具有明显的优势：一方面，光纤到光纤 的耦合技术非常成熟，有很高的耦合效率，而且稳定；另一方面，m l f l 激光器 的腔结构比较简单、灵活、腔内可调参量多、调谐范围较宽，所以能够很方便地 产生满足各种需要的高重复频率的超短脉冲；更重要的是，光纤本身具有很多特 有的性质，比如自相位调制( s p m ) 、交叉相位调锘l j ( x p m ) 、群速度色散( g v d ) 、 非线性偏振旋转( n p r ) 等，合理地利用光纤的这些特性不仅能方便地实现被动锁 模，而且能有效地改善被动锁模脉冲的质量，直接产生p s 乃至f s 级的近变换极 第一章绪论 限的超短光脉冲。这一点对o t d m 系统支持更高的传输速度是非常有利的，是 一种很有前途的光源。 锁模光纤激光器按锁模方式可以分为主动锁模光纤激光器【6 j 、被动锁模光纤 激光器i7 】和主被动联合锁模光纤激光裂8 j 三类。主动锁模和主被动锁模激光器都 必须使用有源调制器，使光纤激光器结构复杂化，由于调制器的调制能力有限， 限制了输出脉冲的宽度。与上述两种方案相比，被动锁模光纤激光器是获得飞秒 脉冲的有效方法，它能在激光腔内不使用调制器之类的有源器件实现超短脉冲的 输出。由于不受调制器响应速度的限制，因此可以得到相当稳定的锁模超短脉冲 序列输出，是o t d m 系统的理想超短脉冲光源。 实现被动锁模光纤激光器的方法有很多种，主要包括利用半导体可饱和吸收 体( s e s a m ) 构成的环形腔或线形腔被动锁模光纤激光别9 j ；利用非线性光纤环形 镜( n o l m ) 或非线性放大环形镜( n a l m ) 构成的“8 字形被动锁模光纤激光器 1 0 - 1 1 ；利用光纤中非线性偏振旋转效应构成的环形腔或线形腔被动锁模光纤激光 器 1 2 - 1 3 】等。 基于n p r 的被动锁模光纤激光器具有结构简单、可自启动、泵浦阈值低、 工作稳定、输出脉宽窄等特点，并且可以有效产生p s 级和f s 级的超短光脉冲。 这一方案自提出后，即得到国内外学者们的广泛重视。 19 9 1 年，m h o f e r 首次利用n p r 技术得到新的加成脉冲锁模的实现方法i l 引。 其锁模机制利用非线性双折射实现，脉冲在掺铒光纤的传输过程中，非线性效应 将会引起两个正交偏振分量上的相移。由于非线性相移与脉冲的强度相关，脉冲 中心与两翼的偏振态是不同的。通过调节两个偏振控制器使波形中央部分顺利通 过，而脉冲边沿部分被阻隔。这样脉冲每通过一次往返就会有略微的窄化，通过 不断循环，脉冲越来越窄。因为这种技术依赖n p r 非线性偏振旋转机制，所以 称为n p r 锁模激光器。1 9 9 2 年底，k t a m u r a 等利用n p r 技术得到稳定的4 5 3 f s 脉冲序列输出，重复频率为4 2 m h z ”j 。2 0 0 6 年，j r b u c k l e y 等制做了色散补 偿的n p r 非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器6 1 。图1 1 为它的实验装置图， 其中使用了s f l1 棱镜，光栅密度为6 0 0 l i n e s r a m ，泵浦中心波长为9 7 5 n m ，激光 器工作在1 0 3 0 n m 。图中用两块四分之一波片( q w p ) 和一块二分之一波片( h w p ) 控制非线性旋转效应。这里p b s 为偏振分束器，m 1 m 3 为反射镜。为了产生最 短的脉冲，调节l 1 - - 0 7 e r a ，l 2 = 9 5 c m ，l 3 = 2 1 c m ，直接输出峰值功率为3 0 k w 、 重复频率为2 9 m h z 的3 3 f s 超短脉冲序列。2 0 0 7 年，d yt a n g 等通过合理选择 耦合输出位置，获得了能量为2 0 8 n j 、重复频为3 8 3 m h z 、脉冲宽度为4 6 2 f s 的 被动锁模输出m j 。 第一章绪论 图i - l 非线性偏振旋转锁横光纡激光器装置图 在n p r 的基础上，1 9 9 3 年，kt a m u r a 等提出并实现了展宽脉冲锁模光纤 激光器”“。通过在n p r 锁模激光器的反常色散腔内加八一段正常色散掺铒光 纤，使掺铒光纤的正色散和普通光纤的负色散几乎平衡。这种设计可以很好地降 低光纤的非线性和增加激光器的稳定性。该激光器能产生能量9 0 p j ，峰值功率 1k w 的7 7 f s 脉冲。由于脉冲在腔内往返周期内，脉冲形状会展宽压缩两次，因 而被称为展宽脉冲锁模光纤激光器。目前，被动锁模光纤激光器多使用这种技术。 2 0 0 3 年，bo r t a c 等实现了平均能量达5 n j 、峰值功率3 6 k w 的展宽脉冲锁模激 光器j 。围l 一2 给出了实验装置图，激光器使用掺德双包层光纤作为放大介质， 半导体激光器作为泵浦，泵浦激光器工作在9 7 5 n m ，晟太输出功率为37 w 。掺 镱双包层光纤的两端使用不掺杂标准单模光纤。当波长为1 0 5 0 n m 时，腔内光纤 平均群速度色散为o0 2 6 p s 2 m 时实现n p r 被动锁模，使用密度为1 2 0 0 l i n e s m m 的光栅对来部分补偿光纤的色散。实验得到脉冲能量和峰值功率分别是5 n j 和 3 6 k w 的9 0 f s 脉冲。2 0 0 6 年，s h e n p i n gl i 等人通过使用一段单折射率光纤和可 调偏振相关隔离器，实现了可调谐展宽脉冲锁模激光器，输出脉冲波长调节范围 从1 5 5 3 n m 到】5 5 6 n m ，脉冲宽度为15 0 f s e 。2 0 0 7 年，roi l d a y 等使用正常色 散的掺镱光纤提供高增益，在光纤环形激光器中直接产生了重复频率为 5 23 3 m l t z 、脉宽为5 0 0 话、平均输出功率为8 8 0 m w 、单脉冲能量为1 65 n j 的高 功率超短脉冲输出“。 第一章绪论 ，。一 r _ ” 幽p u m p f i t 5 啪 z 2 匕 挑c 枷j d 4墟 。n nr na o p t i c a lg 嗍1 i s o l a l o t 图1 - 2 展宽脉冲锁模激光器装置图 2 0 0 4 年，f o i i d a y 等仔细地设计腔结构，并通过数值模拟和适当的优化， 在正常色散区用新的方式实现了展宽脉冲光纤激光器【2 2 1 ，得到了量子理论所预 言的最短的脉冲宽度。这种激光器因为传输的不是孤子而是类孤子，被它的创造 者定义为自相似光纤激光器。他们在实验中采用掺镱光纤激光器，并且运用非线 性偏振演化技术( n p e ) 实现锁模，使脉冲从n p e 的端口输出，得到压缩前后的脉 宽分别为4 2 p s 和1 3 0 f s ，降低重复频率和提高泵浦能量能得到1 0 n j 的脉冲能量。 他们发现脉冲是线性啁啾的，并且能降低到傅里叶变换极限，同时还发现自相似 脉冲本身的特性能抵抗高能量脉冲分裂。基于此，自相似激光器在超短、高能量 光纤激光器的研究中，将会得到广泛的应用。 上面的实验使用可饱和吸收体进行锁模和稳频，限制了脉冲的能量输出，而 双折射介质限制了脉冲的重复频率。其后他们在一系列论文中详细研究了自相似 光纤激光器的理论并在实验方法上得到了突破。2 0 0 5 年，他们得到脉冲能量为 1 5 n j 、峰值功率为1 0 0 k w 的1 0 0 f s 脉冲1 2 3 1 。在另一个实验中，他们得到了高重 复频率脉冲序列。图1 3 是实验装置图，它使用掺镱光纤作为增益介质，一对衍 射光栅提供可调的反常色散；用两块四分之一波片和一块二分之一波片，以及偏 振相关隔离器来实现n p e 锁模和稳频，脉冲从偏振分束器输出。实验得到重复 频率超过2 0 0 m h z 的1 0 0 f s 脉冲序列，而在此之前的锁模光纤激光器中，1 0 0 f s 级脉冲序列的最高频率不会超过1 0 0 m h z 。2 0 0 5 年，c k n i e l s e n 等获得了输出 能量为1 n j 、重复频率为1 7 m h z 、脉宽为7 2 p s 、中心波长为1 0 3 5 n m 的自相似脉 冲，压缩后输出脉冲的宽度为1 3 0 f s l 2 4 j 。2 0 0 6 年，b o r t a c 等利用双包层掺镱光 纤得到了脉宽为6 4 p s 、脉冲能量为3 2 n j 的高功率脉冲，在腔外压缩后获得了 1 4 0 f s 的自相似脉冲1 2 川。 第一章绪论 匿1 3 自相似锁模光纤激光器 2 高能量飞秒掺铒光纤激光器的发展 近几年，高性能新型光纤、高功率半导体泵浦光源以及飞秒脉冲展宽与压缩 技术不断取得突破，这为飞秒掺铒光纤激光器的设计提供了新的思路。当前，国 内外针对掺铒光纤激光器的研究热点主要集中在如何获得高能量、高重复率、窄 脉冲宽度的激光脉冲输出。从最新的研究结果和商用产品看，利用缩短腔长1 2 6 i 或谐波被动锁模”的方法实现数十、数百m h z 乃至g h z 的高重复率飞秒脉冲输 出已经没有什么问题，实现飞秒脉宽也很不是什么难事。重点是如何提高单脉冲 的能量。 为提高被动锁模光纤激光器直接输出的单脉冲能龟，目前主要有以下几种方 法：( ”展宽脉冲锁模技术。( 2 ) 非线性管理 瑚。这种方法与色散管理的思想裴 似是直接针对于光纤介质的k e r r 系数y 进行补偿，即在腔体中采用y 符号相反 的两种介质组成光纤激光器腔体。理论分析表明，该方法可以形成高能量纯孤子 脉冲输出，其理论值约在1n j 左右。( 3 ) 采用大模场面积光纤p “。增大光纤的模 场面积可以有效地降低光纤中的非线性效应，对脉冲能量的提升有很大的帮助， 然而，如果模场面积过大则会产生多横模振荡。 近几年，国外在提高弋秒掺铒光纤激光器的单脉冲能量方面取得很大进展， 直接输出的单脉冲能量已经从典型的几个p j 到数十p j ，提高到几个n j 的水平。 例如，2 0 0 7 年d y t a n g 等”通过改变光腔内输出耦合器位置的方法对激光嚣 光腔的非线性效应进行有效管理，得到了重复频率为3 83 m h z 、脉宽为4 62 传 的脉冲输出，单脉冲能量达20 8 n j 。这种方法较常规的外腔压缩更为方便，但输 出脉冲仍带有基座，而且由于在腔中使片j 了波片和偏振分束器等体器件，该激光 第一章绪论 器不是全光纤结构。同年，j c h e n 等【3 2 】人通过缩短运转于反常色散区的“o 形 腔孤子激光器腔长的方法，得到了重复频率为1 9 4 m h z 、脉宽为1 6 7 f s 的脉冲输 出，单脉冲能量约为0 1 6 n j 。在同年的o f c 会议上，k h f o n g 等1 3 3 人报道了 重复频率为1 7 m h z 、单脉冲能量为l n j 、脉宽为2 0 0 f s 的锁模掺铒光纤激光器， 这也是首次将同类激光器的重复频率降至i m h z 左右。2 0 0 8 年，s k o b s t e v 等1 3 4 】 人报道了一种迄今为止最大腔长( 3 8 k m ) 的光纤激光器，锁模脉冲重复频率仅 为7 7 k h z ，直接输出脉冲能量3 9 p j ，这也是迄今不采用调q 、腔倒空技术和光 放大器直接从锁模光纤激光器器中得到的最大脉冲能量，引起极大轰动，但该实 验采用的增益介质是掺镱光纤，而且输出脉冲却很宽( 3 n s ) 。总之，近一年来国 际上在低重复频率、高能量飞秒掺铒光纤激光器的研究方面没有多大进展。 国内对被动锁模超短脉冲光纤激光器的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末，近一两 年在高能量飞秒脉冲光纤激光器的研究方面也取得一定进展。 2 0 0 7 年，贺虎成掣3 5 】人利用n p r 锁模技术，得到了中心波长1 5 6 0 n m 、重复率 6 4 9 5 m h z 、单脉冲能量0 7 n j 、脉宽1 5 p s 的超短光脉冲。同年，宋方等【3 6 j 利用n p r 实现了环形腔结构的被动锁模掺铒光纤激光器，获得了脉冲宽度为7 8 f s 的稳定飞 秒脉冲激光，其重复频率为1 1 1 8 m h z ，平均输出功率为5 4 m w ，单脉冲能量为 0 5 n j ，峰值功率为6 2 0 0 w 。该激光器阈值功率较低，能量高，而且没有频谱边带。 2 0 0 8 年，李婧等【3 7 】人利用n p r 原理，成功得到了重复率大于1 0 0 m h z 的自由运转 被动锁模掺铒飞秒光纤激光器，输出脉冲重复频率为1 0 1 9 4 m h z ，输出平均功率 为3 4 m w ，输出脉冲宽度为1 0 5 f s ，单脉冲能量约为0 3 n j 。 总之，国内外研究人员主要热衷于研究高重复频率( 几十兆赫兹以上) 、高 能量飞秒掺铒光纤激光器，而对低重复频率虽有所涉及，但总体上仍属于研究盲 区。 另外，通信行业的发展、各种超高速过程的研究使得如何产生更窄的脉宽、 更高的重复频率将继续是研究的热点。随着光纤激光器在医学领域、精密加工领 域的应用，需要激光器小型化，因此如何设计更短的腔将是锁模激光器在未来的 一个发展方向。 1 2 大模场光子晶体光纤的研究进展 随着高功率光纤激光器和放大器的不断发展，光纤作为传输介质的巨大优越 性日益受到重视并成为一种趋势。然而功率的提高，较小的纤芯面积使光纤中光 功率密度很高，加上相互作用距离长，非线性效应的累积变得非常明显，严重影 响了光纤激光器、放大器的输出性能，限制了功率的进一步增长。因此，非线性 第一章绪论 效应的管理问题正成为高功率激光产生和传输研究的重点和难点问题【3 8 1 。 光纤中的非线性效应分为两类：弹性过程和非弹性过程。前者包括自相位调 制、交叉相位调制和四波混频，其特点是电磁场和极化介质没有能量交换；后者 包括受激布里渊散射和受激喇曼散射，电磁场和极化介质有能量交换。在这几种 非线性效应中，影响较大的是s b s 、s r s 和s p m ，它们引起斯托克斯光的产生， 形成噪声干扰，导致波形畸变，造成功率耗散，严重影响了激光的输出性能。因 此，必须对这些非线性效应进行抑制。 目前，出现了几种抑制光纤激光器、放大器及传输过程中的非线性效应的新 途径【3 9 1 ，包括采用大模场光纤抑制非线性效应、改变光纤掺杂物成分及分布抑 制受激布里渊散射、采用纳米粒子直接掺杂技术抑制非线性效应和应用温度场、 应力场分布抑制非线性效应等。其中，最为直接有效的是采用大模场光纤抑制非 线性效应。 在连续或者准连续泵浦作用下，增益光纤中的受激布里渊散射、受激喇曼散 射和自相位调制等非线性效应的功率阈值瑶b s 、礞r 5 、置m 都与光纤的有效模 面积么。价有效光纤长度三。f f 有关系1 4 0 l 。这些非线性效应的功率阈值随着比值 4 停k 的增大而增加。增大模场面积彳e f r 不仅可以使纤芯的光功率密度下降， 还可以使吸收泵浦光的效率提高，达到相同增益所需要的光纤长度减少，从而增 加非线性效应的阈值。因此，有效抑制非线性效应的办法之一就是采用大模场面 积光纤。但是，单纯通过降低纤芯数值孔径增大芯径，基模场面积的增加很有限， 因此设计研究新型结构的大模场面积光纤成为研究的热点。 近几年，大模场面积光纤的研究取得很大突破，芯径从3 0 1 m a 上升到了 1 0 0 p r o ，这对非线性效应的抑制非常有利。a e s i e g m a n 4 l j 论证了增益对光纤导 波模式的导引作用，指出如果增益导引的影响达到一定程度，则有可能在1 0 0 岬 以上芯径的光纤中输出基模：d a v k l i n e r l 4 2 等通过弯曲损耗选模的方法，从 2 5 p r o 芯径中提取出了单横模输出。j m f i n i 4 3 】也提出把纤芯的折射率分布设计 成抛物线分布，光纤弯曲引起的模场畸变将最小，高阶模与低阶模的损耗比最大， 应用这种结构，可以设计5 0 p r o 以上芯径的大模场光纤。 光子晶体光纤被认为是实现大模场光纤最具潜力的方法。其核心是纤芯缺 陷，这种缺陷由空气孔构成，也可以用石英或掺杂的石英棒代替。光子晶体光纤 的特殊结构决定了它具有许多传统光纤不能比拟的特性，其中最引人注目的是 “无截止单模特性”，即结构合理的光子晶体光纤具备在很宽的波长范围内，支持 单模传输的能力。其几何结构可以灵活精确的调整，所以精心设计光子晶体光纤 的结构，可以使光纤的等效模面积显著提升。2 0 0 5 年底，j l i m p e r t 删等设计了 一种5 0 c m 长的直棒形光子晶体光纤，芯径达6 0 t t m ，模场面积约2 0 0 0 9 m 2 ，单 第一章绪论 模输出功率3 2 0w 。采用这种短棒形结构，j l i m p e r t 等还设计了1 0 0 9 m 芯径的 传导型光子晶体光纤，模场面积高达4 5 0 0 9 m 2 ，使非线性效应根本难以出现。 此外，光子晶体光纤还被设计成抗谐振反射型【4 5 1 、多芯结构型m j 等，通过激光 振荡模之间的耦合作用，实现大模场面积的单横模输出，等效模场面积分别达到 5 0 0 9 i n 2 和2 1 0 0 9 m 2 ，可对高功率光纤激光技术的发展提供极大帮助。目前，光 纤的模场面积最大达到4 5 0 0 p m 2 ，激光输出的脉冲峰值功率超过6 m w ，并且这 些数值还在继续上升。 在追求大模场面积的同时，光纤的低弯曲损耗性质也倍受重视。在实际应用 中，光纤不可能永远处于直线状态，在需要对光纤进行弯曲的场合，就要求光纤 具有较小的弯曲损耗，而且在一定的损耗范围内，需要其具有较小的弯曲半径。 2 0 0 5 年，w i l l i a ms w o n g 等人1 47 j 创新性地提出了大场模场面积低弯曲损耗的单 模光纤设计，其具有1 4 1 7 9 m 2 的模场面积，在弯曲半径为1 5 8 c m 时，其弯曲损 耗仅为0 17 d b m ( 波长为10 6 4 n m ) 。2 0 0 7 年，y u k i h i r ot s c u c h i d a 等人1 4 8 j 在此基 础上对光纤设计进行了改进，提出了“h f 7 光纤设计，使其可接受的弯曲半径 大大降低( 达到了5 c m ) ，并使其模场面积达到1 4 0 0 9 m 2 。本文中即有对此方案 的再改进，实现了更为优秀的参数。2 0 0 9 年该研究组又提出了“l c f 3 7 ”光纤 设计方案【4 9 1 ，达到了与“h f 7 ”相近的性能。图1 4 为y u k i h i r ot s c u c h i d a 所提出 的两种光纤设计方案。 囝囝囝囝囝 留：? j 乏) t i ：j 囝 囝( oo oo 囝 囝t o0o 囝 i oo i 囝j i jqqi ： 囝 囝t j o 囝o o 囝 饧：? 蟊：3 蘸l ；饧 囝囝 ljl| 0 i 时( 有源光纤) ，如采用分布式喇曼 放大；或者当i 屈( z ) i r ( o ) 时，如利用光 纤芯径沿轴向逐渐减小的锥形光纤，都能实现绝热脉冲压缩。 目前，各类a s c 方案主要是采用d d f 和分布式喇曼放大实现的。由于d d f 制造困难，价格昂贵，而且高质量的d d f 孤子压缩需要几公里的长度；采用d d f 的另一个缺点是压缩比完全由d d f 的输入、输出色散值及其历( z ) 特性曲线决 定，不可调节。使用分布喇曼放大绝热压缩的优点是可以通过调节喇曼泵浦功率 来调节孤子压缩比，缺点是喇曼泵浦需要采用高功率的1 4 x x 波长的l d 或光纤 喇曼激光器，技术复杂，价格高昂，因此不能算好方案。 第二章超短光脉冲压缩技术的研究 2 2 利用损耗管理光纤( l m f ) 实现脉冲压缩 由( 2 5 ) 式可知，在光脉冲传输方向上引入持续平滑小增益可实现绝热脉冲压 缩，在这里我们提出一种新颖的压缩方案，在光纤传输线上引入阶段性的损耗与 增益，即在传输线上重复放置小段长度的常规g 6 5 2 光纤与掺铒光纤，宏观上看， 光纤传输线提供了增益；微观上看，事实上构成损耗一增益管理线路来获得准分 布增益，其基本思想如图2 1 所示。图中实线表示传输损耗，折线表示每小段常 规掺铒光纤提供的增益，虚线表示对各小段增益拟合的总效果。在此方案中，只 要每段光纤的损耗、增益与光纤段数选择适当，即可实现准分布放大的效果。采 用此种方案，每段光纤的长度都易于选择与控制，便于找到最佳压缩效果所需参 数。由于每段g 6 5 2 光纤所引入的损耗很小，故而需要掺铒光纤提供的增益也不 大，通常使用一台半导体激光器泵浦源，通过多头功率分束器即可为多段掺铒光 纤同时提供泵浦( 每段掺铒光纤只需较小的泵浦功率即可提供所需增益) 。相对 于光纤喇曼放大压缩，此种方案大幅地降低了成本。这种准分布光纤放大还可避 免由高增益光纤放大器所带来的非线性失真。 、 ：熠 磐 镫 v 耀 辎 损耗管理线长度 图2 1 采用l m f 传输线的准分布放大示意 损耗管理光纤( l m ) 传输线实现准绝热孤子压缩的方案示意图如2 2 所示。 用2 0 g h z 射频信号驱动零偏置的l i n b 0 3 电光调制器对连续光进行调制，产生脉 宽为1 2 5 p s ，波长为1 5 5 0 n m 的种子光，其脉冲重复频率为4 0 g h z 。此脉冲序列 经e d f a 放大后形成基阶孤子，通过由损耗管理光纤构成的传输线，最后通过光 谱仪和自相关仪进行测量。对于s m f e d f 段元组成的损耗管理传输线l m f ，s m f 在1 5 5 i t m 处的参量值为：尾= 2 0 p s 2 k m ，历= o 1 p s 3 k m ，尸1 3 w 一k m ，种子光的 第二章超短光脉冲压缩技术的研究 f w h m ( 半极大全宽度) 为1 2 5 p s ，根据基阶孤子功率计算公式 昂= 簪= 磐，可以估黜满足基阶孤子的峰值样籼。m w ，一般的 实验条件就可以满足这一要求。 图2 2 损耗管理光纤( l m f ) 传输线实现绝热孤子压缩的结构图 同时为了满足绝热孤子压缩条件，链路传输长度要大于孤子周期，实际上我 们取前者为后者的8 倍。根据初始条件：种子光的f w h m 为1 2 ，5 p s 和s m f 的皮 值，可以估算出孤子周期( z o m 2 1 p ：i ) 约为2 5 k m ，因此l m f 传输线的总长 度应为2 0 k m 。如将该链路分成1 0 段，每段2 k m ，每段的传输损耗为0 2 d b k m x 2 k m - - 0 4 d b ，总传输损耗约4 d b 。e d f a 的铒纤长度每段为0 5 m ，掺杂浓度为1 1 0 2 5 m - 3 ，其长度相对于单模光纤来说可忽略不计，取此长度即可保证e d f 所提 供的增益略大于光纤损耗。 图2 3 表示在l m f 中经过每段e d f 后的脉冲波形演化图( 方案1 ) 。随着孤 子在损耗管理线路中的传输，其脉宽不断减小，而峰值功率不断增加，而脉冲维 持高质量，基本无基座，即不向外辐射能量，符合绝热条件。在此方案中，损耗 与增益的变化量相对较为平缓。在传统的e d f a 应用场合中，掺铒光纤用来提供 集总的增益以补偿光信号在长距离传输所带来的损耗，而本方案中掺铒光纤用来 提供极小的增益，以补偿极小的损耗。在传输过程中，s p m 和g v d 相互作用， 为维持n = i ，当脉冲功率增大时，其脉宽就会相应地减小。由于e d f 和s m f 通 过s p m 使脉冲产生正啁啾，此正啁啾脉冲在s m f 的反常色散区传输时，与反常 g v d 不断作用，使脉宽变小。输出脉冲k = 1 0 1 9 w ，t m x h m = l 。7 2 p s ，0 8 ， 孤子阶数没有超过1 ，故而形成的脉冲具有很小基座。图2 2 中，e d f 所提供的 总的净增益为9 d b ( 每段e d f 所提供的净增益为0 9 d b ) ，通过调节e d f 的泵浦 功率可改变压缩比。脉冲在不同的净增益下波形演化图如图2 4 所示，可以看出， 随着净增益的不断增加，脉冲的压缩因子逐渐变大，脉冲压缩效果也越来越好， 但是当达到一定值时，过高的增益使l m f 不再满足准绝热压缩条件，而出现基 座；进一步增加增益，则脉冲出现展宽和分裂，因此要获得质量较好、没有基座 第二章超短光脉冲压缩技术的研究 的压缩脉冲，应适当地选择增益。不同净增益下的r 和尸p e a k 如图2 5 所示，可 以看出本方案实现了7 2 的压缩因子，其输出脉宽小于2 p s ，经时分复用后可应 用于1 6 0 g b i f f s 的通信系统。 图2 3l m f 线路中每段e d f 后的脉冲波形 图2 _ 4 不同净增益下的脉冲波形 图2 - 5 不同净增益下的疋和尸p e a l c 为了检验l 传输线中单段普通单模光纤的取值是否合理，采用4 0 k m 的传 输线长度进行再次计算。每段单模光纤长度为4 k m ，为前一方案的两倍，共1 0 段s m f + e d f 的结构，总的传输长度为4 0 公里( 1 6 倍于孤子周期) ，为第一种 方案的两倍。图2 - 6 表示脉冲波形在传输线中的演化过程，传输线中所提供的总 净增益为1 0 d b ( 每段e d f 所提供的净增为l d b ) 。可以发现其传输过程与第一 种方案基本一致，同样满足绝热压缩条件，形成了参量缓变的准绝热压缩。在此 方案中，总传输距离的增加并未提高压缩比，两种方案的总长度均远大于孤子周 期，故而总长度相对较小的第一种方案是可行的( 长度较小，整个系统受温度、 外界冲击等的影响相对较小，故而比方案2 的稳定性高) 。同第一种方案一样， 压缩比可通过改变增益值来改变。脉冲在不同的净增益下的r 和尸懈k 如图2 7 第二章超短光脉冲压缩技术的研究 所示，脉冲输入和最终的输出波形如图2 8 所示。 图2 - 64 0 k i nl m f 线路中每段 e d f 后的脉冲波形图 图2 7 4 0 k i nl m f 线路中脉冲 在不同净增益下的疋和k 图2 - 8 输出与输入脉冲波形图 2 3 基于阶梯状非线性递增光纤实现脉冲压缩的研究 由于实际制作长距离的非线性递增光纤是非常困难的，而现有理论要求长距 离的非线性递增光纤才能保证压缩效果，所以目前的研究基本是基于理论模拟 1 7 4 。基于此种情况，这里我们设计了一种新的脉冲压缩装置，由传统单模光纤、 色散位移光纤( d s f ) 以及高非线性光纤( h n l f ) 组成，通过阶梯状非线性递增实现 脉冲压缩。其基本结构如图2 - 9 所示，光纤的主要参量值见表2 1 。与梳状光纤 结构的脉冲压缩器相比，阶梯状光纤模型结构简单( 只有三段光纤) ，且不需要 对光纤长度进行精确的控制 7 5 - 7 6 。图2 1 0 给出了准非线性递增结构与递增曲线 的拟合图。仿照传统脉冲压缩的研究方法，文献1 7 4 分析了不同非线性递增光纤 8 6 4 2 0 兮岛一、hli们cmc一 。口童譬-iv墨l墨 第二章超短光脉冲压缩技术的研究 函数压缩脉冲的能力、实现的压缩比以及基座能量等性能，结果表明，双曲函数 的渐增形式更适于此类脉冲压缩。另外，考虑到光纤的成本，决定选取上述三种 光纤。模拟中孤子源产生的双曲正割脉冲的中心波长为1 5 5 0 n m ，脉宽为1 0 p s ， 峰值功率为4 7 8 m w ( 基阶孤子) 。通过改变光纤长度可以对压缩因子进行调节。 蚓n a n i i 哪即棚f i l m - 广 s m f d s fh n l f 莎| | l j - l j- e d f a 图2 - 9 准非线性递增实现脉冲压缩基本结构 图2 1 0 准非线性递增实