（物理电子学专业论文）用于全光纤调q激光器的波导声光调制器的研究.pdf

中文摘要 高速波导声光调制器，由于具有开关速度快、体积小、插入损耗小、驱动功 率低、机械稳定度高、设计灵活方便、便于集成等优点，成为全光纤调q 激光器 中最佳的开关器件之一，而且这种调制器还可用在高速光通信领域中。 本文对高速波导声光调制器进行了系统的研究，并且进行了掺镱全光纤激光 器的实验研究。论文主要的工作重点和创新性为以下几个方面： l 、建立了一套波导声光调制器设计理论，对声光调制器各设计参数、波导声光 互作用的重叠积分、声波导、光波导、总体结构以及光纤与波导耦合等方面 进行了研究。设计了一种新型高速波导声光调制器，其开关速度能进入7 0 n s 以内，超过目前国际上这一领域的水平。 2 、首次利用声表面波衍射模型来分析波导声光器件的带宽和衍射效率闻的关系， 得出了异于其他模型分析的结论。人们普遍认为：波导声光器件不可能同时 获得大的带宽和高的衍射效率( 利用耦合模理论模型) ，但是我们的理论模型 发现在一定的条件下波导声光器件可同时获得大的带宽和高的衍射效率。 3 、提出了一种分析光波导的改进型光线近似法。基于光线近似法，结合有效折 射率法，发展出改进型光线近似法，用来分析设计三维的单模光波导。与其 他方法相比，该方法简单，不需要大量复杂的运算。 4 、提出了一种新的分析设计锥形波导的方法。该方法可以用来分析设计不同形 状函数的锥形波导。与其他方法相比，该方法简单而又实用。 5 、首次发现，小的波导模场椭圆度并不总意味低的光纤与波导的耦合损耗。通过 分析光纤与波导耦合损耗的根源，研究波导模场的椭圆度和不对称度对光纤 与波导模场失配耦合损耗的影响，发现小的波导模场不对称度就意味着低的 耦合损耗，但与普遍看法不一样的是小的波导模场椭圆度并不总是带来低的 耦合损耗。 6 、掺镱全光纤激光器的实验研究。分别进行了连续掺镱全光纤激光器、声光调 q 掺镱全光纤激光器、主被动混合调q 掺镱全光纤激光器以及自调q 掺镱全 光纤激光器的实验研究。 关键词：高速波导声光调制器衍射效率开关时间光纤与波导耦合 a bs t r a c t h i 曲一s p e e dg u i d e d w a v ea c o u s t o - o p t i cm o d u l a t o rw i l lb eo n eo ft h eb e s t s w i t c h i n gd e v i c e so ft h eq s w i t c h e da l l f i b e rl a s e rf o rt h e i rh i 班s p e e d ，c o m p a c ts i z e ， l o wi n s e r t i o nl o s s ，e x c e l l e n td e s i g nf l e x i b i l i t y , h i 曲m e c h a n i c a ls t a b i l i t y , l o wd r i v e r p o w e rr e q u i r e m e n ta n dg o o di n t e g r a t i o n a tt h es a m et i m e ，i tc a nb eu s e di nt h eh i 曲 - s p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s t h ep a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h er e s e a r c ha b o u tt 1 1 eh i 曲一s p e e dg u i d e d - w a v e a c o u s t o o p t i cm o d u l a t o r a n d ，t h ep a p e rd o e st h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha b o u tt h e y b 3 + 一d o p e dd o u b l e c l a df i b e rl a s e r t h em a i ne m p h a s i sa n di n n o v a t i o no ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e s i g nt h e o r yo ft h ew a v e g u i d ea c o u s t o - o p t i cm o d u l a t o ri sp r e s e n t e d t h e r e s e a r c hi si n v e s t i g a t e da b o u tt h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h ea c o u s t o o p t i cd e v i c e s ，t h e o v e r l a pi n t e g r a l ，t h ea c o u s t i cw a v e g u i d e ，t h eo p t i c a lw a v e g u i d e ，t h ew h o l es t r u c t u r e d e s i g na n dt h ec o u p l i n gb e t w e e nt h ef i b e ra n dt h ew a v e g u i d e an o v e lh i g h - s p e e d g u i d e d 。w a v ea c o u s t o o p t i cm o d u l a t o ri sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h es w i t c h i n gs p e e d i sw i t h i n7 0 n s ，w h i c ht a k e st h el e a di nt h ew o r l d 2 t h ef i r s ta n a l y s i si sp r e s e n t e d ，b a s e do nt h ed i f f r a c t i o no fs u r f a c ea c o u s t i c w a v e s ，o ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb r a g gb a n d w i d t ha n dt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y i ng u i d e da c o u s t o o p t i ci n t e r a c t i o n s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h eb r a g gb a n dw i d t hi s n o t a l w a y si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a l t ot h ea c o u s t i c a p e r t u r e i ti sp o s s i b l et o s i m u l t a n e o u s l yg e th i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c i e sa n dl a r g eb a n d w i d t h sf o rg u i d e d a c o u s t o - o p t i cd e v i c e s 3 an o v e lm e t h o di sp r o p o s e dt oa n a l y z eo p t i c a lw a v e g u i d e ，w h i c hw ec a l lt h e i m p r o v e dr a ya p p r o x i m a t i o nm e t h o d t h em e t h o di sd e v e l o p e db a s e do nt h er a y a p p r o x i m a t i o nm e t h o da n dt h ee f f e c t i v ei n d e xm e t h o dt od e s i g nt h es i n g l e - m o d e3 一d o p t i c a lw a v e g u i d e t h em e t h o di ss i m p l ea n de f f e c t i v ec o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s 4 an e wm e t h o di sp r o v i d e dt ot h et a p e rw a v e g u i d e t h em e t h o dc a l lb eu s e dt o a n a l y z ea n dd e s i g nt h et a p e rw a v e g u i d ew i t ht h ed i f f e r e n tf o r mf u n c t i o n s t h em e t h o d i ss i m p l ea n dp r a c t i c a lc o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s 5 ad e t a i l e da n a l y s i si sp r e s e n t e d ，a b o u tt h ec o u p l i n gl o s sd e p e n d e n c eo nt h e w a v e g u i d em o d ee c c e n t r i c i t ya n ds y m m e t r yb e t w e e ns i n g l e m o d ef i b e r sa n d w a v e g u i d e s an e wc o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a tm o r es y r m n e t r i cw a v e g u i d em o d e l e a d st ol o w e rc o u p l i n gl o s s ，b u tl e s se c c e n t r i cw a v e g u i d em o d ed o e sn o t a l w a y s m e a nl o w c o u p l i n gl o s s ，w h i c hd e p e n d so nt h ew a v e g u i d em o d ed e p t h 6 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ey b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a df i b e rl a s e r s w ed o t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha b o u tt l l ec wy b 3 + - d o p e dd o u b l e - c l a df i b e rl a s e r s ，q s w i t c h e dy b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a df i b e rl a s e r s ，t h ea c t i v ea n dp a s s i v eq s w i t c h e dy b 3 + 一d o p e dd o u b l e - c l a df i b e rl a s e r sa n ds e l f - q s w i t c h e dy b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a df i b e r 1 a s e r s ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：h i g h s p e e dg u i d e d - w a v ea c o u s t o o p t i cm o d u l a t o r , d i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y , s w i t c h i n gt i m e ，t h ec o u p l i n gb e t w e e nt h ef i b e ra n dt h ew a v e g u i d e 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，也不包含为获得丕鲞盘堂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。 学位论文作者签名彩同卉签字日期 学位论文版权使用授权书 年厂月歹日 | 本学位论文作者完全了解墨鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂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) 学位论文作者签名钇l 虱齐 一瓤1 啪厂日 导师签名： 签字日期： 天津大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 光纤激光器几乎与半导体激光器在同一时间出现，早在上世纪6 0 年代初， k o e s t e r 和s n i t z e r 1 】就发现了掺n d 3 + 的硅酸盐玻璃光纤中的激光现象，而在1 9 6 6 年高馄等人又论述了光纤作为通信介质的可能性【2 】，使得人们对光纤技术的研究 更加重视。不过，早期由于光纤材料损耗很大，光纤激光器的发展受到限制。但 是在随后的十几年里随着低损耗，高掺杂性能和高强度的实用化光纤制作技术的 发展，光纤激光器有了很大的发展。特别是八十年代，英国南安普顿( s o u t h a m p t o n ) 大学采用改进的化学汽相沉积方法( m c v d ：m o d i f i e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 制成了低损耗掺e r 3 + 光纤【3 一，使得光纤激光器成为了可能，并显示出十分诱人 的应用前景，获得了科学界的广泛重视。之后，随着光纤掺杂技术的提高、半导 体工艺的完善以及光纤光栅的研制成功，使光纤激光器的设计和制作技术日趋成 熟。到目前为止，已经出现了多种各具特色的光纤激光器，与8 0 年代初期的光 纤激光器相比，其性能有了巨大的提高，光纤激光器和放大器的研制成功，有力 促进了光纤与激光技术、光通讯技术的飞跃发展。光纤激光器以其效率高、阈值 低、可调谐、紧凑小巧和高性能价格比等优点倍受青睐。特别是掺稀土离子单模 石英光纤的生产技术和半导体激光器工艺的发展，导致有源光纤器件以及技术的 迅速崛起。但是由于光纤纤芯截面很小，泵浦光不容易有效地耦合到单模纤芯内， 加之单模光纤对泵浦光模式的要求严格，因此光纤激光器通常被认为是一种只有 毫瓦量级的弱光子源，其应用范围受到很大的限制。近年来，一种双包层光纤技 术应运而生，并在国际范围内悄然崛起、迅猛发展。这种新型的光纤比普通光纤 增加了一个内包层，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯，包绕在单模纤芯外围， 将激光辐射限制在纤芯内，泵浦光在内包层中传输，可多次经过纤芯，增加了泵 浦长度，泵浦效率大大提高，同时由于泵浦光入射面积的增加，允许采用大功率 多模半导体激光器做泵源，并且可将泵浦光高效率地转换为单模激光输出。由于 泵浦机制的重要突破，目前已经实现了几十千瓦量级的连续激光输出。双包层光 纤和包层泵浦技术的发展，为提高能量短脉冲光纤激光器的发展奠定了坚实的基 础。高能量、短脉冲光纤激光器具有十分广泛的应用前景。由于石英光纤具有很 高的损伤阈值及很好的热扩散性能，在长度上无实质性的限制，使之可以充分利 第一章绪论 用泵浦光，并且保证极佳的光束质量、波长及温度的稳定性。而且由于增益光纤 的表面积和体积比很高，故散热问题很容易解决，无需复杂的水冷或电制冷就可 有效地克服热效应问题。因此，包层泵浦短脉冲光纤激光器峰值功率具有巨大的 提高潜力。 同时，随着光纤激光器的迅速发展，光通讯技术也取得了巨大的进展【6 】，而 光电子器件是光通讯发展的最重要的基础和推动力量。光器件的集成化是满足人 们对光电器件需求的必由之路。集成光学的概念，起源于2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，其主要思想是在共同衬底上建立各种光学器件，然后用薄膜波导将它们 连接起来，从而形成一个能完成特定功能的功能芯片。然而当时由于各种器件对 材料、工艺、结构的要求彼此差异甚远，技术要求十分复杂，实现所有器件的全 面集成为时尚早，集成光学的目标因而发生了一定的变化，从全光集成到可集成 部分电路的局部光集成，从注重研究集成光学技术到研究探索各种波导光学器 件。人们希望的集成光学器件应能将各种有源器件( 光源及光放大器) 、光电控制 器件( 光调制器，光开关) 、光探铡器、光电子无源器件( 各种光波导器件，耦合器， 滤波器) 、信号处理电子电路以及光电子驱动控制电路制作在同一半导体上，使 其具有处理电信号，控制光电子器件以及进行光路连接耦合等综合功能，完成特 种功能的集成化器件。目前，光集成技术在两个领域得到发展，一个是光电子集 成电路( o e i c ) ，另一个是光集成( o i c ) 。光电集成是把发射或接受光信号的有源 光子器件和处理电信号及控制光器件的电子电路集成在同半导体衬底上。从 8 0 年代初发展以来，光电集成主要集中研究光发射端机和光接收端机的集成和 器件阵列的集成。光集成是把发射，接收或光处理的有源、无源器件制作在一块 衬底上。随着光电子系统的复杂性不断增加，单模元件以及它们之间的互联在整 个系统总成本中占越来越大的比例，迫切需要采用o i c 技术来提高系统性能和 降低成本。在近十年中，光电子基础工艺取得了若干关键进展，这为o i c 技术 的发展奠定了基础。同时，波分复j 羽( w d m ) 技术，特别是密集波分复用( d w d m ) 技术的迅速发展也推动了o i c 技术的发展，在这种系统中，不采用o i c 技术是 根本无法实现的。当前正在研发并正在实用化的光纤到户( f t t h ) 技术也只有 引入o i c 技术后，才能迅速的普及和推广。这些因素促进了o i c 技术的迅速发 展。近年来集成光学研究成果主要有探测器和光波导的集成，波分复用解复用 器件，光分插复用( o a d m ) 光交叉互联( o x c ) 以及作为光交换核心的光开关阵列 等。这些新技术已经或正在推动光通讯向着大容量、高速率、高可靠、低成本的 方向发展。可以说，电子电路从单个元器件到超大规模集成电路的发展造就了今 天的电子行业，而现在信息业则期待光子技术在大规模集成方面的突破。 光纤激光器与波导调制器的集成化是未来光纤激光器发展的方向之一。 天津大学博士学位论文 1 2 包层泵浦调q 光纤激光器的概述与发展 自从2 0 世纪8 0 年代后期，美国麻省p o l a r o i d 公司首次提出包层泵浦技术 以来，包层泵浦光纤激光器有了较大发展。1 9 9 3 年，h p o 等报道了他们研制的 高功率掺n d 弘双包层光纤激光器，在1 0 6 4 n m 波长获得了5 w 的单模连续激光输出， 斜率效率达到5 1 【7 1 。 随着高功率包层泵浦光纤激光器的发展，包层泵浦的短脉冲光纤激光器也获 得了快速发展，调q 和锁模是获得短脉冲激光的两种基本技术，近期的研究表明 采用包层泵浦技术的调q 光纤激光器与采用其他泵浦技术光纤激光器相比，可将 脉冲峰值功率提高一个数量级，脉冲能量也从微焦量级提高到毫焦量级。近年来， 光纤激光器调q 技术得到了飞速发展。一方面是调q 装置( 器件) 方面的进展， 人们研制出了性能更优良的q 开关。最初，人们把声光( 或电光) q 开关直接应 用到调q 光纤激光器中。后来，研制了全光纤型的q 开关，全光纤q 开关的应用， 大大地降低了插入损耗。另外一方面，掺稀土离子增益光纤的研制有了新突破， 如大模面积光纤、双包层光纤等。调q 技术和特殊结构光纤的有机结合可以得到 高峰值功率、高脉冲能量的调q 光脉冲。1 9 9 3 年，m y d l i n k i 等人利用声光调制 器等得到峰值功率为2 9 0 w 、脉宽2 0 n s 、重复频率为5 0 0 h z 的调q 光脉冲【8 l 。a l a i n c h a n d o n n e t 等人利用非线性全光纤强度调制器，在掺铒光纤中实现了脉宽1 5 n s ， 峰值功率4 0 0 w 的脉冲输出【9 】。1 9 9 6 年g p l e e 等人利用电光调制器在掺铒光纤 中实现了脉宽4 n s ，重复频率2 0 0 h z ，峰值功率为5 4 0 w 的调q 光脉冲输出( i 们，所 用电光调制器的开关时间为l o n s ，重复率可达i k h z 。1 9 9 8 年，z j c h e n 等报道 了利用光纤中的受激布里渊( b r i l l o u i n ) 散射及声光调制器( a o m ：a c o u s t o o p t i c m o d u l a t o r ) 调q ，在双包层掺钕光纤激光器中得到了峰值功率3 7 k w 、脉宽2 n s 的脉冲激光输出【h 】。1 9 9 9 年，c c r e n a u d 等人利用声光调制器在双包层掺镱光 纤激光器中得到了峰值功率2 k w ，脉冲能量接近1 7 0uj 的激光脉冲，而且利用 闪耀光栅外腔实现了4 0 n t o 的波长调谐输出【1 到。r p a s c h o t t a 等人利用半导体饱 和吸收体作为调q 元件，在掺铒大模面积光纤中得到了波长为1 5 3pm ，重复频 率大于l k h z ，能量达0 1 m j 脉冲【】3 1 。h l o f f e r h a u s 等人报道了采用a o m 调q 的大模面积双包层掺y b 3 + 光纤激光器，得到2 3 m j 脉冲能量，输出平均功率5 w ， 重复频率5 0 0 h z ，脉宽l o o n s 的激光脉冲【1 4 】。在2 0 0 ic l e o 会议上，c c r e n a u d 等人报道了包层泵浦的大芯径掺y b 光纤激光器，采用声光调q ，得到了脉冲宽 度2 5 0 n s ，峰值功率高达3 0 k w 的激光脉冲，在重复频率5 0 0 h z 时，得到脉冲能 量7 7 m j 1 5 】。2 0 0 2 , 年，l a r o c h em 等人在e r y b 共掺的双包层光纤激光器中，利 用c 0 2 + ：z n s 晶体作为可饱和吸收体实现被动调q ，得到了脉冲宽度为3 5 n s 、 第一章绪论 峰值功率为1 0 k w 的激光脉冲，并得到最大脉冲能量6 0i lj ，激光斜率效率1 3 【1 6 1 。 1 3 光纤激光器调q 技术的概述 调q 技术首次被引入到光纤激光器中是在1 9 8 6 年【l7 1 ，调q 光纤激光器和普通 的调q 激光器一样，都是在激光谐振腔内插入调q 器件，通过周期性的改变腔损 耗，实现调q 激光脉冲输出。q 开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术，选 用q 开关时，有几个因素必须考虑：首先，开关在高损耗状态和低损耗状态的消 光比，为防止在高损耗状态下激光器产生连续辐射，消光比必须足够高；其次， 为使调q 激光器有效运转，开关时间( 开关从低q 值到高q 值的时间) 应尽可能 短；最后，为获得高峰值功率输出，q 开关的插入损耗要尽量小。下面分别介绍 一些常用的光纤激光调q 技术工作原理以及特点： l 、声光调q 技术【1 8 】 图l 一1 是一个典型的声光调q 光纤激光器，声光q 开关置于激光器谐振腔 中。声光q 开关的开关时间( 1 0 l o o n s ) 一般小于光脉冲建立时间，属快开关类 型。由于开关的调制电压只需1 0 0 多伏，所以可用于低增益的连续激光器，但是 声光q 开关在1 5 5 0 n m 波段衍射效率较低，约6 0 8 0 ，从而在1 5 5 0 n m 光纤激 光器中使用时具有消光比比较低或插入损耗大的缺点。但是对于1 0 6 0 n m 包层泵 浦n 3 + 光纤激光器，声光q 开关除了插入损耗大以外，仍是常用的优质调q 器 件。 a ， k( ( ) ： j v o 、 m 一1 ili 、 r f ；i 、d 。r _ o u t p u t 图卜l 声光q 开关光纤激光器结构示意图 2 、电光调q 电光调q 光纤激光器的基本结构如图卜2 所示。电光q 开关是目前短脉冲固 体激光器中使用最广泛的q 开关之一，其主要特点是开关时间短( 约l o 。9 秒) ， 属快开关型，消光比高( 9 5 ) 。电光调q 激光器可以获得脉宽窄、峰值功率高 的巨脉冲，如n d ”：y a g 电光调q 激光器的输出光脉冲宽度为1 0 - 2 0 n s ，峰值 功率可达数十兆瓦。在光纤激光器中用电光调q 开关，可得到纳秒量级的脉冲， 天津大学博士学位论文 但是电光调q 需要几千伏的高电压，将对附近的设备产生严重的电磁干扰。 图卜2 电光q 开关光纤激光器结构示意图 3 、可饱和吸收体调q 图卜3 所示为可饱和吸收体调q 光纤激光器结构示意图0 9 ，图中所用的为带 有反射镜的半导体可饱和吸收体。可饱和吸收体的选择应注意如下几点：1 、要 选择合适的饱和光强值，饱和光强太小，光强很弱就能被吸收体变得透明，不利 于反转粒子数的积累，太大时，吸收体不容易达到饱和状态，开关速度太慢。2 、 可饱和吸收体吸收峰中心波长应与激光的波长基本一致，这是最重要的，目前与 激光器工作波长相一致的材料很有限，因此限制了可饱和吸收体调q 的应用。用 可饱和吸收体调q 激光器可实现峰值功率千兆瓦，脉宽几十纳秒的激光巨脉冲。 u nf i b e r 图l 一3 可饱和吸收体调q 激光器 4 、光纤迈克尔逊干涉仪调q 基于光纤迈克尔逊干涉仪调q 光纤激光器的基本结构如图1 - 4 所示【z ，两 个光纤光栅相当于普通迈克尔逊干涉仪中的反射镜，其基本原理是双光束干涉。 此干涉仪是在一个3 d b 耦合器的两臂分别接入两个完全相同的光纤光栅，一臂 作为参考臂，另外一臂上加上正弦电压，在电压信号的驱动下，两个干涉臂的光 程差发生周期性变化，从而引起腔内损耗的周期性变化，因此光纤光栅迈克尔逊 干涉仪不仅起到了激光波长选择的作用，而且起到了对反射率进行调制实现q 开关的作用。 舳运 一1 咖擎大t 第一章绪论 s i g n a ls o u r c e 图卜4 光纤迈克尔逊干涉仪调q 光纤激光器 t 5 、光纤马赫一曾特尔干涉仪调q 光纤马赫一曾特尔干涉仪环形腔调q 光纤激光器典型光路如图卜5 所裂2 ， 由马赫一曾特尔干涉仪作为腔的调q 装置，掺稀土离子光纤作为增益介质，半导 体激光器( l d ：l a s e rd i o d e ) 泵浦激光通过波分复用器进入增益光纤，光纤光 栅作为腔镜，用3 d b 耦合器耦合输出。m - z 干涉仪由两个3 d b 耦合器和两端通讯 光纤( 干涉仪的双臂) 构成，这两端通讯光纤的长度基本相等，入射光由3 d b 耦 合器一端输入，经第一个3 d b 耦合器分成两个部分，进入干涉仪的两臂，在第二 个3 d b 耦合器处相遇形成干涉，可以起到q 开关的作用，并实现激光器调q 运转。 调q 光纤激光器用的马赫一曾特尔干涉仪是一臂作参考臂，另一臂粘在压电陶瓷 上，用锯齿电压信号驱动压电陶瓷，使得两干涉臂的光程差发生周期性变化，从 而引起腔内损耗周期性的变化，从而实现q 开关的作用。 图卜5 光纤马赫一曾特尔干涉仪环形腔调q 光纤激光器 光纤马赫曾特尔干涉仪主动调q 实现了激光器全光纤化，插入损耗小，但 天津大学博士学位论文 是由于参考臂和测量臂等长的调节十分困难，从而消光比很难做得很高。由于光 纤的折射率受温度等环境的影响很大，器件的稳定性也不是很好。 6 、光纤中受激布里渊散射( s b s ) 调q 光纤激光器 2 2 - 2 3 】 基于光纤中的s b s 效应的q 开关，产生光脉冲的机理是利用光纤中背向s b s 效应。s b s 后向放大输出激光的光束质量远远优于普通的饱和吸收体调q 激光光 源，这种被动式q 开关与可饱和吸收体相比有一些独特的优点：1 、s b s 自调q 开关可用于任何波长，不受激光波长限制，这是因为光纤中s b s 效应的增益系数 几乎与泵浦波长无关；2 、所需要的泵浦阈值较低( 相对于其它非线性现象，光 纤中s b s 效应的阈值功率极低，一般比受激喇曼( r a m a n ) 散射阈值小三个数量 级，有时可达到0 d b m ) ，容易实现；3 、用光纤中的s b s 现象，调制光纤激光器q 值，结构简单，插入损耗小，调制效率高。 这种调q 激光器的基本结构如图1 - 6 所示，图中的单模光纤作为s b s 增益介 质，光纤干涉环用来稳定光脉冲，用连续的9 8 0 n m 的半导体激光泵浦，将基态粒 子抽运到激光上能级上，产生粒子数反转分布，由光纤与光纤焊点问的反射构成 谐振腔，使s b s 阈值大大降低，一旦1 5 5 0 n m 的光波强度超过s b s 的阈值，就会 产生背向s b s 过程。由于入射光子与声子的相互作用，入射光子湮灭，产生布拉 格衍射的背向散射光波。这种衍射光栅是由入射光波电矢量建立起来的，当入射 光波把绝大部分能量转换成衍射光波时，衍射光栅将消失，所以会在腔内产生布 里渊散射光的弛豫振荡脉冲，脉冲半宽大约为l n s ，当腔参数合适时，会产生稳 定的自调q 光脉冲输出。 图卜6 两种光纤中受激布里渊散射( s b s ) 调q 光纤激光器示意图 7 、主被动混合调q 光纤激光器 图1 - 7 中所示为a o m 与光纤中s b s 混合调q 的实验装置示意图。利用单模光 纤中s b s 效应产生纳秒量级的激光巨脉冲，同时利用a o m 的主动调制特性，使其 具有稳定的周期，这样可以得到重复频率稳定的s b s 巨脉冲序列。 第一章绪论 o u e r t r r li 图1 7 混合调q 光纤激光器示意图 1 4 波导声光调制器国内外研究现状以及意义 一、国内外高速波导声光调o 技术的研究现状和意义。 综上所述，相比于其他类型的调q 方式，声光调q 虽然存在着开关时间慢的 缺点，但是由于它具有调制电压低、光学损耗小、调制重复频率高等优点，所以 采用声光调q 的双包层光纤激光器在激光加工，军事领域，激光医疗，光通信等 方面的应用上就很具有吸引力 2 4 - 3 0 1 。而随着光通讯的迅猛发展，光学集成化成为 其重要的发展趋势之一，因此研究便于集成化的声光调q 双包层光纤激光器具有 重要的意义。 目前已经有很多有关全光纤声光调q 激光器方面的报道，通常是在光纤激光 器中加入一个带尾纤的声光q 开关( 如图1 8 ) ，构成全光纤调q 激光器，也有 人利用顶在光纤上的压电陶瓷产生声波，在光纤内产生声光作用，从而实现调q ( 如图1 - 9 ) 。 图卜8 利用体波的声光开关，引出尾纤( 来自文献 3 1 ) 天津大学博十学位论文 图1 - 9 运用压电陶瓷换能器产生的声波实现调q ( 来自文献3 2 ，3 3 ) 本文将进行一种新型的声光波导调制器的研究，由于该器件具有开关速度 快、体积小、插入损耗小、驱动功率低、机械稳定度高、设计灵活方便、便于集 成等优点，将成为全光纤调q 激光器中最佳的开关器件之一。目前未看到国内 外相关的资料报道，它的研制成功，将填补国际上在这一领域的空白，成为世界 上第一台波导式的声光开关器件，因此对这种开关器件的研究具有极大的理论意 义和广阔的市场前景，将填补国际上在这一领域的空白。 二、波导声光开关在光通讯系统中的研究现状和意义。 目前用在光通讯中的光开关的种类繁多，但主要是微电子机械( m e m s ) 光 开关【3 5 】和波导光开关3 6 1 。微电子机械光开关由于在光交叉互联中较高的调度能 力，发展迅猛，在开关损耗、隔离度、串扰等性能上优势明显，但是开关速度却 只有毫秒量级，不能满足高速切换要求；m e m s 机械转动装置也存在着磨损和 可靠性的问题。而波导型开关恰恰能弥补这些不足，波导光开关是利用导波光学 原理，同时通过热光效应、声光效应或电光效应来改变介质折射率，达到光路通 断或者改变光传播方向的目的。根据物理效应不同分为：热光开关、声光开关、 电光开关等。声光开关与其他波导型开关相比，具有开关响应速度快、隔离度高、 偏振无关、结构小巧紧凑、可靠性好，驱动功率低等独特的优点。目前已有一些 有关波导声光开关的报道 3 7 - 4 7 】，都是应用于光通讯网络中 3 7 , 4 3 - 4 7 ，起着上下路信 号和不同光路之间交叉互联的作用，因此它是光分插复用和光交叉互联的核心器 件。其研究热点主要集中在开关阵列、级联以及切趾( 防止信道串扰) 、降低损 耗( 波导的传输损耗和波导与光纤的耦合损耗) 等方面。因为目前光通讯系统的 开关速度只要求达到微妙量级，这是目前很容易能达到的，所以对开关时问研究 很少。 但是对于未来的高速光通讯系统，微秒量级显然是很难满足其要求的，提高 开关速度是必然趋势，因此研究更高速的波导声光开关非常重要。目前据我们所 知，只有日本报道了一篇理论上能达到l o o n s 文章1 3 7 1 ，而且没有后续的有关实验 第一章绪论 方面的报道。而国内只有天津大学肖立峰、刘迎等人在中国激光上发表过一篇有 关集成声光开关的文章【4 7 】，其开关速度为微秒量级。因此研究高速的声光波导开 关，对于光通讯也非常有意义。 图卜1 0 天津大学物理系研究的波导声光开关【4 7 】 图卜1 1d a s m i t h 等报道的波导声光开关【锎 黼i p t a u , a m 釉 艇 褂一_ 噶c 图1 - 1 2n g o t o 等报道的波导声光开关【3 7 】 天津大学博士学位论文 三、波导声光器件的设计理论 早在上世纪7 0 年代初，就出现了波导声光器件，特别是进入7 0 年代中后期 出现了大量的有关波导声光器件的报道【4 5 0 】，尤其是c st s a i 对波导声光器件 做了大量的理论和实验的研究工作【5 1 】。而进入8 0 年代以来，虽有大量的关于波 导声光器件的研究论文，但几乎所有的研究工作都是基于c st s a i 早年的研究 工作之上，大部分都是一些实验性的工作。到目前为至，并没有系统的理论工作， 一些相关的理论是经验性的，因此相关的理论是不完善的，甚至有些是不正确的。 1 5 课题来源和本论文的主要研究内容以及创新点 本论文的工作主要由国家自然科学基金项目：高速声光波导调制器的研究 ( 1 0 6 7 4 1 0 1 ) 以及军工项目资助完成。 一、主要研究内容： ( 一) 、声光波导调制器 1 、光波导：讨论与比较了一些光波导的制作技术，重点讨论了退火质子交 换波导和钛扩散光波导的制作方法，分别给出了相应光波导的折射率和模场分布 情况；分析三维单模光波导，基于光线近似法，结合有效折射率法，提出了改进 型光线近似法，并用来分析扩散型的l i n b 0 3 单模三维光波导，给出了三维 l i n b 0 3 单模光波导的设计参数；分析了锥形波导的特性，综合各种分析锥形波 导的方法优缺点，提出了一种简单而又实用有效的锥形波导的设计方法，并用此 方法设计了锥形波导，给出了相关的设计参数。 2 、声波导：讨论了声波导厚度对声表面波( s a w ：s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 速度的影响。 3 、声光波导器件各参数的设计：( 1 ) 、从重叠积分角度的讨论：根据理论分 析，得出重叠积分主要由三部分组成：声光效应，电光效应以及表面波纹引起。 对于l i n b 0 3 晶体，我们得到，在一定的频率范围内，s a w 的频率越小，重叠积 分越大，衍射效率就越大的关系，同时考虑布拉格衍射条件以及换能器的插入损 耗等因素；( 2 ) 、从导光波的模式、波导深度以及s a w 频率等方面分析了对声 光器件衍射效率的影响。导光波模式越高，波导厚度越大，需要的s a w 驱动功 率越大，而s a w 频率比较适宜的范围是1 0 0 3 0 0 m h z ，导光模采用单模。 4 、通过分析s a w 衍射，而不是运用常用的耦合模理论，对非共线声光互 作用进行了讨论，得出了不同的结果，发现在一定条件下，同时获得大的带宽和 衍射效率是有可能的，对于大多数的波导声光器件的设计来说，这是一个非常有 吸引力的研究成果。 第一章绪论 5 、光纤与波导器件的耦合：分析了光纤与波导耦合损耗的根源，若光纤与 波导之间是理想准直的，耦合的总损耗主要包括菲涅耳反射( 两端面多次反射) 损耗、传输损耗( 由于散射和吸收) 和模场失配损耗。菲涅耳反射损耗可以通过 使用折射率匹配液或在光波导端面镀抗反射的涂层( 如y 2 0 3 单层模) 来减小。 传输损耗一般都较低，一般为0 2 0 5 d b c m ，而且一般的波导往往体积都不大， 因此传输损耗一般都比较小，通常通过改进波导的制作工艺来降低。因此损耗的 主要来源就是模场失配损耗。然后，分析与讨论了波导模场的椭圆度和不对称度 对光纤与波导耦合的模场失配损耗的影响，发现小的波导模场不对称度意味着低 的耦合损耗，但是小的波导模场的椭圆度并不总就带来低的耦合损耗，这个得根 据其他的条件而定。 ( 二) 、掺镱双包层光纤激光器： ( 1 ) 由4 5 w 的9 7 5 n m 激光二级管( l d ) 泵浦，在1 0 5 3 n m 处获得了输出 功率为0 7 w 的连续激光，3 d b 带宽为0 2 5 5 n m ，总的光光转换效率为1 5 6 。 由1 2 0 1 w 的9 7 5 n ml d 泵浦，在1 0 8 3h i l l 处获得了输出功率为3 4 3 w 的连续激 光，总的光光转化效率为2 8 5 0 。 ( 2 ) 由8 4 7 w 的9 7 5 n m l d 泵浦，声光调制器重复频率在5 0 0 h z 时，在1 0 8 3 n m 处得到了脉冲宽度为31 1s ，平均输出功率为1 4 7 w 的主动调q 脉冲输出，单脉 冲能量2 9 4 m j ，峰值功率9 8 0 w ，重复频率在0 5 k h z 一3 0 k h z 范围内可调。 ( 3 ) 利用单模光纤中的s b s 效应主被动调q 相结合，由6 5 2 w 的9 7 5 n m l d 泵浦，在1 0 8 3 n m 处得到了脉冲宽度1 5 0 n s ，重复频率5 0 k h z 的稳定脉冲输出， 平均输出功率1 0 2 w ，单脉冲能量0 0 2 m j ，峰值功率1 3 3 w 。 ( 4 ) 利用自调q ，当泵浦功率2 8 1 w ，得到激光脉冲宽度1 7 n s ，相邻脉冲 问隔3 3 n s ，重复频率3 0 m h z ，平均功率0 4 1 w ，单脉冲能量为0 0 1 4 p j ，峰值功 率0 7 w 。 二、论文的主要创新点 l 、建立了一套声光波导开关设计理论，设计了一新型声光波导调制器，其 开关速度能进入7 0 n s 以内，超过目前国际上这一领域的水平。 2 、利用声表面波衍射模型来分析波导声光器件的带宽和衍射效率间的关系， 人们普遍认为( 利用耦合模理论模型) ：波导声光器件不可能同时获得大的带宽 和高的衍射效率，但是我们发现在一定的条件下波导声光器件可同时获得大的带 宽和高的衍射效率。 3 、在光线近似法的基础上，提出了种简单的设计三维光波导的方法：改 进型光线近似法。 4 、提出了一种新的分析设计锥形波导的方法。该方法可以用来分析设计不 天津大学博士学位论文 同形状函数的锥形波导。与其他方法相比，该方法简单而又实用。 5 、分析与讨论波导模场的椭圆度和不对称度对光纤与波导的耦合损耗的影 响，发现小的波导模场不对称度就意味着低的耦合损耗，但是小的波导模场的椭 圆度并不总就带来低的耦合损耗，这个得视其他的条件而定。 第二章声光波导调制器基本原理 第二章波导声光调制器基本原理 声光效应是调制光波的有效手段之一订】，利用体型介质内传输的声波使光波 产牛声光效应的称之为体波声光互作用 2 1 ，利用表面声波和导光波产生的声光效 应称之为表面波声光互作用【3 卅。由于表面声波( 主要是瑞利波) 和导光波均被限制 在介质表面厚度为波长数量级的薄层内，能量非常集中，制作激发表面声波的叉 指换能器所用的平面工艺又比较灵活，容易做出具有复杂结构的又指换能器，因 而，无论在驱动功率和带宽方面，表面波声光器件都具有更好的性能，随着声表 面波技术和光波导技术的发展，日益受到重视【3 捌。 本章将首先论述导光波和表面声波的特点，在此基础上阐述表面波声光效 应，然后介绍叉指换能器的基本原理以及其特性，最后介绍声光调制的基本理论 以及其主要性能指标的特点。 。 2 1 声表面波6 】 假设一均匀弹性体内部的任意一点e ( x j ，砣，x 3 ) ，当该弹性体在外力作用下 发生形变时，设点p 在x i 方向的位移为“，则有关系式： s = 三( 妻去) ，i 枷，3 浯t ， 其中，【s 】是具有对称性的2 阶张量，叫做形变张量。 为方便讨论，通常把张量 s 】的下标，用萨1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 对应j = 1 1 ， 2 2 ，3 3 ，2 3 ，3 l ，1 2 ，故张量s 可以写成： 疋= 拯墨鬈： 治2 ， 这里用应力张量 t 】来表示由于形变而在弹性体内产生的应力，当在平面内 单位面积上施加i