（通信与信息系统专业论文）光纤光栅激光器的研究.pdf

摘要 波分复用通信系统目前在世界范围内得到了高速的发展。半导体激光器的波 长较难符合i t u - t 建议的w d m 波长标准，而稀土掺杂光纤激光器却能很好地 做到这点。与外调制器相结合，光纤激光器有可能在高速光纤通信系统中取代 现有的d b r 和d i 湛半导体激光器。作者对基于光纤光栅的掺铒光纤激光器等 进行研究，主要作了如下创新性的工作： 在国内首次直接在掺铒光纤上紫外写入强反馈光纤b r a g g 光栅，研制出 d b r 、d f b 光纤激光器，并对其外调制特性进彳亍了研究。 利用自制的8 反射峰光纤光栅确定波长，采用盯形腔结构，获得了8 波长同 时激射的激光输出，输出波长间隔满足i t u t 所建议的w d m 光纤通信系统 波长标准，没有调制时单波长线宽o0 1 n m ( 受光谱仪分辨率的限制) ，并 利用一8 反射峰啁啾光栅补偿了调制后8 波长锁模光脉冲传输1 0 0 k m 的色 散。就我们所知，国际上目前还没有如此有效、简便地实现满足r r u t 所建 议的w d m 光纤通信系统波长标准的，多波长光纤激光器的研究报导。 利用色散补偿光纤( d c f ) 增加腔内色散，在环形主动锁模光纤激光器实验 中首次实现了1 0 波长( 0 7 k md c f ) 、1 9 波长( 2 k md c f ) 的光脉冲输出。 并首次利用弱反馈多峰碉嗽光栅替代d c f ，实现了8 波长激光脉冲输出。 采用有理谐波锁模技术，在。形腔主动锁模光纤激光器实验中实现了脉冲重 复频率的倍增。利用1 0 g h z 的调制信号得到了重复频率1 0 g h z 5 0 g h z 的 脉冲输出。 关键词：光纤光栅光纤激光器主动锁模分布反馈 分布b r a g g 反射 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w d ms y s t e m sh a v ed e v e l o p e dr a p i d l yi nt h ew o r l di t sd i f f i c u l tf o r t h eo u t p u tw a v e l e n g t ho fs e m i c o n d u c t o rl a s e r st oa c c o r dw i t ht h ew d m w a v e l e n g t h s t a n d a r dp r o p o s e db yi t u - t ，b u ti t s e a s yf o rt h a to fr a r e - e a r t h d o p e df i b e rl a s e r s c o m b i n e dw i t he x t e r n a lm o d u l a t o r s ，i t s p o s s i b l ef o rt h ef i b e r l a s e r st or e p l a c et h e d b ra n dd f bs e m i c o n d u c t o ri a s e r si n h i g h s p e e do p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h ea u t h o rh a s i n v e s t i g a t e d i n e r b i u m d o p e d f i b e rl a s e r sb a s e do nf i b e r g r a t i n g s ，a n dt h em a i ni n n o v a t i v ew o r k s a r es h o w na st h ef o l l o w h i g h r e f l e c t i v i t yf i b e rb r a g gg r a t i n g sa r eu v w r i t t e ni m m e d i a t e l yi ne d ff o rt h e f i r s tt i m ei n l a n d d b r , d f bf i b e rl a s e r s a r ef a b r i c a t e d a n dt h e e x t e r n a l l y m o d u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i e so f d b d f b f i b e rl a s e r sa r ea l s os t u d i e d b y m e a n so ft h e8 - p e a kh i g hr e f l e e t i v i t yg r a t i n gt os e l e c tt h ew a v e l e n g t h s ，w e f a b r i c a t e d o f i g u r e f i b e rl a s e r sw i t h8 w a v e l e n g t h ss i m u l t a n e o u sl a s i n g t h e s p a c i n g o fo u t p u t w a v e l e n g t h a c c o r d sw i t ht h ew d m w a v e l e n g t h s t a n d a r d p r o p o s e db y i t u tt h e s i n g l ew a v e l e n g t hl i n e w i d t hw i t h o u tm o d u l a t i o n i s 0 0 1 n m ( 1 i m i t e db yt h er e s o l u t i o no fo s t h e d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf o rt h e 8 - w a v e l e n g t h m o d e - l o c k e d p u l s e s a f t e r1 0 0 k ms h t r a n s m i s s i o n u s i n g t h e c h i r p e dg r a t i n gi s a l s o f i n i s h e dt oo u rk n o w l e d g e ，a t p r e s e n t ，i t st h em o s t e f f e c t i v e w a yf o rt h em u l t i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r sa c c o r d i n gw i t ht h ew d m w a v e l e n g t hs t a n d a r d i nt h ee x p e r i m e n to f a c t i v e l ym o d e - l o c k e df i b e rr i n gl a s e r b ym e a n so fd c f t o i n c r e a s et h ec a v i t yd i s p e r s i o n ，w eo b t a i n e do u t p u t p u l s e sw i t h1 0w a v e l e n g t h s ( o 7 k i nd c f ) ，1 9w a v e l e n g t h s ( 2 k md c f ) f o rt h ef i r s tt i m e ，a n do b t a i n e do u t p u t p u l s e s w i t h8 w a v e l e n g t h sb ym e a n so f c h i r p e dg r a t i n gi n s t e a do f d c ff o rt h ef i r s t i nt h ee x p e r i m e n t o f o f i g u r ea c t i v e l ym o d e - l o c k e df i b e rl a s e rt h ep u l s er e p e t i t i o n r a t ei s i n t e g e rm u l t i p l i e du s i n gr a t i o n a lh a r m o n i cm o d el o c k i n gp u l s et r a i n sa t r e p e t i t i o nr a t e s1 0 g h z 一5 0 g h z a r eg e n e r a t e dw i t ht h er f f r e q u e n c yo f 1 0 g h z k e y w o r d s ：f i b e r g r a t i n g f i b e rl a s e ra c t i v e m o d e l o c k i n g d f bd b r 北方交通大学搏上学位论文第。孽绪泛 第一章绪论 1 1 光纤激光器发展简史 光纤激光器并不是什么新的器件，尽管到目前才引起广泛研究和重视，可以 说光纤激光器的历史和激光器的历史几乎。样长。最早有关研究可以追溯到六 。 年代初期，当时激光器刚刚出现不久( 1 9 6 0 年，美国m a i m a n 等首先用红宝石晶 体获得了激光输出) ，人们对激光器的研究投入了极大热情积极研制开发各种 新型激光器。1 9 6 1 年，美国光学公司( a m e r i c a no p t i c a lc o m p a n y ) 的e s n i t z e r 等在光纤激光器领域进行了开创性的工作，他督j 利用棒状掺钕( n d ”) 玻璃波导 ( 现称作多模光纤，芯层、包层折射率分别为l5 4 、l5 2 ，芯径03 m m ) 获得了 波长l0 6 “m 的激光”。随后，掺钕光纤被用于h e n e 激光器担l 、i n a s o ，只目激光 二极管1 3 1 等输出的功率放大。还有将光纤激光器用于探测系统前置放大、光学信 息处理等方面的研究报道。在光纤激光器早期工作中，由于n d ”在可见光和近红 外波段有很多吸收带，效率较高，研究主要集中在激射波长10 6 t a m 的掺n d ”光 纤激光器上。 七十年代，光纤通信的研究开始起步，新兴的光纤通信系统对新型光源的需 求极大地刺激了激光器的研究工作。但由于人们的注意力集中到迅猛发展的半导 体激光器技术上，以及光纤激光器自身的一些当时无法克服的困难，光纤激光器 的研究逐渐沉寂下来，整个七十年代都很少见到有关进展情况的文献报道。尽管 如此，也还是取得了一些值得一提的成就。例如，1 9 7 3 年，js t o n e 等成功地研 制出能够在室温下连续工作的掺钕光纤激光器，他们采用的半导体注入型激光器 终端泵浦方式对以后实用型光纤激光器的研究具有重要的意义1 4 1 。 八十年代，英国s o u t h a m p t o n 大学的sb p o o l e 等用m c v d 法成功地制备了 低损耗的掺钕和掺铒光纤p 6 l ，因为掺铒光纤光纤激光器的激射波长恰好位于通信 光纤的l ，5 5 i t m 低损耗窗口，很适合用作光纤通信的光源。人们开始认识到光纤 放大器和光纤激光器在提商传输速率和延长传输距离等方面无疑将给光纤通信 带来场革命，光纤放大器和激光器的研究又重新成为热点。 近年来，由于光纤制造工艺的进步、紫外写入光纤光栅等技术的日益成熟【7 j 、 以及各类激光器，特别是半导体激光器技术的发展，光纤放大器和激光器的研究 工作进展很快。 掺铒光纤放大器( e d f a ) 由于其极好的特性，得到了迅速的发展并成为一项 成熟的应用技术【8 9 1 。使得常规的i m d d 通信系统跃上新的台阶，e d f a 为波分 复用( w d m ) 、密集波分复用( d w d m ) 开辟了广阔的应用前景，是w d m 、 d w d m 高速光通信系统的奠基石。e d f a 结合w d m 成为光纤通信近期发展的重 要方向，可以说e d f a 的出现改变了光纤通信技术的格局，引起了光通信技术的 一次革命性的变化。 目前已研制出多种光纤激光器。实现了在硅( s i t i c a ) 基或氯化物( f l u o r i d e ) 基等光纤中。掺杂或共掺杂多种稀土离子，如钬( h o 弘) 1 1 0 - 1 1 1 、铥( t m ”) 【1 2 “4 i 、 镱( y b ”) 1 1 5 - | 6 、镨( p r ”) 1 7 t m 等。可以使用不同波长的泵浦源，输出多种特性 比方交通大学博士学垃论文第一蕈绪论 的激光，例如氟化物基光纤中掺杂p ，+ 的光纤激光器输出波长落在通信光纤的 l3 p r o 低损耗窗v 1 ，掺杂y b ”可以提高光纤激光器输出功率及斜率效率等。稀上 掺杂光纤激光器由于其优越的特性己成为w d m 、0 3 d m 等光通信系统中的种 很有前景的光源与外调制器相结合，光纤激光器有可能取代现有的d b r 和d f b 半导体激光器而在光纤通信系统中得到广泛应用。此外光纤激光器在传感、光 谱学、医学等很多领域也有着重要的应用价值。 1 2 光纤激光器研究现状及其意义 1 2 1 光纤通信技术的发展趋势及其对光源的要求 9 0 年代互联网( i n t e r n e t ) 的兴起，使得i p 数据业务出现爆炸性的增长。尤 其是近几年，新的规则与标准层出不穷，网络产品几乎是每半年翻新次。预测 表明2 0 0 0 年后，数据业务将迅速超过传统的话音业务并使话音业务在信息网中 所占的比例越来越小，这种势头向传统的电信网发起了强有力的冲击。可以说， i p 技术是未来面对各类业务的理想方案，大有“e v e r y t h i n go i l b i t ”之势。承载i p 的广域网技术主要有a t m 、s d h 、w d m 等，这些技术都有非常可取之处，目前 还不能相互替代；但简化、组合利用这些技术，减少网络层次，更高效地满足不 断增长的、以i p 为代表的数据业务的需求，是构造最佳网络的发展方向。如能使 呼直接适配到w d m 层( 即i po v e r w d m ) ，而省去a t m 和s d h 层，将会极大 改善现有网络的性能。w d m 等大容量、高速光纤通信技术无疑是网络传输物理 层的最佳选择，这就促使人们加速对w d m 等光纤通信系统的研究、开发和使用。 当前光纤通信技术发展进程最引入注目的的是密集波分复用和宽带光纤放大 器，两者携手共迸，显示出光纤通信无比优越性。w d m 技术己比较成熟，其所 需的器件已基本商用，实验室研究已达到26 t b i t s t l 9 1 ，据悉在跨世纪年代，由 密集波分复用和宽带光纤放大器等技术组成的1 t b i t s 、1 0 0 0 k m 的大容量、长距 离光纤通信传输系统，可能在国际上几条陆地干线实用，这样令人振奋的超大容 量也只有光纤通信才能实现。 o t d m 技术是近年发展起来的另一种基于光信号处理的复用技术，与w d m 技术相比，所需的许多器件尚处于实验室水平，超短脉冲产生、全光复用去复用、 光定时提取等技术都有待进一步成熟，o t d m 系统离实用化还有一段距离。 o t d m 技术实验室研究已实现了6 0 k i n 、6 4 0 g b i t s 的传输速率1 2 0 】。 w d m 与o t d m 有各自的优缺点，单独利用这两种技术来迸一步扩大通信容 量，都会遇到很大困难。将w d m 和o t d m 两种技术有效地结合起来可咀降低对 单一技术的要求。在这种系统中，可以增大w d m 信遭间距从而降低由四波混 频( f w m ) 和受激r a m a n 散射( s r s ) 等引起的信道间非线性串扰；可以减小 o t d m 单信道的传输速率，从而降低超短光脉冲传输的难度。o f c 9 9 上报道的 w d m + o t d m 系统已实现3 t b i t s 的传输【2 1 l 。w d m + 0 1 d m 系统已成为未来高速、 大容量光通信系统的发展趋势。 由于w d m 、o t d m 在信息网络中的重要地位，研究或发明可用于w d m 、 2 北一交通大学博士学位论文第章绪论 ，、馨喜鞣震迤篓磐能嚣鬻票燮蔫鬻。整个 5 ，笼器素篙篡兽斋淼需蠢凳晶嚣薹蓼萎箱的纂兰 裟筝3 5 8 “0 ：慧鬻看器霭娄翁燃嬲蓑鬈善要置寄磊 离子，在n m 3 9 m f 2 4 。2 卅的宽带范围内实现激光输出，饭长远律得动且叫啊 6 ) 蠢翥调制下的频率啁啾效应小：抗电磁干扰；温度膨胀系数较半导体激光器 冲善繁瑞躺黧髫巢曩装蒜浅裂勰嚣凳羹蓑、光馨 冲两大类。下面概述单波长、多波长光纤激光器、趟短脉开尤 f 猥兀葡及兀爿 北方交通大学博士学位论丈第一章绪论 r a m a n 激光器、高功率包层泵浦光纤激光器等新型光纤激光器的发展概况。 1 2 2 单波长光纤激光器 在高速光通信系统中，窄线宽单波长( 单纵模) 激光器是关键的器件，线宽 越大，色散量就越大从而引起传输信号的变形灾真等。一种选择d b r ，d f b 等半导体激光器；另种选择是光纤激光器。单波k 光纤激光器主要有d b r 、 d f b 和环形结构，还有f o x s m i t h 复合腔，耦台腔等形式的腔结构。环形结构光 纤激光器中，在环形腔内插入一光隔离器，光强沿传输方向均匀分布，因而消除 ，空间烧孔效应而实现单纵模振荡，所以可以采用较长( 几米或几十米) 的掺铒 光纤从而比较容易实现高功率及高斜率效率的激光输出，线宽较d b r 、d f b 光纤激光器更窄。其不足之处是因为模式间隔小，常发生模式跳跃( m o d e h o p p i n g ) ，较d b r ，d f b 光纤激光器严重，可以利用滤波器等来抑制模式跳跃， 但增加了激光器的复杂性及成本。下面仅对结构简单，费用较少但仍有商质量激 光输出的线形d b r ，d f b 光纤激光器方面的研究工作作一回顾，而对相对复杂的 环形1 2 6 - 3 0 ，f o x s m i t h 复合腔口”，耦合腔【3 2 i 等光纤激光器等不予讨论。 1 2 2 1d b r 光纤激光器 d b r 光纤激光器基本结构如图1 1 所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对光纤 光栅构成谐振腔。1 9 9 0 年r k a s h y a p 等首次将光纤光栅应用于光纤激光器以增强 模式选择性牡”。1 5 岬单频d b r 光纤激光器首先由美国联合技术研究中心的ga b a l l 等利用掺铒光纤得以实现”“。文献口4 l 中，在掺铒光纤两端紫外写入b r a g g 光栅构成0 5 m 长的谐振腔，掺铒光纤芯径5 岫，a n = o 0 2 1 ，两个b r a g g 光栅的 反射率分别为7 2 ，8 0 0 , 4 ( 1 5 4 8 n m ) 。用9 8 0 r i m t i ：s a p p h i r e 激光器作泵浦源，泵 浦光与掺铒光纤的耦合效率约为4 9 0 , 4 。实验观察到1 5 4 8 n m 的激光输出，泵浦功 率较低时，输出激光与被吸收泵浦光功率之比的斜率效率为2 7 ，当输出激光功 率达到4 m w 时，斜率效率显著下降，输出激光峰值功率约5 m w ，且利用f a b r y p e r o t 频谱分析仪证实了光纤激光器的单纵模运作，线宽小于4 7 k h z 。文献9 ”中， 在掺铒光纤两端紫外写入b r a g g 光栅构成1 0 c m 长的谐振腔，两个b r a g g 光栅的 反射率相同，均为9 5 ，利用p z t 轴向拉伸光纤光栅实现输出频率的连续调谐， 调谐范围约9 g h z ，在调谐过程中没有模式跳跃发生：但其代价是输出功率仅 1 0 0 斗w ，斜率效率低。 l 面一 酬i t o f 辨g e d f 即t 嘶。啷l i 【 图11d b r 光纤激光器结构示意图 文献 3 6 - 3 7 1 基于速率方程理论和模耦合理论，经过一些近似处理，得到d b r 光 4 北方交通大学博士学位论文第一章绪论 纤激光器单模运转的条件式( 】1 ) ，并对具体参数进行了设汁，理论预期与实验 符合较好，他们的丁作为实际设计制作单模兜纤激光器提供了理论指导。 12 y 。j + i ， ( 1 1 ) 这里，y ，y ：，分别为模式1 ，2 的损耗，掺铒光纤的小信号增益。 其他一些小组也进行了这方面的研究。为了获得更稳定的单模运行，jl z y s k i n d 等制作成功谐振腔长仅2 c m 和1 c m 的d b r 光纤激光器1 3 8 1 ，其代价是输出 功率仅分别为1 8 1r t w 、5 7 1 t w 。线宽由丁j 频谱分析仪分辨率的限制没有精确地测 h ，观察到自脉动( s e l f - p u l s i n g ) 现象。mi b s e n 等研制出取样b r a g g 光栅d b r 光纤激光器【3 ，利用拉伸光纤光栅实现输出波长的连续调谐，调谐范围达 1 67 n m 。 1 2 2 2d f b 光纤激光器 d f b 光纤激光器基本结构如图1 2 所示，利用直接在稀土掺杂光纤写入的光 栅构成谐振腔，有源区与反馈区同为体。d f b 光纤激光器优越于d b r 光纤激 光器之处主要是只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，园而频率稳定性更好， 边模( 旁瓣) 抑制比高。还避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。但是，虽然可以 直接将光栅紫外写入掺铒光纤，因为纤芯含锗( g e ) 少或没有，光敏性差，所以 d f b 光纤激光器实际制作并不容易。而d b r 光纤激光器则可以将掺锗光纤光栅 熔接在掺铒光纤的两端构成谐振腔，制作更为简便。 p p i t o l a t w e o fw i t hg r a t i n g o u t p u t 图l2 d f b 光纤激光器结构示意图 众所周知，因为b r a g g 波长区域存在禁带，均匀光栅d f b 光纤激光器不能实 现单频输出。为了获得稳定的单频运行，一种方法是在均匀光栅中引入相移， 另一方法是啁啾光栅d f b 激光器。ms e j k a 等成功地制作了这两种单频d f b 掺 铒光纤激光器l 加】，在没有引入相移之前，他们观察到均匀光栅d f b 激光器双 模振荡及模式间的能量交换，模式间隔o 0 7 n m ( 5 9 g h z ) ，与理论一致1 。36 c m 长啁啾光栅d f b 激光器输出功率5 4 r o w ，线宽小于1 5 k h z 斜率效率1 7 ，泵 浦阈值功率2 l m w 。w h l o b 等也进行了类似的研究，他们报道了1 0 e r a 长l5 5 u m 单频相移d f b 掺铒光纤激光器【4 2 l ，线宽小于1 3 k h z ，输出功率l m w 。 相移均匀光纤光栅的制作方法主要有：温度梯度法( t h e r m a lg r a d i e n t ) 【4 “4 1 、 后期紫外曝光法( p o s tu v e x p o s u r e ) 1 4 0 , 4 ”、相位控制光束扫描法( p h a s e c o n t r o l l e d b e a m s c a n n i n g ) 1 4 6 1 等。 北方变通人学| 冉上学位论文 第章缔论 1 2 2 3 改进方案 d b r ，d f b 光纤光栅激光器面临的问题主要有：由于谐振腔较短，导致对泵 浦的吸收效率低及斜率效率低，谱线较环形激光器要宽；三能级系统固态激光器 普遍存在的自脉动行为对光纤激光器亦不例外；模式跳跃现象。为了解决这些困 难，科研工作者们提出如下改进方案： 1 ) 采用e 卜y b 共掺杂光纤等作增益介质 采用e r y b 共掺杂光纤作增益介质，但目前国内不易买到。砀“离子起着吸 收1 b m 附近的泵浦光，然后迅速将能量转移给d “离子以实现15 9 m 区域光放大 的作用。由于硒“离子有较大的吸收截面且可实现高浓度掺杂( 与d “离子比 较) ，因而e r - y b 光纤对泵浦光的吸收能力比普通掺铒光纤高三个数量级。另一 优点是功“离子在1 l x m 附近的吸收带较宽，可以吸收o9 8 i n 一1 ，0 6 岫的泵浦光。 e 卜y b 光纤激光器于1 9 9 3 年由】t k r i n g l e b o t n 等第一次展现在人们面前【4 ”。 e r - y b 光纤一端与光纤光栅( b r a g g 波长15 4 48 n m ，反射率4 0 ，带宽o0 9 n m ) 熔接，这造成06d b 的损耗，另一端与二向色镜( 泵浦光的透射率9 7 ，激光的 反射率近1 0 0 ) 相对接而构成谐振腔( 腔长1 0c m ) 。得到了76 m w 的输出激 光( 1 5 4 5 n m ) ，线宽小于lm h z ，输出激光与入射泵浦光功率之比的斜率效率约 为1 0 ，泵浦( 9 8 0 r i m ) 阈值功率为7 m w 。实验中没有自脉动行为但受环境变 化的干扰偶有模式跳变。1 9 9 4 年j t k r i n g l e b o t n 等的工作进一步提高【4 8 1 。这次 采用更有效的e r - y b 光纤( n d 8 4 4 ) ，e r ，y b 光纤与光栅的熔接损耗降至01 2 d b ， 腔长约为3 c m ，实验结果阈值功率为4 m w ，输出激光与入射泵浦光功率之比的斜 率效率约为2 2 。 虽然e r - y b 光纤一般不含g e ，但仍然可阻直接写入强反馈的光纤光栅l 。w h l o h 等研制出输出功率1 0 m w ，斜率效率约为11 t 4 4 1 和输出功率6 0 m w ，斜率 效率约为1 2 的e r - y b 共掺杂d f b 光纤激光器。aa s s e h 等研制出掺y bd f b 光纤激光器i “1 。 2 ) 腔内泵浦( i n t r a c a v i t yp u m p i n g ) 9 2 4 眦p u l 呷 9 7 5 n ms r , t i 旭州o p c dm 噼 5 5 0 n m o u t p u t 9 7 5 n m8 r j t i n 8 图1 3 腔内泵浦d f b 光纤激光器实验装鬣图 w h l o h 等提出采用腔内泵浦方式提高输出功率恤1 。实验装置如图13 所 示，t i ：s a p p h i r e 激光器( 9 2 4 n m ) 对掺y b 光纤激光器起一级泵浦作用，掺y b 光 纤激光器( 9 7 5 n m ) 对d f b 激光器起二级泵浦作用。由于掺y b 光纤在9 0 0 n m 附 6 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 近肯一吸收峰1 5 3 1 ，能有效地吸收9 2 4 n m 泵浦光，以及位于9 7 5 n m 光栅( 峰值反射 率9 98 ) 构成的谐振腔内的d f b 能充分地吸收9 7 5 n m 一级泵浦光故与通常的 泵浦方式相比，实验结果腔内采浦方式输出功率提商了2 倍。 3 ) 丰振荡器和功率放大器( m o p a ) 一体化，有源反馈( a c t i v ef e e d b a c k ) 技术 j i 振荡器和功率放大器一体化提高输出功率，包括两部分：主振荡器；功率 放大器，利用一段掺铒光纤吸收残留泵浦光( 也可再另加一泵浦) 来放大较弱的 激光信号。两部分之间必须放置。隔离器，以避免放大器的反向放大自发辐射噪 声影响主振荡器的稳定性。 采用有源反馈技术抑制噪声。单模光纤激光器的弛豫振荡峰决定了其噪声 谱，通常约几百个k h z 。利用合适的对泵浦的有源反馈回路可以较容易地减小噪 声。在m h z 至g h z 频率范围内，噪声可以抑制到小f - 1 5 0 d b h z ，这可和d f b 半导体激光器相媲美。 gab a l l 等的有关实验( 如图l4 所示) 得到功率6 0 m w ，斜率效率4 1 ， 15 a n ，的激光输出“1 。输出激光噪声较小，c w 状态下弛豫振荡区域1 0 0 k h z 至 2 m h z 范围内的相对强度噪声r n 一1 0 0 删弭，宽带r m s 。o 3 9 。 p h o t a d i o d o 图14 m o p a 实验装置示意框图 gb o n f f a t e 等利用主振荡器和功率放大器一体化私有源反馈技术获得了输出 功率1 3 m w 、斜率效率2 4 的c w 激光输出，光强波动小于l ，激光线宽为 22 k h z t 捌。 4 ) 共振泵浦( r e s o n a n tp u m p i n g ) 利用共振泵浦抑制自脉动。自脉动行为是三能级系统固态激光器普遍存在的 现象，通常是不受欢迎的，尤其是要求激光器低噪声运行时。研究表明”o ”1 ，掺 铒光纤激光器的自脉动与离子高掺杂浓度( 导致离子对，离子团的形成) 有关， 但高掺杂浓度对单频短腔d b r ，d f b 光纤激光器的稳定和有效运转又是必须的。 wh l o h 基于简单的基态分裂成二s t a r k 能级模型，从理论上提出共振泵浦可以 有效抑制自脉动”】。他们认为由于共振泵浦对增益的限制，可以有效地消除导致 持续自脉动的反转离子数大偏移。并且还通过实验得到证实p ”，在用1 5 1 0 n m 泵 浦替代9 8 0 n m 泵浦的实验中，作为高阈值泵浦功率的回报，不仅自脉动得到有效 的抑制，相对强度噪声峰值也由一7 7 6 哆，下降到一9 0 哆白：。 7 北方交通大学博士学位论文第章绪论 5 ) 绿光泵浦 采用5 2 0 n m 左右的绿光泉浦，5 2 0 n m 泵浦的吸收截面大约比9 8 0 n m 泉浦的吸 收截面高2 0 倍，将大大提高输出功率和斜率效率1 6 ”。 1 2 3 多波长光纤激光器 w d m 系统要求多波长光源输出波长密集( 通道波长间隔小) ，带宽大，功 率谱平坦等。由于增益谱较宽，稀土掺杂离子寿命比较长可以降低不同波长间的 串扰，及稳定性比较好等特性，掺铒光纤比较适合制作用于w d m 系统的多波长 光纤激光器。按实现多波长的机制，将多波长光纤激光器主要分为两大类：利用 光纤光栅等提供光反馈并选择波长；利用滤波机理实现多波长。还有利用锁模、 非线性等其他技术实现多波长光纤激光器。 1 2 3 1 利用光纤光栅等提供光反馈并选择波长 1 ) 级联d b r 光纤激光器 级联d b r 结构如图1 5 所示。g l 与g 2 、g 3 与g 4 是b r a g g 波长不同的两对 光栅。每对光栅为同一b r a g g 波长，与其间的铒光纤构成一个谐振腔( d b r 激光 器) 。两个( 或多个) d b r 激光器级联，每个d b r 激光器确定一个波长，可分 别进行调谐。s v c h e r n i k o v | 6 l 】等采用级联的耦合腔结构获得了间隔5 9 g h z 、线 宽1 6 k h z 的双频( 双波长) 激光输出。这种结构的缺点是，需要多段铒光纤、多 对b r a g g 波长相同的光栅来构成多个谐振腔，整个激光器尺寸较大。 g 1e d fg 2g 3e d fg 4 o i l l d m 图1 5 级联的d b r 结构示意图 2 ) 级联d f b 光纤激光器“】 级联d f b 结构如图1 6 所示，将多个单频工作的d f b 光纤激光器简单级联， 与圈1 5 中级联d b r 结构工作方式相似，都是单一光纤激光器的简单级联，并非 多波长共用同增益介质。 口 o lg ig 2 o 呲p ”t 图i 6 级联的d f b 结构示意图 北方变通大学博上学位论文第一章绪论 3 ) 共用增益介质的d b r 光纤激光器 共用增益介质的d b r 光纤激光器基木结构如图l7 ( a ) 所示。光栅g 1 与g 4 的b r a g g 波长相同，光栅g 2 与g 3 的b r a g g 波长相同。jmb a t t i a t 0 1 6 3 1 等采用一 段e r n d 共掺杂光纤做增益介质，两对光栅作反射镜，8 1 0 n m 与9 8 0 n m 双泵浦方 式，实现了1 0 6 9 n m ( n d ) 、1 5 5 0 n m ( e r ) 双波长激光输出。 可以利用写在同一位置的双( 多) 反射峰光栅来替代两( 多) 个光栅的级联。 这样可以使不同波长的谐振腔腔长。样并避免了光栅间的熔接损耗，但不能单独 调谐。可以利用在光纤端面镀银等来替代谐振腔一端的光栅另一端仍采用光栅 选择激射波长，可使所需光栅数目减半，但破坏了激光器的全光纤结构。s v c h e r n i k o v t 6 4 1 等采用一双峰光栅和一高反射率介电镜作反射镜( 如图l7 ( b ) 所 示) ，实现了1 5 4 9 0 9 n m 、1 5 4 96 4 n m 双波长激光输出。 与级联d b r 结构相比，共用增益介质的d b r 光纤激光器只用一段铒光纤作 增益介质。缺点是由于铒光纤的增益均匀展宽特性及模式竞争，难二实现更多波 长的同时激射。 4 ) o 形腔光纤激光器 6 5 - 6 9 1 可以利用环行器、光纤环等构成反射镜来替代谐振腔一端的光栅，另一端仍 采用光栅选择激射波长。可使所需光栅数目减半并保持激光器的全光纤结构。sk l i a w i 6 5 1 等采用如图1 7 ( c ) 所示的实验设置，得到线宽3 k h z 、信噪比6 3 d b 、等 功率的双波长激光输出。由于铒光纤的增益均匀展宽特性，难于实现更多波长的 同时激射。og r a y d o n t 6 6 1 等使用8 m 长双芯掺铒光纤，通过宏观上( h i m 量级) 的 空间烧孔效应实现了稳定的3 个波长同时振荡。 利用光纤光栅选择波长的光纤激光器，除d b r 、d f b 、g 形腔等基本结构外， 还有一些新型结构【”】。 dumd(wg ig 2e d fg 3g 4 o u t p u t e d f 一 一煳# c o u p l e r m r c 图1 7 共用增益介质的d b r 光纤激光器及g 形腔光纤激光器 亳| k挚 北力交通大学博士学位论文 第。章绪论 1 2 3 2 利用滤波机理实现多波长 1 ) 腔内放置多个单波k 窄带滤波器的光纤激光器 在行波腔内有多个臂，每个臂中有一窄带滤波器咀定义激射波长，还需加入 偏振控制器( p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r ) 或可调衰减器( v a r i a b l ea t t e n u a t o r ) ，以调节 每个波长在腔内的增益从而实现各个波长等强度输出【7 ”。各个波长可以共用同 增益介质，也可采用多增益介质结构。jw ，d a w s o n 2 】等采用共用增益介质的结 构，在两个臂中各加入1 n m 可调谐滤波器和一可调衰减器实现了稳定的双波长输 出( 如图l8 所示) 。实现更多波长r ，这种结构就显得比较复杂。 c o u p l e r o i o u t p u t e d f 图1 8 双臂光纤激光器结构示意图 2 ) 腔内放置梳状滤波器的光纤激光器 在腔内放置梳状滤波器，利用其多波长滤波特性实现多波长同时激射。无需 采用多个单波长窄带滤波器的多臂结构。将大大降低光纤激光器谐振腔的复杂程 度，提高系统的集成度和稳定性。 jc h o w i + 3 l 等在环形行波腔光纤激光器的实验中，采用一透射型啁啾光栅f p 标准具( c h i r p e dg r a t i n gf pe t a l o n ) 作为梳状滤波器，将掺铒光纤浸入液氮中( 温 度7 7 k ) 以减小增益的均匀展宽，在1 5 3 5 n m 波段，得到了间隔0 6 5 r i m 的1 1 个 波长稳定输出，单波长线宽约为0 1 n m ( 受所用光谱仪分辨率的限制) 。s y a m a s h i t a f 7 4 1 等在线形驻波腔内放置一多波长f - p 标准具( f - pe t a l o n ) ，当掺铒光 纤处于室温下，最多只能观察到5 个波长的同时振荡，且相互之间竞争激烈，不 大稳定。将掺铒光纤浸入液氮中，在1 5 6 0 r i m 波段，得到了间隔08 n m 的1 7 个波 长稳定输出。用b e t e r o d y n ed e t e c t i o n 方法，观察单个波长的光谱，发现每个波长 包含两个纵模，相距2 0 m h z ( 与激光器腔长5 m 对应的模式间隔) ，时有模式跳 跃现象发生。为实现单纵模振荡，应进一步缩短腔长，提高f p 标准具的精细度 ( f i n e s s e ) 。 3 ) 腔内放置光栅波导路由器( w a v e g u i d eg r a t i n gr o u t e r ) 7 5 - 7 9 、w d m 8 0 8 1 1 等的激 光器 w g r 是集成化的波导器件，频道间隔由其几何结构决定，以之作为腔内滤波 北方交通大学博士学位论文第章绪论 器的多波长光纤激光器波长稳定性好，重复性佳。 对w g r 的要求是：带宽要尽h j 能小，以保迁多波长激光器的单个波长单纵 模工作；自由光谱区( f r e es p e c t r u mr a n g e ) 要尽司能大，以保证激射只发牛在 w g r 的一个通带内。通常，w g r 的f s r 要大于】5 n m ，带宽要小于o4 r i m ，以 满足荤纵模工作和单通带t 作的要求。 mz i r n g i l b 7 5 i 等采用f s r 为1 92 n m ，频道间隔o8 n m 的w g r 作为滤波器选 频，实现了1 8 频道都工作在单频状态的稳定激光输出。tm i y a z a k i l 76 | 等将两个 f s r 为1 9 ，2 n m 、有相同波长分路特性的l 1 6 阵列光栅波导( a r r a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g ) 波长相同的臂连接在一起，形成l 1 腔内滤波器，每臂独立提供增益， 使用了1 5 个e d f a ，得到了间隔l6 r i m 、1 5 个波长稳定的激光输出。 np a r k t ”】等在谐振腔腔内放置8 频道的w d m ，频道间隔约48 n m ，频道带宽 o8 r i m ，每个频道的插入损耗约6 d b 。在驻波腔结构中，实现r8 个波长的同时振 荡，但输出功率起伏很大，这是空间烧孔效应引起的模式不稳定性造成的结果。 在行波腔结构中，得到了6 个波长的同时振荡( 受实验现有耦合器数目的限制) ， 输出功率起伏得到很大改善。 ht a k a h a s h i i “j 等采用阵列波导光栅n x n 波长复用器实现了间隔16 n m 、独立 可调的4 个波长激光输出。 4 ) 其他滤波机制 a jp o u s t i e i “i 等将一段多模光纤接入一单模光纤的环形腔中，由单模多模 单模光纤的组合构成了有效的空间模式拍频滤波器( s p a t i a lm o d eb e a t i n gf i l t e r ) ， 得到了4 个波长的同时激射。实验发现在n d ”掺杂光纤激光器中易于实现多波长 激光输出，这主要是因为n d 3 + 掺杂光纤的非均匀展宽特性。 p u m p 图1 9 利用l y o t 滤波特性实现多波长 n p a r k l s 3 1 等将起偏器、偏振控制器和一段保偏光纤( p m f ) 接入环形腔中， 将掺铒光纤缠绕在线轴上以引入双折射( 如图1 9 所示) 。p m f 中双折射导致的 l y o t 滤波特性决定了多波长振荡和波长间隔。p m f 越长，波长间隔越小。紧密缠 绕的掺铒光纤引入的双折射对l y o t 滤波提供了调制，通过调节p c 可以改变多波 长的激射带宽、中心波长位置及平衡不同波长的强度差。当掺铒光纤处于室温 下，就得到了7 个波长的稳定输出。研究表明，增益深度饱和烧孔效应和l y o t 北方交通人学博士学位论文 第一彗结论 滤波特性共| 一j 与掺铒光纤的增益均匀展宽特性竞争，从而在室温下也n j 到多波长 鸭振荡。将掺皇耳光纤浸入液氮中，得到r2 4 个波长的同时激射，波长阍隔l1 n m ， 单波长线宽01 5 n m ，信噪比大于3 0 d b 。 1 2 3 3 其他多波长光纤激光器 除上述利用光纤光栅等提供反馈并选择波长和利用滤波机理实现多波长两大 类外，还有利用锁模等其他技术实现多波长光纤激光器。 jbs c h l a g e r i s 4 1 等利用双折射保偏光纤，在环形主动锁模光纤激光器中实现了 2 波长激光脉冲输出，脉冲宽度2 p s ，波长间隔约1 n m 。ht a k a r a l ”1 等利用两段旋 转4 5 。连接的双折射光纤，在环形主动锁模光纤激光器中实现了4 波长激光脉冲输 出，脉冲宽度2 8 p s 一5 5 p s ，波长问隔约09 n m 27 n m 。 最近，sl i 口6 】等报道了利用色散补偿光纤( d c f ) 增加腔内色散，在主动锁 模光纤环形激光器实验中实现了3 波长的激光输出，并通过调节调制频率，实现 了单波长、双波长的连续调谐。 还有利用受激b r i l l o u i n 散射( s b s ) 1 8 7 - 9 0 1 和受激r a m a n 散射 9 1 - 9 2 1 ( s r s ) 等非 线性效应实现多波长光纤激光器的研究报道。 1 2 。4 光纤r a m a n 激光器和光