（光学专业论文）多波长布里渊掺铒光纤激光器的研究.pdf

1 多波长布里渊掺铒光纤激光器的研究 摘 要 利用光纤的布里渊增益和掺铒光纤增益产生的布里渊多波长，不仅 波长间的间隔保持一致，而且单个波长的带宽很小，从而能作为超密集 波分复用的光源。本论文的主要研究对象是多波长布里渊掺铒光纤激光 器。 本文提出了一种新型的基于线性腔的可调谐自激发布里渊掺铒光 纤激光器， 输出了稳定的多波长光梳， 利用 sagnac 环滤波器实现了 45nm 的波长可调范围。利用双向泵浦提高 edfa 的增益，大约 200 个的多波 长能够产生，这是目前在布里渊掺铒激光器中产生多波长个数最多的。 本文还研究了 980nm 泵浦功率对多波长产生的影响以及激光器的稳定 性。 我们还提出了一种新型的基于非线性光纤环镜和非线性放大环镜 的自激发多波长布里渊掺铒光纤激光器， 输出稳定的波长间隔为 0.08nm 的 61 个布里渊斯托克斯线，并且输出光谱平坦，泵浦功率阈值低。我 们首次发现四波混频可以产生高阶斯托克斯和反斯托克斯，从而增多波 长数，降低斯托克斯峰值功率。 关键词：光纤激光器，多波长，布里渊散射，掺铒光纤 2 research on multi-wavelength brillouin erbium fiber laser abstract the multiwavelength befl is the potential source for the ultra-dwdm system because of the generated multiwavelength having the rigid wavelength spacing and narrow linewidth. this thesis focuses on multi-wavelength brillouin erbium fiber lasers. we demonstrated a tunable multiwavelength self-seeded brillouin erbium fiber laser (befl) without externally brillouin pumping. in this scheme, the stable multiwavelength comb can be produced within a 45-nm wavelength tuning range through adjusting the polarization controllers (pcs) in a high-birefringent sagnac loop mirror. the generation of 200-line stokes comb has been achieved by adjusting pcs under bidirectional pumping of two laser diodes, which is the largest wavelength number to the best of our knowledge. the effect of 980 nm pump power on the multiwavelength generation was also investigated. in this paper, we demonstrated a new architecture of self-seeded multi-wavelength brillouin-erbium laser by using nonlinear optical loop mirror and nonlinear amplifying loop mirror (nolm-nalm). a stable 3 operation of 61 brillouin stokes lines with 0.08nm spacing was obtained and the laser exhibited satisfied flatness of the output spectrum with low threshold pump power. it is shown the four-wave-mixing (fwm) contributes to the generation of high-order brillouin stokes and anti-stokes, and consequently results in the increase of stokes number and the reduction of its peak power. key words: fiber laser, multi-wavelength, brillouin scattering, erbium-doped fiber 6 图片目录 图 1 多波长激光器的 wdm 系统.2 图 2 分布式传感器的结构.3 图 3 sbs 的图示.6 图 4 p1.525um 处三种光纤的布里渊谱.9 图 5 光纤布里渊环形激光器示意图.13 图 6 光纤布里渊放大器示意图.14 图 7 铒原子能级跃迁图.17 图 8 前向泵浦式 edfa.20 图 9 反向泵浦式 edfa.20 图 10 双向泵浦式 edfa.20 图 11 长途光通信系统框图.22 图 12 波分复用系统框图.23 图 13 光纤传输 catv 系统框图.23 图 14 环形 mw-befl 的一种基本结构.29 图 15 布里渊增益与 edfa 增益图.31 图 16 另一种环形结构的 mw- befl.31 图 17 两个 befl 相连的结果.32 图 18 双环结构的 mw-befl.33 图 19 线型腔结构的 mw-befl.34 图 20 双向泵浦的 mw-befl.34 图 21 环形腔结构的 mw-edfl 原理图.35 图 22 用 f-p 标准具作梳状滤波器的线形腔结构的 mw-edfl 原理图.36 图 23 环形器功能示意图.43 图 24 (a)端口 1 输入，端口 2 输出，(b)端口 2 输入，端口 3 输出.44 图 25 自激发多波长布里渊掺铒光纤激光器的实验结构图.58 图 26 调整过程中的多波长光梳.60 图 27 布里渊多波长光梳，(a) 200 个布里渊斯托克斯，(b) 峰值功率相差较小 的布里渊光梳.61 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 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：黄优 日期：2008 年 1 月 20 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书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。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：黄优 指导教师签名：詹黎 日期： 2008 年 1 月 20 日 日期：2008 年 1 月 20 日 1 1 绪论 1.1 布里渊掺铒光纤激光器的特点1-4 brillouin/erbium 激光器与 bfl 相比较不需要低损耗的谐振腔通过 edf 的放大 来补偿，并且可以提供多波长输出。与 mw-edfl 相比较可以在室温下得到稳定的 多波长输出，但用作 brillouin 泵浦光源的可调谐 dfb 激光器价格昂贵，使激光器 整体成本居高不下。而采用 m-z 干涉仪和 f-p 标准具的激光器结构简单，实现成 本低， 但工作过程中需要用液氮冷却， 不便于实际应用。 采用双芯掺铒光纤或 mqw 波导可以使激光器在室温下工作，但又带来了生产工艺和成本的问题。所以研制出 成本低廉、结构简单、适于大批量生产的、可在室温下稳定工作的 mw-edfl 是目 前主要的研究方向。 1.2 布里渊掺铒光纤激光器的应用和前景展望 mw-befl 是一种新型的多波长的掺铒光纤激光器，运用实际中的还不多，但 多波长激光器现在有着越来越重要的应用， 可以应用于 wdm 系统和传感元件等等， mw-befl 也可以用于这些方面。 1.1.1 应用于 dwdm 系统5-10 波分复用（wdm）是克服光、电子器件瓶颈，提高光通信容量的有效路径。 波分复用（wdm）技术充分利用单模光纤的宽带低损耗特性，采用多个波长作为 2 信息的载波信道，允许各信道在光纤内同时传输，不仅极大的提高了网络系统的通 信容量，而且信道与波长一一对应，提高了网络系统的灵活性。而密集波分复用系 统（dwdm）有更小的波长间隔，所以在相同的光纤中可以携带更多的信息。因此 密集波分复用系统（dwdm）在新一代光纤高速通信网中必然得到普遍推广。 图 1 多波长激光器的 wdm 系统 最近几年，dwdm 系统已经在高容量、长距离的通信系统中得到了广泛应用。 商用系统中已采用了 16 个波长信道， 并将扩展至更多波长。 如果这些波长都由单独 的激光器提供，要制作并维护这些激光器不仅成本昂贵，也很难保证其输出波长的 稳定性。连续可协调的激光器尽管部分地满足了密集间隔的 dwdm 系统的要求， 但是光源的调谐必须靠机械装置来实现，这就降低了调谐的速度，无法应用于要求 ms 量级的光网络和 wdm 分组交换系统。因此，研究和开发多波长激光光源对于 dwdm 系统的发展有着深远的意义。 1.1.2 在传感领域的应用展望11-12 光纤分布式传感器技术是利用光纤的相关特性对被测场的空间和时间行为进行 实时监测的技术。该项技术对很多大型结构的应力场分布和温度场分布的有效监测 有重要的应用价值，这种结构通常采用的是光纤多波长激光器做光源。 3 图 2 分布式传感器的结构 4 参考文献 1 cowle gj, stepanov dy, chieng yt, brillouin/erbium fiber lasers, journal of lightwave technology, 15 (7): 1198-1204 jul 1997 2 stepanov dy, cowle gj, properties of brillouin/erbium fiber lasers, ieee journal of selected topics in quantum electronics, 3 (4): 1049-1057 aug 1997 3 kim ns, multiwavelength operation of edfa-enhanced brillouin erbium fibre lasers, electronics letters 34 (7): 673-675 apr 2 1998 4 yamashita s, cowle gj, bidirectional 10-ghz optical comb generation with an intracavity fiber dfb pumped brillouin/erbium fiber laser, ieee photonics technology letters 10 (6): 796-798 jun 1998 5 boyd tl, klemer d, leilabady pa, et al. a 1.55-mu m solid-state laser source for dwdm applications, journal of lightwave technology 17 (10): 1904-1908 oct 1999 6 harun sw, san cx, ahmad h, s-band brillouin/erbium fiber laser for dwdm application, journal of nonlinear optical physics 由于同样的理由， 泵浦波和斯托克斯波有相同的光纤损耗， 即 ps = 。 由以上假定， 可以从 srs(受 激拉曼散射)的公式中变形得到： s bpss p bpsp di g i ii dz di g i ii dz = + = (2.6) 在无光纤损耗的情况下（0） ，可以写成 ()0 ps d ii dz = (2.7) 即沿光纤保持一常数。 11 方程（2.6）中假设了反向传输的泵浦和斯托克斯波沿相同方向偏振，并且在光 纤中偏振保持不变这是两光波沿保偏光纤主轴方向偏振的情况。有人曾经证明， 在常规光纤中，泵浦和斯托克斯波之间的相对偏振角随机变化，这时布里渊增益gb 减小为原来的2/324. 若要估算布里渊阈值， 可以忽略泵浦消耗。 将 ( )( )00 e z sp ii = 代入方程 （2.6） ， 并对其在整个光纤长度l上积分，可以发现后向的斯托克斯强度按下面的关系式成 指数上升 ( )( )() 0 0exp/ ssbeffeff iilg p lal= (2.8) 式中， ( ) 0 0 peff pia= ， eff a 为有效纤芯截面，有效作用长度为leff ()1 exp/ eff ll= (2.9) 方程（2.8）表明了一个在zl处入射的反向斯托克斯信号是如何增长的，其 原因是由于sbs而产生的布里渊放大。如果没有馈入这样的信号，那么斯托克斯波 的增长是由光纤中的噪声或者自发布里渊散射发展起来的。sbs等价于在增益完全 等于光纤损耗处，每个模式注入一个虚拟的光子。我们可以得到发生在临界布里渊 泵浦功率pcr处的布里渊阈值7 /21 bcreffeff g p la (2.10) 式中，gb为布里渊增益的峰值。若利用1.55um光通讯系统中的典型值： eff a 50um2， eff l 20km，gb=51011m/w,则由方程 （2.10） 预测的临界功率约为1mw。 由于布里渊阈值如此之低，因而使sbs成为光纤中主要的非线性过程。 12 方程（2.10）预测的布里渊阈值只是一个近似值，而在实际中，很多因素都会 造成有效布里渊增益降低。例如，有人证明当泵浦光完全无规则偏振时，sbs的阈 值增大5024。光纤的非均匀性也能影响光纤中的有效布里渊增益。光纤掺杂浓度 的径向变化会导致该方向上声速的微小变化， 结果sbs的阈值在一定程度上与制造 光纤时光纤的掺杂浓度的变化有关25。与此类似，布里渊频移 b 沿光纤纵向变化 能降低有效布里渊增益，增大sbs的阈值26。因为 b 与光纤芯径有关，故可以用 这些特征人为的抑制sbs27。 2.2.4 sbs的应用 （1）光纤布里渊激光器 把光纤置于谐振腔内，就可以利用光纤的布里渊增益构成光纤布里渊激光器。 这种激光器早在1976年就已经制造， 从此一直是人们研究的课题28-46。 光纤布里渊 激光器由环形腔和f-p腔结构，他们各自由自己的优点。环形腔不需要腔镜，可以 用光纤定向耦合器构成。 cw 运转方式 由于谐振腔提供了反馈， 激光器所需要的阈值功率会下降。 考虑环行腔的结构， 利用边界条件is(l)=ris(0), 阈值条件可以写为 rexp(gbpthleff/aeff l)=1 式中，l是环行腔的长度，r是斯托克斯光强经过每个循环后反馈的百分率， pth是泵浦功率的阈值。下面给出光纤布里渊环形激光器的示意图。由于这种光纤布 里渊激光器的阈值很低，工作波长为632.8nm的hene激光器可以作为其泵浦光 13 源，也可以用半导体激光器来代替hene激光器，构成紧凑的光纤布里渊激光器 34。这些激光器可以用作为感测惯量旋转的高精度激光陀螺仪。 图 5 光纤布里渊环形激光器示意图 f-p腔结构的的光纤布里渊激光器与环形腔结构的激光器相比有不同的特性。 这些差别的原因是， 由于光纤内同时有前向和后向传输的泵浦波和斯托克斯波分量， 当低阶斯托克斯波功率达到布里渊阈值时，泵浦产生了更高一级的斯托克斯分量。 通过级联sbs，产生了更高阶的斯托克斯波。同时，同向传输的泵浦波和斯托克斯 波的四波混沌产生了反斯托克斯分量。 为了避免通过级联sbs产生多条斯托克斯线， 大多数布里渊激光器采用环形腔 的结构。 脉冲运转方式 利用缩模泵浦脉冲序列同步泵浦光纤布里渊激光器可以产生窄斯托克斯脉冲 40。基本思想是：调整环形腔的长度，使其循环一周的时间与泵浦脉冲的间隔精确 相等。由于每隔泵浦波很窄，不能有效的激发声波，可是如果在声波消失之前下一 个泵浦脉冲到达，多个泵浦脉冲的积累效应就可以使声波振幅很大。当声波建立过 程完成以后，随着每个泵浦脉冲的通过，瞬态sbs将产生一个窄的斯托克斯脉冲。 14 如，用锁模nd：yag激光器产生的300ps的脉冲泵浦一环形将光纤布里渊激光器， 以产生脉宽约为200ps的斯托克斯脉冲。 （2）光纤布里渊放大器 光纤的布里渊增益可以用来放大频率偏离泵浦波长等于布里渊频移vb的弱信 号，人们在20世纪90年代就对这种放大器进行了研究47-49。 如果一个半导体激光器工作在单纵模状态， 且其谱宽远小于布里渊增益的线宽， 那么它可以作为光纤布里渊放大器的泵浦源。分布反馈或外腔半导体激光器60最适 宜泵浦光纤布里渊放大器。下图所示为试验装置示意图，在这个试验中，泵浦光经 3db的耦合器进入37.5km长的光纤， 在光纤的另一端入射弱信号探测光 （约10uw） ， 为使布里渊增益达到最大，其波长在布里渊频移附近可调，测得的峰值增益随着泵 浦呈指数规律变化， 与理论一致。 由于试验所用的光纤较长， 当泵浦功率仅为3.7mw 时，放大器增益约为16db。 图 6 光纤布里渊放大器示意图 当泵浦功率低于10mw时，光纤布里渊激光器就能提供30db的增益。由于 15 vb3 5d b e.增益平坦度 : 1 d b f.噪声指数 : 5d b g.光纤连接器型式 :fc/ apc h.反射损耗 :50 d b i.光输入 /输出隔离度 :40 d b j.偏振极化灵敏度 : 0 . 2 d b k.偏振模色散 : 2 ps l.工作温度范围 :0 50c 2.3.4 edfa的基本结构 edfa的内部按泵浦方式分为三种最基本的结构,即同向泵浦、反向泵浦和双向 20 泵浦。 (1)同向泵浦：这是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的 结构(见图8),也称为前向泵浦。 图 8 前向泵浦式 edfa (2)反向泵浦：这是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入掺铒光纤系统的 结构(见图9),也称为后向泵浦。 图 9 反向泵浦式 edfa (3)双向泵浦：它是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种结构(见图10) 图 10 双向泵浦式 edfa 21 (4)三种泵浦方式的性能比较 首先，从信号输出功率与泵浦光功率的关系来看，也就是考虑泵浦效率，同向 泵浦效率最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3db5db。这是因为在输出端 的泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。而双向泵浦又比后向泵浦输出信号提高 约3db，这是因为双向泵浦的泵功率也提高了3db。其次，从噪声特性来看，由于 输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因此在未饱和区，同向泵浦式edfa的噪 声系数最小，但在饱和区，情况将发生变化。不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦 的噪声系数均较小。最后，考虑三种泵浦方式的饱和输出特性。同向edfa的饱和 输出最小。 双向泵浦edfa的输出功率最大， 并且放大器性能与输出信号方向无关， 但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。 2.3.5 edfa的分类 1 )功率放大器 在系统中用来提高光发射机输出光功率，应工作在深饱和工作区 (小信号增益 压缩 2 0 40 d b)，要求 edfa在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能 高的输出光功率。 2 )前置放大器 位于传输系统的接收端，用来提高光接收机的灵敏度，故工作于小信号 (或线 性 )工作状态 (信号输入功率约 -40 d bm)，要求 edfa的增益要足够高，噪声系 数则越低越好。 3 )线路放大器 22 用作长距离传输系统中的中继放大，通常工作在近饱和工作区 (信号输入功率 - 2 0 d bm)，要求 edfa同时具有较高的增益和输出光功率，以补偿传输损耗，还 应实现对其工作状态的实时监测。 对于用在多路传输系统中的 edfa,还应具有足够 的增益谱宽，并保持级连放大的增益均衡。 2.3.6 光纤放大器的应用 1 )大容量高速光通信系统 弥补由于高速系统 (如 2 . 4gb/ s)接收机灵敏度不高，无中继传输距离不够远 的缺陷。 2 )长距离光通信系统 可增大中继间距， 减少再生中继器的数目，使建设成本大幅度降低，用于陆上 干线光传输系统与海底光缆传输系统。如图11所示。 3 )光纤用户接入网系统 :当用户系统距离过长时，光纤放大器起中继作用。光纤放大器可用来补偿功率 分配所造成的光损耗，大大提高了用户数。 图 11 长途光通信系统框图 4)波分复用系统 23 图 12 波分复用系统框图 波分复用加光纤放大器既解决了插入损耗问题，又可以减少色散的影响。 5)光纤 catv系统 用来提高光发射机的输出光功率。在分配前用光放大器可补偿光功率分配器插 入损耗，大大提高分配网规模和用户数量。 图 13 光纤传输 catv 系统框图 6 )全光通信系统 波分复用和光纤放大器结合可实现无上下光路的全光通信网络，使网络规模扩 大。实现了1310nm和1550nm光传输系统波分复用。原有的1310nm光传输系统不 要动，只加一套1550nm的光设备和波分复用器及其他元件即可。这样扩大容量和 信息通道，为“信息高速公路”作出新的贡献。 24 参考文献 1（美）阿戈沃（agrawal, g. p.）著；贾东方，余震虹，谈斌等译，非线性光 纤光学原理及应用，北京兴华印刷厂，2003年6月，223-243 2 e. garmire and c. h. townes, appl. phys. lett. 5, 84 (1964) 3 n. m. kroll, j. appl. phys. 36, 34 (1965) 4 c. l. tang, j. appl. phys. 37, 2945 (1966) 5 w. kaiser and m. maier, in laser handbook, vol. 2, f. t. arecchi and e. o. schulz-dubois, eds. 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(chapman 还有一 33 部分能量在这个环路的末端， 也就是 c1的位置处成为另一个环路brillouin泵浦光， 在 smf中产生顺时针的 stokes信号。同样，这个新信号的一部分能量经放大后成 为新波长的激光输出 (cw方向 ),另一部分能量在顺时针环的末端，即 c2的位置 处又成为逆时针环的新brillouin泵浦光，这样周而复始下去就能在两根光纤的 尾端分别输出多波长的激光。在同一方向输出的两个相邻波长间的频率差为两个声 学支声子的频率，而不同方向输出的两个相邻波长间的频率差为一个声学支声子的 频率。 图 18 双环结构的 mw-befl 3.2.3 线形腔结构19-31 如图19所示是一种线形腔结构的 brillouin/ erbium mw-edfl,虚框内是一个 sagnac环镜，通过调节偏振控制器 (pc)的状态，可以只使生成的 stokes信号进入 edf放大后形成激光输出，而外界的 bri-llouin泵浦光则不能进入 edf。sagnac 环镜允许沿两个相对方向传输的泵浦光和由泵浦光引起的stokes信号同时存在，这 两个频率的光会在环镜中产生四波混频 (fwm)效应且又产生新的 stokes信号和反 stokes信号。例如一个频率为 p 的泵浦光产生一个频率为 s 的 stokes信号， 34 且 s=p-b(b为一个声学支声子的频率 )这两个信号通过fwm作用生 成一个频率与反 stokes信号频率相同的信号as=p+p-s=p+b。这些 信号再通过brillouin泵浦作用和 fwm作用产生高阶的 st