（光学专业论文）多波长掺铒光纤激光器研究.pdf

摘要 摘要 随着人类社会步入信息化时代，对通信的需求呈现飞速增长的趋势，波分 复用( w d m ) 通信技术应运而生。目前，w d m 系统的发展呈现出以下两大趋 势：一方面，w d m 正在由点到点传输系统向w d m 全光网发展。光分插复用 器( o a d m ) 能够在光域上实现信号的上下载，克服了传统技术的电子瓶颈， 是实现w d m 全光网的关键技术。另一方面，w d m 通信系统正朝着信道数目 越来越多的方向发展。为了降低成本，以多波长激光器作为通信系统光源成为 必由之路。在各类多波长激光器中，多波长掺铒光纤激光器( m w e d f l ) 以 其众多优点成为了研究热点。 本论文的选题来源于国家9 7 3 项目 “基于微结构光纤的光电子功能器件的 创新与基础研究 ( 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 6 ) 和天津市自然科学基金项目“新型多功能集 成光子晶体光纤r a m a n 放大器 ( 0 6 y f j z j c 0 0 3 0 0 ) 等项目，主要以多波长掺铒光 纤激光器为研究对象，进行了相关的理论和实验研究。完成的主要创新性工作 如下： 1 阐述了线形腔光纤激光器和环形腔光纤激光器的基本理论和多波长掺铒光 纤激光器稳定振荡的条件，总结了几种实现多波长掺铒光纤激光器的稳定振 荡的方法。 2 对保偏光纤光栅的光谱特性进行分析的基础上，通过在掺铒光纤环形激光腔 中引入偏振烧孔和频谱烧孔效应，利用一个双折射布拉格光纤光栅，在室温 下得到了波长间隔小于0 1 n m 、工作稳定的两波长和三波长的可开关掺铒光 纤激光输出。通过调节激光腔中的偏振控制器，得到了最小间隔为0 0 3 2 r m 的两波长激光输出，其最大功率波动小于0 5 d b 。 3对取样光纤光栅的光谱特性和非线性光纤环镜的工作原理进行分析的基础 上，提出利用高双折射取样光纤光栅作为波长选择元件，由高非线性光子晶 体光纤组成的非线性光纤环镜作为稳频机制的可开关多波长掺铒光纤激光 器。实现了波长间隔0 4 n m 和0 8 r i m 2 _ _ 间可开关的多波长激光输出，各激射波 长处的最大功率波动小于0 2 d b 。 4提出利用高双折射光子晶体光纤组成的光纤环镜作为波长选择器件，非线性 摘要 光纤环镜作为稳频元件的可调谐多波长掺铒光纤激光器。实现了室温稳定、 0 0 7 8 n m 波长间隔，3 d b 带宽内6 0 个波长的同时激光振荡，各激射波长处的最 大功率波动小于0 2 d b ，并且通过调整腔内的偏振控制器，可以实现波长位 置的调谐。 5 利用单个普通的b r a g g 光纤光栅，通过将其一部分帖置于等强度梁上并施加 应力的方法，得到了窄线宽多透射峰的光纤滤波器，并将这一滤波器应用于 环形腔掺铒光纤激光器中，实现了室温稳定的窄线宽两波长和三波长的掺铒 光纤激光输出，其波长间隔为0 0 9 4 r i m ，激射波长处的最大功率波动小于 o 2 d b 。 关键词：掺铒光纤激光器，光纤光栅， 多波长，光子晶体光纤，光纤环镜，偏 振控制器，偏振烧孔 a b s t r a c t ab s t r a c t w i t ht h ea d v e n t o fi n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o n c a p a c i t y c a u s e s e r a , h u m a ns o c i e t y si n c r e a s i n gd e m a n df o r t h ei n t r o d u c t i o no f w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) i np r e s e n t , w d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i s d e v e l o p i n g t o w a r d st w od i r e c t i o n s o nt h eo n eh a n d , w d ms y s t e mi s t r a n s f o r m i n gf r o mt h e p o i n tt op o i n ts y s t e mt oa l lo p t i c a ln e t w o r k s o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) ， w h i c hh a sac a p a c i t yo fa d d d r o ps i g n a l si nt h eo p t i c a lf o r m a t i o na n dt h e na v o i d st h e d r a w b a c ko fe l e c t r o n i cb o t t l e n e c kd e m o n s t r a t e di nt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y ，b e c o m e s t h ep i v o tt or e a l i z ea l lo p t i c a lw d mn e t w o r k s o nt h eo t h e rh a n d ，t h en u m b e ro f s i g n a lc h a n n e l sk e e p si n c r e a s i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fw d mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m d u e t ot h e i re c o n o m i cc o s t ，i ti sa n i n d i s p e n s a b l ew a yt o u t i l i z e m u l t i w a v e l e n g t hl a s e r sa ss i g n a le m i t t e r si nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m u l t i w a v e l e n g t h e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r s ( m w e d f l s ) b e c o m et h er e s e a r c h f o c u sf o rt h e i r a t t r a c t i n gm e r i t s t h ew o r ki s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a lk e yb a s i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a m m eo fc h i n au n d e rg r a n tn o 2 0 0 3 c b 3 14 9 0 6 “i n n o v a t i v ea n db a s i c i n v e s t i g a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c eb a s e do np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s a n dt h e t i a n j i nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nu n d e rg r a n tn o 0 6 y f j z j c 0 0 3 0 0 “i n v e s t i g a t i o n o fn o v e lm u l t i f u n c t i o n - i n t e g r a t e dp h o t o n i c c r y s t a lf i b e rr a m a na m p l i f i e r t h i s d i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e so nt h es t u d yo fm u l t i w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r s ， a n dt h em a j o ri n n o v a t i v ew o r ki n c l u d e st h ed e t a i ld e s c r i p t i o n so nt h ef o l l o w i n g s u b j e c t s ： 1 t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fb o t ht h el i n e a rc a v i t yf i b e rl a s e r sa n dt h er i n g c a v i t yf i b e rl a s e r sa n dt h es t a b i l i t yc r i t e r i o nf o rm u l t i w a v e l e n g t ho s c i l l a t i o n s a r ei n t r o d u c e d s e v e r a lk i n d so ft e c h n i q u e st oa c h i e v em u l i t w a v e l e n g t h o s c i l l a t i n ga r es u m m a r i z e d 2 t h es p e c t r ac h a r a c t e r i s t i co ft h ep o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b e rg r a t i n gi s a n a l y z e d 、历t l lc o u p l e d m o d et h e o r y w ep r o p o s e dt h es w i t c h a b l ed u a l a n d i i i a b s t r a c t t r i p l e w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rl a s e rw i t han a r r o ww a v e l e n g t hs p a c i n g o f 0 1n mv i a u s i n g a s i n g l e f i b e r b r a g gg r a t i n g sw r i t t e n i n p o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n g ( p m ) f i b e r b ya d ju s t i n gp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ，t h e w a v e l e n g t hs p a c i n go fd u a l - w a v e l e n g t hl a s i n go s c i l l a t i o n sc a nb et u n e dt oa s s m a l la s0 0 3 2h i l l t h em a x i m u ma m p l i t u d ev a r i a t i o nf o r e v e r yl a s i n g w a v e l e n g t hi sl e s st h a n0 5d b t h er o o m t e m p e r a t u r eo p e r a t i o np r i n c i p l ei s b a s e do nt h ep o l a r i z a t i o nh o l e b u r n i n ga n ds p e c t r a lh o l eb u r n i n gi n a n o r d i n a r ye r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e r ( e d f r l ) 3 t h ep r i n c i p l e so fs a m p l e df i b e rg r a t i n ga n dn o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o ra r e a n a l y z e d w ep r o p o s e a n dd e m o n s t r a t eas t a b l e r o o m t e m p e r a t u r e c h a n n e l s p a c i n ga n dw a v e l e n g t ht u n a b l em u l t i w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e r ( e d f ) l a s e ru s i n gas a m p l e dh i - b if i b e rg r a t i n ga n dap h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) l o o pm i r r o r b ya d j u s t i n gt h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ，w ec a na c h i e v e 0 4a ma n d0 8n l nc h a n n e l - s p a c i n go ft h em u l t i w a v e l e n g t he d fl a s e r t h e m e a s u r e dp o w e rf l u c t u a t i o no fe a c hw a v e l e n g t hi sl e s st h a n0 2d b 4 w ep r o p o s ea n dd e m o n s t r a t eat u n a b l em u l t i w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e df i b e r l a s e rb a s e do nap o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p m p c f ) s a g n a cl o o pf i l t e r s t a b l e ，r o o m - t e m p e r a t u r eo p e r a t i o n i so b t a i n e d b y e m p l o y i n gan o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r a tac e n t r a lw a v e l e n g t ho f 15 6 3 0 0 0n m ，w eg e n e r a t e6 0w a v e l e n g t h so s c i l l a t i o nw i t h i n3 一d bb a n d w i d t h t h em e a s u r e dp o w e rf l u c t u a t i o nf o re a c hl a s i n gw a v e l e n g t hi sl e s st h a n0 2 d bi nh a l fa l lh o u r f u r t h e r m o r e ，b ya d j u s t i n gt h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r si n t h es a g n a cf i l t e r , w a v e l e n g t hl o c a t i o n so ft h el a s e rl i n e sw i t haf i x e dc h a n n e l s p a c i n go f - 0 0 7 8 n mc a nb ec o n t i n u o u s l ys h i f t e d 5 as i m p l et e c h n i q u ef o r g e n e r a t i n gm u l t i - t r a n s m i s s i o n - b a n df i b e rb r a g g g r a t i n gf i l t e ri sp r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d v i aa t t a c h i n gh a l fo fau n i f o r m f i b e rb r a g gg r a t i n gt ot h ec e n t r a lp o r t i o no fat r i a n g l ec a n t i l e v e rb e a m ，a m u l t i - t r a n s m i s s i o n - - b a n df i b e rf i l t e rc a nb ea c h i e v e db ya p p l y i n gd i s p l a c e m e n t o nt h ef r e ee n do ft h eb e a m d u a l - a n dt r i p l e - w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e df i b e r l a s e rw i t ht h ew a v e l e n g t hs p a c i n ga ss m a l la s0 0 9 4n n la tr o o mt e m p e r a t u r e a r ee x p e r i m e n t a l l ya c h i e v e db ye m p l o y i n gt h ef i l t e ra n dan o n l i n e a ro p t i c a l i v a b s t r a c t l o o pm i r r o r t h em e a s u r e dp o w e rf l u c t u a t i o nf o re a c hl a s i n gw a v e l e n g t hi s l e s st h a n0 2d bi nh a i fa nh o u r k e y w o r d s ：e r b i u m d o p e df i b e rl a s e r ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，m u l t i w a v e l e n g t h , p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，f i b e rl o o pm i r r o r ，p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ， p o l a r i z a t i o nh o l eb u r n i n g v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：壶t l 冽 矿矿年歹月刁日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：1 号利 抛衫年月刁日 第一章绪论 第一章绪论 第一节光通信的发展 光纤通信是以现代物理学中的激光技术、半导体技术、光学元器件等为基 础，结合其他众多学科形成的一种通信方式。光纤通信系统与电缆相比具有传 输容量大、传输距离长、不受电磁场干扰、保密性好及使用轻便等优点。2 0 世 纪9 0 年代后，光纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术新概念不断出 现的领域。光时分复用( o t d m ) 、光波分复用( o w d m ) 、光孤子传输，特 别是为密集波分复用( d w d m ) 提供支持的e d f a 和光无源器件迅速实用化， 为高速率、大容量信息的长距离传输提供了易于实现的方式，也为以波长选路 为基础的全光通信网的发展提供了可能【l j 。 人类很早就认识到用光可以传递信息。两千多年前在我国就有了用光传递 远距离信息的设施烽火台；十八世纪末期西方出现了用灯光闪烁、旗语等 传递信息的方法。尽管如此，直到1 9 6 0 年t h m a i n m a n 发明了红宝石激光器1 2 j 才奠定了光波在现代通信上的坚实基础。在6 0 至7 0 年代，“激光通信曾一 度是通信专家与工程师们研究的热点。但是很快发现，利用光在自由空间进行 通信存在两大问题。一是由于气象因素的影响，近地面大气光信道极不稳定， 难于实现“全天候通信。二是光波波束宽度极窄，这一点虽然曾被认为可以 带来“保密这一优点，但是在离开大气层的空间( 星际) 或近地面大气中完 成光收发的对准( “对光 ) 与跟踪却十分困难。正在这时，1 9 6 6 年英国标准 电信研究所的英藉华人高锟( k c k a o ) 博士和g a h o c k h a m 等人提出了利 用低光学损耗玻璃纤维作为光传输介质实现光通信的方案【3 j ，论文分析了玻璃纤 维损耗大的主要原因并大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质浓度，就 有可能使光纤的损耗降低到2 0 d b k m 。这篇论文的发表掀起了低损耗光纤研究的 热潮。1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司首先制造出了损耗为2 0 d b k m 的光纠4 。，同年 与光纤配套的室温下连续工作的半导体激光器也由贝尔实验室制造出来了。这 样便开创了光通信的一个新时代一光纤通信时代。 在此后的几十年的时间里，光纤通信技术被广泛研究并得到了长足的发展。 第一章绪论 光纤通信以其巨大的宽带潜力和无与伦比的传输性能，成为人类社会通信的主 要方式。无论什么时候一种新技术的兴起与发展，总是离不开技术原动力的推 动和市场需求。随着人类社会步入信息化时代，对通信的需求呈现加速增长的 趋势。人们希望能够实现无论何时、无论何地、无论通过何种方式都能够方便 的获取需要的信息。人类对信息的渴求成倍的增长使得光纤通信面临了新的挑 战与机遇。 当前，人类社会对于信息的需求，使很多现存光纤设计容量已经耗尽，因 此建设新网络，采用新技术扩展现存光纤通信网的容量成为了光纤通信的迫切 任务。近年来，为了提高通信系统的容量，人们一直致力于各种复用通信方式。 光纤通信复用方式通常可以分为光波分复用与光信号复用。光波分复用技术又 分为波分复用( w d m ) 和空分复用( s d m ) 以及偏振复用；光信号复用又分为 时分复用( t d m ) 和频分复用( f d m ) 。有人把频分复用归到波分复用里，也 有人把空分复用理解为一种技术上最简单的扩容手段，即通过增加光缆的光纤 芯数和相应增加传输设备来增加传输的总容量，但严格地说，空分复用是同一 根光纤芯中的空间分割，现仅用于长距离通信。由于偏振复用技术要求复杂， 特别是对传输介质有特殊的要求，所以至今仍局限在实验室里。真正商用的复 用方式只有光波分复用和光时分复用。 第二节w d m 与o t d m 1 2 。1 波分复用( w d m ) 技术 光波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号( 携带有各种类型的信 息) ，在发送端经复用器( 亦称合波器，m u l t i p l e x e r ) 把这些光载波信号汇合在 一起，并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输：在接收端经分波器( 亦称解 复用器，d e m u l t i p l e x e r ) 将各种波长的光载波进行分离，然后由光接收机相应的 进一步处理恢复信号，这种复用方式称为波分复用。可以是单向传输，也可以 是双向传输1 5j 。其基本原理如图1 1 所示。 2 第一章绪论 图1 1w d m 原理图 w d m 技术具有以下主要特点： ( 1 ) 超大容量传输。 由于w d m 系统的复用光通路速率可以为2 5 g b i t s 、1 0 g b i t s 等，而复用 通路的数量可以是4 、8 、1 6 、3 2 ，甚至更多，因此系统的传输容量可以达到 3 0 0 4 0 0 g b i f f s ，甚至更大。 ( 2 ) 节约光纤的资源。 对于单波长系统而言，1 个s d h 系统就需要一对光纤；而对于w d m 系统 来讲，不管由多少个s d h 分系统，整个复用系统只需要一对光纤。例如，对于 1 6 个2 5 g b i t s 系统来说，单波长系统需要3 2 根光纤，而w d m 系统仅需要两 根光纤。 ( 3 ) 各信道透明传输，平滑升级、扩容。 只要增加复用信道数量与设备就可以增加系统的传输容量以实现扩容， w d m 系统的各复用信道是彼此相互独立的，所以各信道可以分别透明的传送不 同的业务喜好，如语言、数据合图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极 大的便利。 ( 4 ) 利用e d f a 实现超长距离传输。 e d f a 具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，且其光放大范围为1 5 3 0 1 5 6 5 n m ， 但其增益曲线比较平坦的部分是1 5 4 0 1 5 6 0 n m ，它几乎可以覆盖w d m 系统的 1 5 5 0 r i m 的工作波长范围。所以用一个带宽很宽的e d f a 就可以对w d m 系统的 各复用光通路信号同时进行放大，以实现系统的超长距离传输，并避免了每个 光传输系统都需要一个光放大器的情况。w d m 系统的超长距离光束可达数百公 里同时节省大量中继设备、降低成本。 3 第一章绪论 ( 5 ) 高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 利用w d m 技术组网，以波长来选择路由，可实现网络的动态重构和故障 的自愈、恢复，从而构成未来透明的、具有高度灵活性和生存性的光网络。 w d m 通信的关键技术包括：波长可调谐及多波长光源技术；掺铒光纤放大 器技术；光纤传输技术等等。 1 2 2 光时分复用( o t d m ) 技术 光时分复用( o t d m ) 是一种利用时隙传送信息的技术，其传输原理如图 1 2 所示。在发送端，超短脉冲光源( p u l s es o u r c e ) 每发送一个脉冲就对应产生 一个时隙，每个时隙经过n 个不同的路径，也就是经过距离不同的光纤延时线 后依次输出，精确控制光纤延时线的长度便可得到n 个相等的时隙组成的一帧， 如此循环下去，就使得许多相同的帧传输下去，这一过程被称为复用过程，事 实上就是一个并行转换成串行的过程。在传输过程中由于各种损耗需要用掺铒 光纤放大器( e d f a ) 来补充损失的功率。帧信息流到达接收端后，经过与复用 过程相反的解复用过程，将不同的时隙分配给指定的用户，这又是一个将串行 转换成并行的过程。整个传输过程中需要保持时钟同步使发送端和接收端的时 隙准确一一对应。目前，电时分复用技术( e t d m ) 已经非常成熟了，也为人们 所熟知。o t d m 的结构与e t d m 类似，所不同的是，e t d m 的复用和解复用是 在电域内进行，o t d m 的复用和解复用都是在光域内完成，从而克服了e t d m 存在的“电子瓶颈 问题。与w d m 系统不同的是，在o t d m 中，采用单一光 波长传输。 o t d m 技术并不是仅仅用来提高光纤的传输容量，它们更广泛的应用前景 是作为网络技术用来组建“全光网”。所谓“全光网”，即数据从源节点到目 的节点的传输过程以及信号在网络中的处理( 包括交换和路由选取) 始终在光 域内进行，这样就避免了在所经过的各个节点上的光电和电光转换时受到的 “电子瓶颈”的限制，极大地提高了网络的容量和吞吐量。同时，由于信息在 传送过程中始终保持光信号的形式，因此全光网具有极强的抗电磁干扰性能， 在强电磁环境中的生存性得到极大提高，这是全光网的另一个技术优势。 o t d m 全光网可提供比传统网络高得多的速率，一般可支持单信道大于 1 0 0 g b i t s 的网络传输速率，并且网络容量以每1 0 年增长1 0 倍的速度继续增长 4 第一章绪论 【6 8 】。因此o t d m 全光网为带宽容量的进一步升级提供了又一种技术选择，可望 在网络多媒体、虚拟现实技术、以及超级计算机互联等领域内获得广泛应用， 具有巨大的应用前景。 时分复用的关键技术包括：高重复速率超短光脉冲源；超短光脉冲传输技 术；时钟提取技术；光时分解复用技术；全光中继再生技术等等。 。一o o o - i ： i 回 图1 2o ) m 原理图 第三节多波长光纤激光器的研究进展 为了进一步提高通信容量，现代光纤w d m 通信系统正朝着信道数越来越 多的方向发展。最直接的解决方法就是采用多个单波长激光器。但如果单纯地 增加光源数量，势必会增加成本，因此性能稳定的多波长激光器更为人们看好。 多波长激光器可以同时为多个信道提供所需光源，使光发射端的设计更为紧凑、 经济，因而在密集波分复用系统中有很重要的用途。同时，性能优良的多波长 光源在激光测距、光谱分析和分布光纤传感等领域中也有极大的应用价值。所 以，多波长激光器的研制无疑具有重要的意义。 目前多波长激光器多采用多路光栅半导体激光器或半导体激光器阵列来实 现，但普遍认为其工艺复杂，价格昂贵。掺稀土元素光纤的出现，利用其作为 增益介质制成的光纤激光器，给激光器领域注入了新的活力。经过多年的发展， 光纤激光器正日趋成熟，并具有以下优越性： 5 一 第一章绪论 光纤激光器具有波导式结构，其耦合效率高，纤芯直径小，可以在光纤纤 芯中产生高的功率密度，使得激光效率大幅度提高。 光纤激光器基质是s i 0 2 ，具有极好的温度稳定性；而光纤结构具有较高的 表面积一体积比，所以其散热效果很好。 由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外形紧凑体 积小，易于系统集成，性能价格比高。 光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性，易于进行光纤集成， 与通信线路耦合损耗低，使用方便可靠。 因此，光纤激光器的出现，为w d m 系统提供了一种重要意义的新光源。 多波长掺铒光纤激光器的实现形式多种多样，很大一类是直接利用掺铒光 纤的增益特性，在谐振腔内插入梳状滤波器，获得多波长激光输出。基于光纤 光栅的s a g n a c 干涉仪、取样光纤b r a g g 光栅和f a b r y p e r o t 标准具，以及光纤 m a c h z e h n d e r 干涉仪都可以用作梳状滤波器。19 9 6 年j o n gc h o w 等人在环形腔 光纤激光器中用取样b r a g g 光栅实现了间隔1 8 n m 的5 波长激光输出；他们还 用两个完全相同的光纤啁啾光栅制成宽带透射f a b r y p e r o t 滤波器，实现了间隔 0 6 5 n m 的1 1 波长激光输出【9 】。1 9 9 6 年y a m a s h i t as 等人用腔内f a b r y p e r o t 标 准具制成了1 7 波长激光器，波长间隔为o 8 n m ，腔内插入偏振器和法拉第旋光 器以消除由于标准具的反射而在腔内形成的干扰l l0 。1 9 9 9 年h l a n 等人利用 双通的m a c h z e h n d e r 干涉仪实现了9 波长，间隔为1 6 n m 的激光输出，在 m a e h z e h n d e r 干涉仪的一个干涉臂上施加应力改变干涉的臂长差，还实现了激 光的输出间隔的调谐【l 。2 0 0 0 年x u n w e ns h u 等人将一个b r a g g 光纤光栅非对 称的置于光纤s a g n a c 环形镜中得到了一种结构简单的梳状滤波器，由其构成的 光纤激光器实现了3 波长激光输出【l 引。 但以上方法所面临的最大问题是掺铒光纤的均匀展宽。在常温下，掺铒光 纤的均匀展宽线宽为1 1 5 n m 1 3 】。理论研究表明，当多波长激光器的输出波长间 隔小于掺铒光纤的均匀展宽线宽时，不可避免地存在着一个严重的问题：当两 个以上波长的光同时起振时，存在模式竞争和模式跳变，从而导致激光器的输 出频率特性十分复杂，输出功率也很不稳定。要提高多波长光纤激光器的工作 性能，使得多个波长的光波能较为稳定地同时振荡，就需要设法削弱均匀展宽 效应，减小谱线的均匀展宽宽度。对于铒光纤来说，自然展宽引起的均匀展宽 很小，而晶格热振动是引起均匀展宽的主要因素，这种展宽的机理是：由于晶 6 第一章绪论 格原子的热振动，发光离子处于随时间周期变化的晶格场中，因而导致它的能 级位置也在一个范围内变化，从而引起谱线展宽。由此可见，由晶格热振动引 起的均匀展宽是与温度条件密切相关的。实验证明将铒光纤浸在液氮池中，采 用低温冷却的方法，可以得到较好的结果。所以以上方法均是用温度为7 7 k 的 液氮对掺铒光纤进行冷却来获得多波长激光的稳定，这给实用带来诸多不便。 为了实现常温下的多波长输出，人们设法引入各种效应以削弱掺铒光纤的 均匀展宽。2 0 0 0 年a b e l l e m a r e 等人在上述提到的环形腔多波长激光器中引入 移频器，由于反馈的光强经过腔内循环一周后被移动到了相邻的频率上去，不 会造成一个波长上的连续增益放大直到饱和，掺铒光纤的均匀展宽被极大地抑 制1 1 4 j 。此后，2 0 0 3 年k e j i a n gz h o u 等人利用正弦相位调制器取代移频器在环形 腔内的位置，根据傅立叶展开可知，对光强的相位调制同样可使得光场的频率 发生移动，因而同样实现了多波长激光输出i i5 1 。另一种抑制掺铒光纤均匀展宽 的方法是用双芯掺铒光纤( 两芯间距4 5l am ) 制成环形腔激光器。双芯掺铒光 纤由相互平行、间距很小的两根纤芯组成。由于不同波长的光在两芯中的耦合 周期不同，它们的强度分布也不一样，所以双芯掺铒光纤是非均匀展宽介质。 设定纤芯的参数和光纤长度，在腔内可以有多个波长的激光同时振荡。1 9 9 6 年 o g r a y d o n 等人在室温下得到了3 波长激光的输出，波长间隔为0 5 衄【l6 | 。除 双芯掺铒光纤以外，2 0 0 2 年g d a s 等人用椭圆掺铒光纤作为增益介质，利用它 的增益各向异性的特性，实现了4 波长激光的常温稳定运转【1 7 】。此外，利用烧 孔效应来削弱不同波长的光对反转粒子数的竞争，也可以实现多波长稳定输出。 2 0 0 0 年孙军强等人利用多量子阱波导在谐振腔中产生的偏振烧孔效应，在室温 下获得了间隔为0 9 n m 的1 1 个波长输出【l 引。2 0 0 2 年赵春柳等人利用由多模光 纤两端接续单模光纤组成的空间模式拍频滤波器同样实现了多波长激光输出 【1 9 】 o 近年来非线性效应被广泛应用于多波长光纤激光器中，其利用普通单模光 纤，色散位移光纤或光子晶体光纤中的布里渊散射( s b s ) ，四波混频( f w m ) 或拉曼散射等非线性效应来抑制掺铒光纤的均匀展宽得到稳定的多波长输出。 2 0 0 5 年xl i u 等人利用高非线性光子晶体光纤得到了稳定的间隔为3 2 7 n m 的双 波长激光输出并观察到了明显的四波混频现象【2 0 1 。而利用光纤中布里渊散射得 到多波长输出是利用s b s 提供窄带宽增益，使b r i l l o u i n 散射波与泵浦波之间存 在由光纤中声速决定的精确的频移量，在1 5p1 1 1 波段，其频移量为1 0 g h z ，相 7 第一章绪论 当于0 0 8 n m 。而e d f 提供线性增益来补偿谐振腔的损耗，对b r i l l o u i n 信号进 行放大，以提高多波长信号的输出功率。2 0 0 5 年y j s o n g 等人利用b r i l l o u i n 和掺铒光纤共同增益的方法得到了稳定的多波长激光输出1 2 。应用光纤中的拉 曼效应也可以得到稳定的多波长激光输出，特别是近年来光子晶体光纤的广泛 应用，其高非线性的特性，多样的光纤结构为拉曼光纤激光器的研究提供了广 阔的空间。2 0 0 3 年y g h a n 等利用级联的长周期光纤光栅实现了多波长拉曼激 光器1 2 2 1 。最近，x h f e n g 等人首次报道了利用非线性光纤环镜得到稳定的多波 长光纤激光器，为我们研制多波长光纤激光器提供了新的方法和途径【2 引。 第四节本论文研究内容 本论文的研究工作在国家9 7 3 项目“基于微结构光纤的光电子功能器件的 创新与基础研究( 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 6 ) ”和天津市自然科学基金项目“新型多功能集成 光子晶体光纤r a m a n 放大器( 0 6 y f j z j c 0 0 3 0 0 ) ”资助和支持下，主要对多波长光 纤激光器进行了理论和实验的研究。完成的主要工作包括： 1 介绍了线形腔光纤激光器和环形腔光纤激光器的基本理论以及多波长激 光稳定振荡的条件，并总结了几种在掺铒光纤中实现稳定的多波长激光的方法。 2 利用耦合模理论分别对光纤b r a g g 光栅，双折射光纤布喇格光栅和双折 射取样光纤光栅的光谱特性进行了分析。 3 对多波长掺铒光纤激光器进行了实验研究。分别提出四种方案并成功实 现了常温下稳定激光输出的结构新颖、简单实用的多波长掺铒光纤激光器： ( 1 ) 基于掺铒光纤中的偏振烧孔和频谱烧孔效应，利用一个双折射布拉格光 纤光栅，在室温下，我们实现了三波长激光输出。并且通过调节激光腔中的偏 振控制器得到了波长间隔为0 0 3 2 n m 的窄线宽两波长稳定输出。 ( 2 ) 利用双折射取样光纤光栅作为选频元件，通过非线性偏转效应抑制由掺 铒光纤均匀展宽引起的模式竞争，实现了室温下稳定的波长间隔可调谐多波长 掺铒光纤激光器。可以通过调节激光腔中的偏振控制器实现波长间隔在0 4 n m 和0 8 n m 之间的变换。 ( 3 ) 利用高双折射光子晶体光纤的高双折射和对环境温度不敏感的特性，制 作双折射环镜做为选频器件，在室温条件下得到了稳定的6 0 个波长的掺铒光纤 激光输出。此外，通过调节环镜内的偏振控制器实现了多波长的连续调节。 8 第一章绪论 ( 4 ) 通过将普通b r a g g 光纤光栅的一部分帖置于三角梁上，并对其施加应力 的方法，得到了窄线宽光纤滤波器。应用非线性光纤环镜得到了稳定的两波长 和三波长掺铒光纤激光器，其波长间隔为0 0 9 4 n m 。 9 第二章多波长光纤激光器的基本理论 第二章多波长光纤激光器的基本理论 光纤激光器是一种新兴的有源器件，自从1 9 8 5 年r j m e a r s 等人报道了 掺钕光纤f a b r y - p c r o t 腔激光器和环形腔激光器以梨2 4 1 ，光纤激光器获得了迅速 的发展。与其它大多数激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质，即 掺杂光纤和谐振腔构成的。随着w d m 系统向信道数越来越多的方向发展，多 波长光纤激光器已成为了人们研究的热点。 本章简要阐述基于速率方程建立起来的光纤激光器理论模型，并分别对 f a b r y p e r o t 腔和环形腔光纤激光器的阈值泵浦功率、输出功率和斜率效率等重 要参数进行介绍和讨论。 第一节光纤激光器输出特性理论 与其它大多数激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质，即掺杂 光纤和谐振腔构成的川。图2 1 所示是一早期光纤激光器的结构示意图。泵浦 源激励光纤中的掺杂离子跃迁到高能态，离子无辐射跃迁到亚稳态形成粒子数 反转，再跃迁回基态产生光子，光子在谐振腔中振荡放大后形成激光输出。 i = = = = = = 刊i 一 采漶脏镜掺杂光纤腔镜输出 图2 1 光纤激光器结构示意图 2 1 1 增益介质与能级结构 当掺杂光纤被泵浦而达到粒子数反转时，就产生了光增益。根据掺杂离子 能级结构的不同，光纤激光器主要可分为三能级系统和四能级系统，其工作原 理分别如图2 2 和图2 3 所示。图中所示各个能级实际上是能级带。 在三能级系统中，泵浦过程将粒子从基态巨抽运到高能级岛，被抽运到毛 上的粒子通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳态能级易。由于易是一个寿命较长的 1 0 第二章多波长光纤激光器的基本理论 能级，于是粒子在e 上积累，实现了e 与巨两能级间的粒子数反转。 掺铒光纤激光器为典型的三能级系统，其能级图如图2 2 ( b ) 所示。激光 器由9 8 0 n m 或1 4 8 0 h m 半导体激光器进行泵浦，发射波长位于1 5 5 0 n m 波段的 激光。 四能级系统与三能级系统实现