（物理电子学专业论文）多波长掺铒光纤环形激光器的仿真研究.pdf

摘要 由于多波长光纤激光器在诸多技术领域，如光谱分析、探测元件、波分 复用光纤通讯系统以及光传感等领域中的重要应用而一直为人们所关注。尤 其是近年来，它还可以为密集波分复用光纤通信系统提供多波长光源。本文 将计算机仿真技术运用于多波长掺铒光纤环形激光器的理论研究，对多波长 激光器的一些理论现象进行仿真试验，对减少研究经费、缩短研究周期和指 导实验研究具有现实意义。本论文主要进行以下四方面的工作： ( 1 ) 本文在深入调研国内外多波长激光器的研究现状及发展趋势的基 础上，明确了研究多波长掺铒光纤激光器的重要意义，提出研究一种新颖的 利用频移反馈技术在常温下实现多波长同时激射的高掺杂浓度掺铒光纤环形 激光器。 ( 2 ) 在介绍光纤激光器工作原理和铒离子特性的基础上，阐述多波长 掺铒光纤环形激光器( m w - e d f r l ) 的工作原理，系统分析结构参数对 m w - e d f r l 多波长输出特性的影响。 ( 3 ) 从e d f 激光器均匀展宽介质的速率方程和传输方程理论出发，建 立多波长掺铒光纤环形激光器的数值模型。 ( 4 ) 利用m a t l a b 对仿真模型进行数值模拟。仿真了频移反馈、掺铒光 纤掺杂浓度及长度、泵浦功率、腔内损耗等对激光器输出参数( 激光输出功 率、波长条数、功率平坦度) 的影响，并对仿真结果进行分析，给出了优化 设计参数。仿真得出采用高掺杂浓度2 0 2 x 1 0 ”i o n m 3 铒纤激光器优化参 数：e d f 长度2 m 3 m ，腔内损耗为1 7 - - 2 0 ( 1 b ，泵浦功率为1 0 0 - - - 1 5 0 m w ， 可实现1 5 4 0 r i m - 1 5 6 0 r i m 内平坦度小于3 d b 的多波长2 4 条，峰值功率大于 0 d b m 。最佳实验参数为：铒纤长度为2 7 m 腔内损耗为2 0 d b ，泵浦功率为 1 5 0 m w ，可实现1 5 4 0 n m 1 5 6 0 r i m 内平坦度小于3 d b 的多波长2 0 条，最大 峰值功率为0 d b m 。把仿真结果同实验进行比较，与实验结论相吻合，验证 了模型的有效性和仿真结论的合理性。 关键词密集波分复用；多波长掺铒光纤激光器；频移反馈；功率平坦度 a b s t r a c t m u l t i w a v e l e n g t he r b i u md o p e df i b e rl a s e r s ( m w - e d f l s ) a r ea t t r a c t i n g i n t e r e s tf o ra p p l i c a t i o n si ns p e c t r u ma n a l y s i s ，c o m p o n e n t st e s t i n g ，a n do p t i c a l f i b e rt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa sp o t e n t i a lc o m p a t i b l el a s e rs o u r c e s m o r e o v e r e d f r lc a nb e u s e dt o p r o v i d em u l t i p l e w a v e l e n g t h s o u r c e sf o r d e n s i t y w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ( d w d m ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m s i nt l l i sp a p e r , t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y w a s a p p l i e d t od os o m es i m u l a t e de x p e r i m e n to f s o m et h e o r e t i c a lp h e n o m e n af o rt h et h e o r e t i c a ls t u d yo f m w - e d f r l i nt h i sw a y , i ti sr e a l i s t i ca n dm e a n i n g f u lt os a v es o m eo u t l a ya n dt i m ei ns t u d y i n gm w - e d f r la n dd i r e c tt h e e x p e r i m e n ts t u d y f i r s t l y , o nt h eb a s i so f t h ed e e ps l u d yo ft h ec u r r e n ts t u d y i n gs i t u a t i o no f m u k i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r sa n di t st e n d e n c yo fd e v e l o p m e n t ，t h es i g n i f i c a n c e o ft h es t u d yo fm m t b w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r si ss h o w a , a n dan o v e lm 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 rr i n g l a s e rw i t hf r e q u e n c y - s h i f t e df e e d b a c ka t r o o m t e m p e r a t u r e i sp r o p o s e d s e c o n d l 乳w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ff i b e r1 a s a n dc h a r a c t e r i s t i c so f e r b i u m i o n t h e p r i n e i p l e o fm w e d f r lw i t hs t a b l em u l t i - w a v e l e n g t hl a s i n g i s d e m o n s t r a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h es y s t e mp a r a m e t e r sw i t hr e s p e c tt ot h em w - e d f r l o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d t h i r d l y , t h en u m e r i c a m o d df o rm u l t i w a v e l e n g t ho p e r a t i o no f 撇e r b i u m - d o p e df i b e rr i n gl a s e rw i t h 疗e q u e n c y - s h i f l e df e e d b a c ki sp r e s e n t e d ，u s i n gt h e s t a n d a r dp r o p a g a t i o na n dr a t ee q u a t i o n so f a h o m o g e n e o u s m e d i u m f i n a l l y , t h en u m e r i c a lm o d e li ss i m u l a t e di nm a f l a bl a n g u a g e t h ee f f e c to f f r e q u e n c yf e e d b a c k ，t h ed o p e d c o n c e n t r a t i o na n dl e n g t ho f e d f , p u m pp o w e r a n d r i n gl o s sw i t hr e s p e c tt ot h em w - e d f r lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ( o u t p u tp o w e r ， b a n d w i d t h ，l a s e rp e a k s ，p o w e rs p e c m m af l a t n e s s ) i ss i m u l a t e da n da n a l y z e d l a s e rd e s i g nh a sb e e no p t i m i z e d t h es i m u l a t i o no ft h em w e d f r lw i t hh i g h c o n c e n 仃a t i o ns h o w e dt h a tf o rt h eo p t i m i f i n g p a r a m e t e r s a se d f l e n g t h ，r i n gl o s s a n dp u m p p o w e r w i t h i nt h er a n g eo f 2 m 3 m ，1 7 d b 一2 0 d ba n d1 0 0 m w 一15 0 m w , 2 4p e a k sl e s st h a n3 d bw i t ht h er a n g eo f15 4 0 15 6 0 n mw e r ea c h i e v e d ，a n dt h e p o w e ro f t h ep e a k sw a sh i g h e r 血8 1 1o d b m e x p e r i m e n td e m o n s t r a t e d2 0p e a k s i i - l e s st h a n3 d bw i t ht h er a n g eo f15 4 0 15 6 0 n mw e r ea c h i e v e d ，a n dt h em o s t p o w e r f u lp e a kw e i sh i g h e rt h a n0 d b m 嬲t h ee d f l e n g t hw a s 2 7 m t h er i n gl o s s 髓粥2 0 d b a n dt h ep u m pp o w e rw a s15 0 r o w c o m p a r i s o n sw i t he x p e r i m e n t a l r e s u l t sc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h em o d e la n dt h ec o r r e c t n e s so ft h en u m e r i c a l s o l u t i o n k e y w o r d s d w d m ，m u l t i w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e d f i b e rl a s e r ， f r e q u e n c y - s h i f t e df e e d b a c k ，p o w e rs p l 戈, l l - u r l lf l a t n e s s - m 1 1 引言 第1 章绪论 本课题来源于深圳科技局资助项目“用于光纤通信的宽带高功率光纤激 光器的研究”。 光纤通信由于具有宽频带、低损耗等优点，现已成为现代通信的骨干和 支柱，在全世界范围获得广泛的应用。进入九十年代以来，特别是在全球信 息高速公路发展计划的推动下，光纤通信从点到点光通信向网络通信发展。 8 0 年代末，宽频带、高增益、低噪声的掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出 现，为全光通信及光通信集成奠定了基础，导致了光通信技术的一场重大革 命。目前在1 5 5 胛的低损耗通信窗口中，波分复用+ 掺铒光纤放大器 ( w d m + e d f a ) 技术及其研究相当成熟，在实际中得到了广泛应用。在波 分复用系统中，光源是其中一个很重要的部分，特别是波长间隔相等、功率 平坦的多波长光源更具有吸引力，目前通信上普通使用得光源是利用半导体 分布反馈( d f b ) 激光阵列，然后把不同激光器的输出波长耦合到同一光纤 形成了一个多波长光源，这就限制了每个波长的输出功率，而且，每个波长 具有各自独立的增益介质，不容易实现调谐，温度稳定性差，成本高，不易 集成，所以能够同时辐射多个波长，满足国际电信联盟1 1 1 j ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 要求的光源的研究得到了广泛的兴趣。 多波长掺铒光纤激光器可以实现同时为多个信道提供光源，使光发射端 的设计更为紧凑、经济，必然成为密集波分复用系统的首选光源，因而在 密集波分复用系统中有广泛和重要的应用。我们研制一种新型多波长掺铒光 纤激光器结构紧凑，输出稳定，波长间隔均匀，波长条数多，输出功率高， 不仅可在波分复用光纤通讯系统中应用并发挥重要用途，也可应用于光谱分 析、探测元件以及光传感等领域。将仿真技术运用于多波长掺铒光纤激光器 研究中，充分发挥了计算机强大的计算能力和可视化效果，使得在多波长掺 铒光纤激光器研究中更加方便地确定最佳参数和实现最佳方案，极大地方便 了多波长掺铒光纤激光器研究中各种参数的分析研究，从而可以大大减少研 究经费和缩短研究周期。由于国外多波长掺铒光纤激光器研究技术起步早， 发展较成熟，而国内多波长掺铒光纤激光器研究研制技术与国外相比还有较 ：一堑些塑型型兰坠坠一 大的差距，所以，我们目前在有限的人力物力的情况下，采取模拟仿真研 究，对多波长掺铒光纤激光器研究具有一定的指导意义。 1 2 光纤通信技术概述 自从1 9 7 0 年出现了室温下连续工作的双异质结半导体激光器和光纤 后，光纤通信技术在短短三十年时间里得到了迅猛的发展。经历了从多模光 纤倒单模光纤：从短波长o 8 5 # 删到长波长1 3 1 a n 和1 5 5 a n ；从发光二极 管( l e d ) 作通信光源到激光二极管( l d ) 作通信光源；从点对点通信发 展倒多点对多点的光纤全光通信网络；传输速率从传统p d h 的一次群到四 次群的复用，到s d h 的s t m 1 ，s t m - 4 、s t m 1 6 乃至s t m 6 4 复用的四个 年代。 然而，随着计算机网络及其其他新的数据传输服务的迅猛发展，长距离 光纤传输系统对通信容量的需求增长很快，大约每两年就要翻一番，原有的 光纤通信系统的传输容量已经成为亟待解决的问题。通常，解决的方法有空 分复用( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，s d m ) 、时分复用( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，t d m ) 和波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d w ) 等 三种技术。空分复用靠增加光纤对的方式线性增加传输的容量，传输设备也 线性增加，代价昂贵，只能是一种十分受限的扩容方式；采用常规的电光 ( e o ) 调制的的时分复用技术存在“电子瓶颈”效应，其理论上的速率不 可能超过5 0 0 b t s ，而且随着速率的提高，就必须面临这诸多因素的限制， 如制造工艺、电子器件工作速率的限制等等；而波分复用技术采用单根光纤 传输多路光信道信号，从而使得光纤的传输能力成倍增加；如某个w d m 系统具有3 2 个光信道，每信道的传输速率为2 5 5 0 g b t s ，则系统的传输容 量为8 0 5 0 g b t s ，而这么大的传输容量是目前的t d m 的方式根本无法做到 的。 目前，遍布全球的光缆通信网都为实用常规光缆( g - 6 5 2 光纤) ，采用 波分复用技术不仅可以充分利用光纤的带宽进行超大容量的透明传输，可以 平滑升级扩容组建全光网络，还可以充分利用组成的、己敷设的光缆，从而 节约了光纤资源。显然，波分复用技术已成为当前光纤通信领域的研究热点 和首选技术。 d w d m 的关键技术主要包括光滤波技术，光源技术和光放大技术。下 面做简要介绍： ( 1 ) 光波滤波器包括光合分波器、可调谐光滤波器和光交叉波分复用 器。常用的光台分滤波器件有光栅干涉型、干涉滤波器型、集成光波导型 等多种类型。光合分滤波器的性能优劣对系统传输质量有决定性的影响， 通常要求插入损耗低且各通道的损耗偏差小。通常内损耗平坦，通路间的隔 离度高，偏振相关性小，温度稳定性好。 ( 2 ) 光源是光纤通信系统的关键器件，它产生光通信系统所需要的光 载波，其特性的好坏将直接影响光纤通信系统的性能。d w d m 系统的超长 距离传输要求光源器件必须具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。 作为d w d m 系统光源，最重要的是控制激射波长，其次是成本。目 前，d w d m 的标准波长间隔为0 8 r i m ( 1 0 0 g h z ) ，更密集的d w d m 的波长 间隔为o 4 r i m ( 5 0 g h z ) 和更窄。要防止邻接波导串扰就必须把光源的波长 误差控制在波长间隔的1 0 以内，因此须把l d 的发射波长控制在吉赫兹 ( g h z ) 级精度。随着复用的频道越来越多，所用的l d 数增多，成本上 升，而降低成本的主要途径是多波长的单片集成。 ( 3 ) 光放大器的作用是对密集波分复用后的光信号进行直接光放大， 以解决限制高速光纤通信系统进行长距离无中继传输的损耗这一重大因素， 克服了传统通信的“电子瓶颈效应，实现了超高速、超大容量、超长距离的 光透明传输，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。目前的光纤放大 器主要有掺铒光纤放大器( e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r , e d f a ) 、半导体光放 大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r , s o a ) 和光纤拉曼放大器( t i b e t r a m a n 蛐p l i f i e r , f r a ) 等。e d f a 因其优越的性价比引起了人们的广泛兴 趣。 d w d m + e d f a 技术的结合，使得入注光纤纤芯的光功率大大增大，从 而使得该光纤在一定条件下将呈现非线性效应，从而极大地限制了e d f a 的放大性能和长距离无中继光传输的实现。通常，光纾的非线性效应主要有 散射效应( 包括受激布里渊散射和受激拉曼散射) 和折射率效应( 包括自相 位调制、交叉相位调制和四波混频) ，这些效应的产生大部分都与入注光纤 中的光功率有关。 总之，二十一世纪是光子的世纪，是光网络的世纪，发展全光网络必然 要涉及开发一系列不同于以往传统光纤通信要求的新技术、新器件，作为实 现超高速、超大容量、超长距离传输的关键功能器件的多波长光源要发挥重 要作用，对其进行深入的研究十分有意义。 1 3 多波长光纤激光器的发展及现状 由于d w d m 技术能极大地提高光纤通信系统的容量，是实现光纤系统 升级扩容最为经济和有效的途径，成为通信发展的必然趋势。多波长光纤激 光器是d w d m 中有效和关键器件之一。因此，研究并设计结构紧凑，输出 稳定，覆盖波段广，输出波多且均衡的多波长激光器是当前的热点。 1 3 1 国外研究情况 1 9 9 2 年，n a m k y o op a r k ，j a yw d a w s o n 和k e r r yj v a h a l a 首次发表了用 单一增益介质实现六通道锁定波长的激光运行情况，也是首次发表用光纤激 光器实现多通道输出。光学增益由康宁光纤增益模块提供，是由一个温控的 9 8 0 n m 的二极管泵浦2 0 m 的掺铝、铒的光纤构成。系统中应用的波分复用 器是一个光纤梳辫子的八通道光栅w d m ，通道闻隔o 8 n m ，通道总带宽 4 8 n m ，每个通道损耗约6 d b 。在每个通道内用偏振控制器来调整该通道的 损耗，降低交叉饱和，可获得相对稳定的多通道输出。由于输出耦合器通道 的数目限制，只得到八通道中六个通道的同时稳定输出，功率平坦性得到提 高【2 l 。 1 9 9 3 年。u g h e r a , n f r i e d m a n , 和m t u r 等人用掺n d 光纤连接一段 无掺杂的高双折射的光纤组成的光纤激光器实现了与偏振完全无关的梳状光 谱多波长输出。依靠高双折射光纤的全部双折射，可得到两邻近波长间隔为 o 8 n m 到4 n m 不等的多到八条离散的激光线。无需任何腔内偏振元件，所 观察到的光谱特征完全由两段光纤界面处的内在反射决定 3 1 。 1 9 9 6 年，j o n gc h o w , g r a h a mt o w n 等人介绍了单个环形腔中使用两种 可供选择的光纤内梳状滤波器可实现多波长输出，实验上已经获得1 5 3 5 n m 附近的1 l 条稳定的同步的输出间隔为0 6 5 n m 的激光线。实验中运用的两种 光纤内梳状滤波器，其中一种是宽带传输布拉格光栅f p 谐振腔，另一种是 反射式采样布拉格光栅【4 】。 同年，n a m k y o op a r k 和p a u lew y s o c k i 报道了一种简单设计的e d f r l 可产生2 4 种波长的激光，用低损耗腔、偏振控制改进、液氮制冷去实现光 谱烧孔、偏振烧孔和偏振选择。发射谱在1 7 n m 范围内起伏不超过3 d b ，对 大部分铒带宽可实现d 1 5 n m 的窄线宽，1 1 n m 的紧密激光线间隔超过3 0 d b 的良好的信噪比。已经获得最宽带宽、平坦谱和可调谐信道间隔的结构紧促 的2 4 条m w f l 。他们还通过不同实验比较和分析了冷却效应，光谱烧孔效 应和偏振烧孔效应对多波长产生的影响i “。 1 9 9 6 年，g r a y d o n 等人报道了从一个非均匀加宽的掺铒双芯光纤环形激 光器里发射出三种单频模式的激光。用掺铒双芯光纤通过空间烧空产生非均 匀展宽。两根完全相同的靠得很近的光纤能够周期性的耦合光波。在两根光 纤中掺杂铒离子，可以制成毫米范围的空间非均匀性的增益介质。非均匀性 的带宽和强度可由双芯的参数和长度来控制。双芯光纤产生多波长的结构简 单，在室温情况下运行州。 1 9 9 7 年，t e t s u y am i y a z a k i 等人介绍了一种应用一对硅阵列波导光栅 ( a w g ) 的多波长环形光纤激光器，能轻易实现稳定的多波长输出。当a w g 的 自由光谱区足够宽大于掺铒光纤放大器的线宽时，可获得稳定的固定多波长 输出，当窄于增益线宽时，可获得可调谐的多波长输出。固定型时获得1 5 通道，间隔1 6 n m ，可调谐时为5 通道，4 0 n m 内范围可调。信号与a s e 比 率为5 0 d b 。a w g 为周期性波长选择滤波器【7 】。 + 2 0 0 1 年，s e u n gk w a n k i m 等人报道了应用频移反馈的宽带多波长掺铒 ”环形光纤激光器。应用腔内增益平坦滤波器( g f f ) 能提高激发光谱带宽， 进而产生了在c 波段2 8 n m 带宽范围内的3 4 条谱线。在激光腔内插入增益 平坦滤波器，扩宽了有用增益带宽，增加了激光线的条数i s 。 2 0 0 2 年，加拿大的r a d a ns l a v i k 和s o p h i el a r o c h e l l e 及捷克斯洛伐克 共和国的m i r o s l a vk a ra s e k 发表了室温情况下c 波段多波长掺铒光纤环形 激光器的高效运转。实验中，在腔内放置了一个声光频移器，实现了输出高 功率、高平坦性的多波长连续掺铒光纤环形激光器的正常运转，波长间隔 1 0 0 g h z 。对激光腔损耗、泵浦功率和有效光纤的长度进行优化，可使输出 实现很好的平坦性1 9 j 。 2 0 0 3 年，j e a n - n o e lm a r a n 等人报道，用含有一种新型周期性滤波器一 光纤布拉格光栅阵列的频移环形腔组成的激光器系统产生了1 5 2 7 1 5 6 2 n m 间1 7 条激光线，输出平坦性小于3 d b 1 0 】。 另外，c o w l e 等人利用线性的掺铒光纤增益和非线性的b r i l l o u i n 增益， 实现了多波长振荡【l 。l i m 等人将四波混频( f w m ) 与受激散射( s b s ) 效应相结合，获得了3 4 个波长的输出，然而两者都需要外加可调谐的d f b 激光源泵浦，使用成本较耐1 2 】。 1 3 2 国内研究情况 2 0 0 0 年，南开大学现代光学研究所的赵东晖等人提出了一种新型的掺 铒光纤环形激光器，采用全光纤选频元件，并将掺铒光纤浸在液氮中冷却， 得到了稳定的7 个波长的激光输出，波长间隔为o 6 5 n m 。选取全光纤马赫- 曾德尔干涉仪为选频元件，克服了利用腔内法布里- 柏罗标准具的调谐技术 困难，且具有较低的插入损耗【l ”。 同年，华中科技大学孙军强等人利用掺铒光纤激光器腔内的偏振非均匀 性。实现了多波长的同时激射。实验表明，改变多量子阱光波导的偏置电流 和腔内光的偏振态，可增强偏振烧孔效应。室温下产生间隔为0 9 n m 的l o 个波长 1 4 - 1 6 。 2 0 0 3 年的光学博览会上，清华大学k c h e n g 等人报道了一种室温下超 低损耗的全光纤多频率激光器，实现1 8 通道输出。该全光纤室温多频率激 光器运用了三个新的重要的器件：增益平坦器( o f f ) ，光纤梳状滤波器 ( f i b e rc o m bf i l t e r ) 和光纤声光频移器( f i b e ra - of r e q u e n c ys h i f t e r ) 。g f f 用来获得尽量多的输出通道。f i b e rc o m bf i l t e r 是一种双锥形光纤锥形滤波 器，插入损耗低于2 d b ，隔离率高于3 5 d b 。f i b e ra - of r e q u e n c ys h i f t e r 同 时还是输出耦合器，耦合率高打9 8 ，插入损耗0 1 d 拶1 。”。 1 3 3 总结 以上介绍了国内外研究m w - e d f l 的整体进展情况，可知早期人们研 究的多波长掺铒光纤激光器是在低温情况下进行的。基本原理为：用低温抑 制均匀展宽和交叉增益饱和效应，用一个梳状滤波器选出多波长通道，并辅 以偏振、损耗方面的控制，从而得到多波长输出。低温情况下，铒离子增益 谱属于非均匀展宽，用滤波元件( 如m z 干涉仪，f p 滤波器等) 选频就 可以实现多波长输出，但因需要液氮冷却装置无法应用于实际通信【1 8 2 ”。 室温下由于掺铒光纤增益的均匀展宽线宽较大，不同波长之闻的竞争很 严重，难以实现多波长的同时激射。近年来，人们利用频移反馈技术在室稳 情况下实现介质均匀展宽成为可能，利用周期性滤波器筛选出所需波段的多 波长再利用声光频移器的增益均衡机制抑制均匀展宽和模式竞争，最终实现 多波长的输出1 2 2 埘j 。所以目前，有频移器装置的环形光纤激光器成本低 廉、结构简单、适于大批量生产、可在室温下稳定工作，是大家竞相研究的 第l 章绪论 对象。此课题主要仿真研究此种光纤激光器。 1 4 本论文的主要工作 本文将计算机仿真技术运用于多波长掺铒光纤环形激光器的理论研究， 对多波长激光器的一些理论现象进行仿真试验，对减少研究经费、缩短研究 周期和指导实验研究具有现实意义。本论文主要包括： 1 首先在深入调研国内外多波长激光器的研究现状及发展趋势的基础 上，明确了研究多波长掺铒光纤激光器的意义，研究了一种新颖的利用频移 反馈技术在常温下实现多波长同时激射的掺铒光纤环形激光器。 2 在介绍光纤激光器工作原理和铒离子特性的基础上，研究多波长掺 铒光纤环形激光器的工作原理，深入理解环形腔结构、选频技术、频移反馈 ( f s f b ) 技术对产生稳定多波长输出的作用。 3 从e d f 激光器速率方程和传输方程理论出发，建立多波长掺铒光纤 环形激光器的运转模型和边界条件。 ，4 最后，利用m a t l a b 对仿真模型进行数值模拟。分别仿真频移反馈、 掺铒光纤掺杂浓度及长度、泵浦功率、腔内损耗等对激光器输出参数( 激光 输出功率、波长条数、功率平坦度) 的影响，并对仿真结果进行分析，给出 了优化设计参数。把分析结果同实验结果进行比较，实验结论与理论值相吻 合，验证了模型的有效性和仿真结论的合理性。 第2 章多波长掺铒光纤环形激光器的工作原理 本文研究的多波长光纤激光器是一种在室温情况下利用滤波机制和 f s f b 技术来实现多波长输出掺铒光纤激光器。首先我们要了解掺铒光纤激 光器的工作原理。掌握光与物质相互作用是了解激光器理论的关键。 2 i 光纤激光器的工作原理 为说明光纤激光器的工作原理，首先回顾一下光与物质相互作用的过 程。这是理解激光器工作原理的关键。 2 1 1 光与物质相互作用 2 1 1 1 能级上的原子数 按照玻耳兹曼分布规律，原子系统在达到热平衡时，在能级晶上的原 子数m 遵从以下规律： e n ，e 秘 ( 2 1 ) 式中k 玻耳兹曼常数； t _ 獭平衡时的热力学温度。 设置和e ：为任意两个能级，且易 蜀，则两能级上的原子数之比为 丝：8 警 1 ，这种非热平衡状态分布称为粒子数反转分布，简称粒子数反 转。处于粒子数反转状态的物质称为激活物质，实现粒子数反转是产生光放 大的必要条件之一【2 7 】。 2 1 2 光纤激光器的工作原理 光纤激光器的种类众多，有稀土掺杂的光纤激光器、光纤受激拉曼激光 器、光纤受激布里渊激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子 激光器等。当前发展最为迅速的光纤激光器是用于光纤通信的波长为 1 s 5 j 聊波段，而且增益谱带很宽( 约1 5 3 0 1 5 6 0 r i m ) 。掺稀土元素光纤激光 器技术伴随着激光技术研究的发展在6 0 年代出现，但由于早期光纤损耗比 较大，而且没有合适的泵浦源，因此在8 0 年代以前掺稀土元素光纤激光器 研究进展很慢，进入8 0 年代后期，出于光纤通信技术的发展，光纤材料特 别是掺稀土元素光纤材料和新的激光泵清技术的发展，特别是9 8 0 r i m 和 1 4 8 0 n m 半导体激光二极管的出现，促进了光纤激光技术研究的发展口”。 光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质，使光子得到 反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部 分组成。纵向泵清的光纤激光器的结构如图2 1 所示。 一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之 间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。左面镜对于泵浦光全部透射和对于激 射光反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳 定。右面镜对于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和获得的激光输 出。这种结构实际上就是f a b y - p e r o t 谐振腔结构，泵浦波长上的光子被介质 吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。 激光输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的，依赖于激光工作介质。 獭光输出 d d 亡= = ： c = = = = = 号： j i 糟按酌爰渭光 圈2 - l 光纤激光器原理示意图 f i g 2 - lt h ep r i n c i p l es c h e m a t i co f f i b e rl a s e r 对于连续输出，激光上能级的自发发射寿命必须长于激光下能级以获得 较高的粒子数反转。通常当激光下能级的寿命超过上能级时只能获得脉冲输 出。光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激 射，图2 - 2 ( a ) 和( b ) 分别表示三能级和四能级系统的跃迁系统的简化能 级图。两者的差别在于较低能级所处的位置。 血睦 基意蠢矗 c ，兰螂 b ，四麓曩 图2 - 2 ( a ) 三能级和彻四能级简化能级图 f i g 2 - 2t h ed i a g r a m so f ( a ) t h r e ee n e r g yl e v e la n dc o ) f o u r e n e r g yl e v e l 在三能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基态的能级。而在 四能级系统中激光下能级和基态能级之间依然存在一个跃迁，通常为无辐射 跃迁，电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子一般通 过非辐射跃迁到达激光上能级。泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的亚 稳态，在亚稳态上积累电子造成粒子数多于激光下能级，即形成粒子数反 转。电予以辐射光子的形式放出能量回到基态。这种自发发射的光子被光学 谐振腔反馈回增益介质中诱发受激发射，产生与诱发这一过程的光子是性质 完全相同的光子，当光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内损耗时，就 会产生激光输出。理论上四能级光纤激光器的阈值低于三能级系统四1 。 2 2 掺铒光纤激光器的理论基础 从8 0 年代末期开始，掺稀土元素光纤激光技术研究受到世界各国的普 遍重视，得到了很大的发展，目前已经成为国际激光技术研究领域一个十分 活跃的前沿研究方向，掺铒光纤激光器采用波长9 8 0 h m 、1 4 8 0 h m 高功率半 导体激光泵浦，在1 5 5 n n 波段具有很宽的增益谱，可实现波长调谐和多波 长同时输出的掺铒光纤激光器，在光纤通信系统中具有很大的潜在的应用价 值。 2 2 1 掺铒光纤吸收谱图 掺杂在不同基质中的铒离子，其光谱性质相似，但并不完全一致。波长 在1 5 5 0 r i m 处的荧光跃迁主要取决于离子的电子结构而不是基质。在稀土元 素中，铒也是比较特殊的，它具有窄的吸收和发射线。即使在玻璃中，由于 局域电场的作用，各个格位的电子能级各不相同( s t a r k 效应) ，与其他稀土 离子相比，铒离子的跃迁带更窄。光谱宽度会因基质的不同而不同。 图2 - 3 铒离子吸收谱线圈 f i g 2 - 3t h e e m i s s i o ns p e c t r u mo f e r b i u mi o n 麓 2 0 1 土 - c ， | i i c 卜嚣= c u l ； l i m p 1 - “c c ” 誓 _ _ _ 1 4 1 n -_c m 一_ ， 1 - 憾 、- 图2 - 4 铒离子能级圈 f i g 2 - 4e n e r g yl e v e ld i a g r a mo f e r b i u mi o n 铒e r 的原予序数为6 8 原子量1 6 7 2 ，价电子3 ，属镧系元素。它在固 态中以三价离子形式存在。e 一的电子结构史 x e 4 f , 其中 x e 】表示x e 的满 壳层构型。所有的稀土元素都具有部分充满的4 f 壳层，并且被具有x e 的壳 层构型的外层电子所屏蔽，因此可以观察到他们具有相似的物理化学性质。 对每个离子来说，屏蔽作用也降低了基质电场对其的影响，导致了相似的光 谱特性。图2 - l 和图2 - 2 分别给出了e 一的吸收谱和e ，的能级图。 掺铒光纤在0 5 胛1 6 a n 波长范围内有几个吸收峰，分别对应的铒离 子能级湿o 5 肼一o 6 a n ( 4 1 w 2 h v 2 )，o 6 3 a n ( 4 轭4 局2 ) ，o _ 8 a n ( l l s 2 1 9 2 ) ，0 9 8 a m ( ，l 轭4 厶v 2 ) 以及1 5 a n ( 4 五班班直接吸收 峰。如图2 3 所示，根据激光原理，可以选择这几个吸收峰的光进行泵浦。 基态粒子可吸收5 1 4 5 n m 、5 2 3 n m 、6 6 7 n m 、8 0 0 n m 、9 8 0 n m 、1 4 8 0 r i m 波段 的光。如图2 2 所示以9 8 0 n m 泵浦光为例，当泵浦光照射到掺铒光纤时， 基态4 班上的e ，吸收光子激发到能级4 。上，大部分粒子通过无辐射跃 迁到激光上能级4 驰上，因为是厶抛亚稳态，因此可以积累较多的e 一， 使激光上能级4 厶：和激光下能级4 1 1 驰间形成粒子数反转分布，粒子从4 3 ，： i l ， 户霉00簋ri置 向4 1 1 5 2 能级跃迁时发射1 5 删左右的激光，当谐振腔内激光增益大于损耗 时，便在腔内形成振荡。 2 2 。2 泵浦源的选择 泵浦源是e d f a 的另一项关键技术。它将粒子从低能级抽运到高能级 使处于粒子反转状态，从而产生放大。实用化的e d f a 采用i n g a a s p 半导 体激光器做泵浦源。对它的只要要求是高输出功率、长寿命。泵浦源可取不 同波长。这些波长必须短于放大信号的波长( 其能量占| | l l ，) ，且须选在掺 铒光纤的吸收带内。现用得最多的是0 9 8 a n 的泵浦源，其噪声低，效率高 【3 “。有时是用1 4 8 埘l 的泵浦源。 铒离子e r 3 + 有许多吸收带，在这些吸收带上它都能吸收光子。有铒离子 的吸收谱可以看出它的吸收带在0 6 5 a n ，0 8 0 删。0 9 8 a n ，1 4 8 a n 。这 些频带都可以用来泵浦一个铒纤激光器。选用的原则时泵浦效率高，当然还 必须有相应频率的激光器作泵浦源。o 6 5 a n ，o 8 0 a n 都曾被利用过，比如 用高功率可见光激光器，心离子激光器，n d y a g 激光器，染料激光器 等。但是这些方案效率低，泵浦光源的体积也大，不适合在光通信中应用。 当制作出o 9 8 俐和1 4 8 a n 的大功率半导体激光器时，它们立即充当了有 效的泵浦源。使用半导体激光器泵清源时e d f a 实用化的前提。 常用泵浦效率w p 来衡量泵浦的有效性。泵浦效率定义放大器增益与所 吸收的泵浦功率之比。 不同吸收频率处泵浦效率相差很大，一组实验数据是：在0 5 3 2 a n 处，泵浦效率为1 3 5 d b m w ；0 8 a n ，0 8 d b m w ；0 9 8 肺l ，4 9 d b r o w ；1 4 8 a n ， 3 9 d b ，i i i w ： 选用泵浦工作频带的一个重要因素是无激发态吸收( e x c i t e ds t a t e a b s o r p t i o n ，e s a ) 。在理想的系统中，处于激发态的粒子，在受到外来光的 激发时，应时向低能级跃迁而发出光子。激发态吸收是指处于激发态的粒子 吸收泵浦光( 或信号光) 后向更高能态跃迁。激发态吸收一般要影响到泵浦 光的利用效率及信号光的衰减，因而泵漓源应选在无激发态吸收的那些能 带，0 9 8 a n 和1 4 8 伽l 泵浦对应着无激发态吸收的能带，因而是备受重视的 两个泵浦波长。铒离子在j l ：至j l 也能级间的跃迁对应o 9 8 ，肼的吸收带 峰，在4 ，嗽至驰能级间的跃迁对应着1 4 8 ，朋的吸收峰。这两个波长的 泵浦源都可用半导体激光器实现。0 9 9 n n 和i 4 9 胛比较起来，增益高、泵 浦效率商、噪声小( 噪声系数可低至3 d b ) ，具有很大的吸收力，是目前光 纤放大器的首选泵浦波长。1 4 8 a m 的优点是：它和信号光的波长相近，因 而1 5 5 o n 的单模光纤对信号光和泵浦光都是单模传输，可用单模光纤制成 定向耦合器，将信号光和泵浦光低损耗地导入光纤。特别在制造低掺杂分布 型掺铒光纤放大器时，应用这一波段的泵浦更为有利，因此也得到了高强度 的开发和研究。 可以看出，o 9 8 朋泵浦属三能级系统。1 4 8 a m 所对应的能级与工作的 高能级1 5 5 胛属同一准能带。泵浦源将基态粒子泵浦到与1 4 8 a m 相应的 能级上，它是不稳定的，将快衰减到工作高能级e 2 上，与基态间形成粒子 数反转分布。看来，它属于二能级系统。 2 3 多波长掺铒光纤激光器工作原理 ；实现多波长激光输出主要有两种方案：一是对每个波长采取分立的增益 介质；二是在单一增益介质精心设计特殊结构，以实现多个波长有相同的增 益。前者方案比较直接简单，所以早期的研究主要将多个单波长激光器( 或 阵列) 耦合进一根光纤，来实现多波长输出。在分立的增益媒质阵列基础上 工作的多波长激光器波长稳定性强，因为输出的激光波长由衍射光栅或波导 光栅决定。其缺点是因其结构需要，要用较多的光学元件，以及多个激光器 的不稳定性导致的整个模块的稳定性差。不能顺利运用于通讯系统中。而在 后者的方案中由于采用同一个泵浦激光器和相同的增益介质来产生多波长激 光输出，并且多波长激光都使用一套光学系统，因此，可以有效避免，多激 光器泵浦方案中出现的各个波长激光稳定性不同的问题。而且d w d m 系统 要求多波长光源输出波长密集，光谱范围宽，功率谱平坦。对于多波长光纤激 光器，掺铒光纤( e d f ) 增益的均匀展宽线宽是一个很重要的参数。m w - e d f l 由于具有