（电路与系统专业论文）光纤光栅激光器.pdf

广西师范大学硕士论文 中文摘要 光纤光栅激光器 广西师范大学物理与信息工程学院2 0 0 2 级电路与系统专业光纤通信器件及传感器方向 研究生：肖永良导师：秦子雄教授曾庆科副教授 论文摘要 随着人类社会信息时代的到来，人们对通信的需求导现加速增k 的趋势。发展迅速的各 种新型业务对通信网的容量提出了更高的要求。运用光波分复用技术提高光纤通信的容量已 经成为光纤通信领域的一个研究热点。在密集波分复用系统中，为避免传输中严重的信道间 串扰，需要激光光源的谱宽窄到埃的量级，并且要求激光器的工作波长极为稳定，同时还要 求激光器的工作波长可连续调谐。此时，普通的半导体激光器不能满足要求。利用光纤光栅 优异的选频特性和工作波长的稳定性，可以制成光纤光栅激光器。光纤光栅激光器具有增揣 高、散热好、吸收和辐射带宽大、频率啁啾效应小、抗电磁干扰，温度膨胀系数小、输出稳 定、光谱纯度好等特点，有望在未来的d w d m 网络中取代半导体激光器。本文所做的主要工作 包括以f 几个i = | 容： 1 详细概述了光纤光栅激光器的发展概况及特点。 2 从麦克斯韦方程出发详细推导了周期性介质波导的耦合模方程。介绍了一种_ 】以分析 任意折射率分布的光纤光栅的传输矩阵方法。首次提出将折射率的变化和相位的变化统一到 一个方程中，克服了以往对不同类型的光纤光栅进行分析需要采用不同的方法的弊端。对均 匀光栅，啁啾光栅，相移光栅，取样光栅的反射谱特性进行数值模拟分析，得到了光栅各参 数的变化对光栅反射谱特性的影响规律。同时发现，取样光栅的反射峰的间隔仅由光栅周期 决定，和采样率无关，而某些文献则要求采样率小于1 0 。 3 概述了光纤光栅写入法的研究情况，总结了光纤光栅的制作技术，对光纤的光敏性、 成栅的光源和光纤光栅的各种写入方法进行了详细地介绍。 4 论述了光纤光栅激光器的基本原理，分析和比较了各种单波氏和多波长光纤光栅激光 器的结构和实现方法以及各种光纤光栅激光器的优缺点。 5 提出了基于取样光栅的大范围调谐光纤光栅激光器的设计方案。通过对光纤光栅的光 谱特性和激光器的传播方程的分析，得到了闽值泵浦光功率、掺铒光纤长度、光纤光栅反射 率与激光器输出光功率之间的关系。从理论上推导了光纤光栅激光器波长漂移量与应力，温 度，压力的线性调谐关系。同时还对d b r 光纤光栅激光器提出了改进意见。 该方案采用两个信道间隔不同的取样光栅来构成d b r 光纤光栅激光器的两个谐振腔。其 激射波长则由两个光栅的重叠峰的波长决定。利用各种调谐技术对其中一个光栅进行调喈， 可以实现激射波长的离散调谐。同时对两个光栅进行调谐，则可以实现激射波长的连续调谐。 调谐的范围和两个光栅的反射峰的距离差有关。此方案可以实现同定波长或任意波长的激光 输出，扩大了激光器的调谐范围，能够满足光纤通信和传感系统对大范围调谐窄带光源的要 求。若两光栅为等同光栅。则此方案还可以实现多波长的激光输出。 关键词：光纤通信；光纤光栅激光器；光纤光栅传感器：光纤光栅i 耦台模理论；传输矩阵 广西师范人学硕士论文 英文摘要 f i b e rg r a t i n gl a s e r a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fi n f o r m a t i o ns o c i e t y , t h en e e df o rc o m m u n i c a t i o ni sr a p i d l yi n c r e a s i n g m e a n w h i l e ，t h ed e v e l o p i n gi n t e g r a t e ds e r v i c e sr e q u i r el a r g e ra n dl a r g e rc o n u n u n i e a t i o nc a p a c i t y o p t i c a lw a v e l e n g t hn m l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi sa na v a i l a b l ew a yt or e s o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c h h a v eb e c a m ear e s e a r c hh o t s p o ti n f i e l do fm o d e mo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n i nd e n s e 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 ( d w d m ) n e t w o r k s ，f o ra v o i d i n gs e r i o u sc r o s s t a l kb e t w e e n a d j a c e n tc h a n n e l s w ed e m a n dt h a tt h es p e c t r m nw i d t ho fl a s e ri s1 e s st h a nl e - l o ma n dt h ew o r k w a v e l e n g t hm u s tb ev e r ys t a b l ea n de a s yt u n i n g h o w e v e r , n o r m a ls e m i c o n d u c t o rl a s e r s a r e i n a d e q u a t ef o rt h i sa p p l i c a t i o n b yu s i n gt h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r a t i n g ，w ec a l lm a k eaf i b e r g r a t i n gl a s e r ( f g l ) ，w h i c hh a sm a n ys p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g hg a i n ，s m a l lf r e q u e n c y c h i r p ，s t a b l eo u t p u tp o w e r ，r e s i s t a n c ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ea n ds oo n i nt h ef u t u r ed w d m n e t w o r k s s e m i c o n d u c t o rl a s e rm a yb ei n s t e a db yf g l t h ea c h i e v e m e n t si n c l u d ei nt h i sp a p e ra r e a sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so ff g lh a v eb e e nr e v i e w e d 2 d e t a i l e dc o u p l e d m o d ee q u a t i o n so fp e r i o d i cd i e l e c t r i cw a v e g u i d e sa r ed e d u c e df r o m m a x w e l le q u a t i o n s a t r a n s m i tm a t r i xm e t h o dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r so f i r r e g u l a rr e f r a c t i v ei n d e x g r a t i n ga r ep r o v i d e d f o rt h ef i r s tt i m e ，t h et r a n s f o r m a t i o no f r e f r a c t i v ei n d e xa n dp h a s ea r eu n i t e d i na ne q u a t i o nt oa v o i da n a l y z i n gd i f f e r e n tt y p e g r a t i n g sb yd i f f e r e n tm e t h o d s ，a n dt h et r a n s m i t n m t r i xa r eu s e dt on u m e r i c a l l yc a l c u l a t e t h er e f l e c t i v es p e c t r u mo fu n i f o r m , c h i i p e d ，p h a s e ds h i f t a n ds a m p l e dg r a t i n g t h ei n t e r v a lb e t w e e nt w or e f l e c t i v ep e a k so fs a m p l e dg r a t i n gi sr e l a t e dt ot h e p e r i o do fg r a t i n go n l yi n s t e a do fs a m p l i n gr a t e h o w e v e r , i ns o m ep a p e r s ，t h es a m p l i n gr a t e i s r e q u i r e dt ob el e s st h a n1 0 3t h ed e v e l o p m e n to ff i b e rg r a t i n g sw r i t i n gt e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e d t h ep h o t o s e n s i t i v e m e c h a n i s m ，i n - g r a t i n gs o u r c e sa n df a b r i c a t e dm e t h o d so f f i b e rg r a t i n gh a v eb e e nr e v i e w e da sw a l l 4t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ff g la r ed i s c u s s e d t b es t r u c t u r e sa n da c h i e v e dm e t h o d so f s i n g l ew a v e l e n g t hf g la n dm u l t i - w a v e l e n g t hf g l a r es t t m n m r i z e d m o r e o v e r , t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f f g l a r ec o m p a r e d 5 af e a s i b l ea p p r o a c hi sp u tf o r w a r dt od e v i s eab i gt u n i n gr a n g ef g lb a s e do ns a m p l e d g r a t i n g s b ya n a l y z i n gt h es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fg r a t i n ga n dl a s e rr a t ee q u a t i o n s ，w eo b t a i n e d n o to n l yt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e no u t p u tp o w e r , t h r e s h o l dp u m pp o w e r , e r b i u m d o p e df i b e rl e n g t h a n df i b e rg r a t i n gr e f r a c t i v ei n d e xb u ta l s ot h el i n e a rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf g lw a v e l e n g t hs h i f t w i t hp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，a n ds t r a i na sw e l l f u r t h e r m o r e ，w eg i v eas u g g e s t i o nt oi m p r o v ed b r i a s e r t h l sa p p r o a c ha d o p mt w od i f f e r e n tp e r i o ds a m p l e dg r a t i n g st om a k ef a b r y - p e r o tr e s o n a t o r so f d b rl a s e r t h es t i m u l a t e dw a v e l e n g t hi sd e c i d e db yt h eo v e r l a p p i n gr e f r a c t i v ep e a k so ft h et w o g r a t i n g sw ec a nt i m et h ew a v e l e n g t hd i s c r e t e l yb yt u n i n go n eo fg r a t i n gm e r e l ya sw e l la st u n et h e w a v e l e n g t hc o n t i n u o u s l yb yt u n i n gt w og r a t i n g sa tt h es a l t l et i m e t h et u n i n gr a n g ei sr e l a t i v et o t h ep e r i o do ft w o g r a t i n g s s o ，t h i sa p p r o a c hc a na c h i e v e t h eo u t p u to ff i x t u r eo rr a n d o m w a v e l e n g t h ，w h i c he n l a r g e st h et u n i n gr a n g ea d e q u a t ef o ro p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n ds e n s o r s y s t e m i ft h et w og r a t i n g sa r et h es a i n eo n e ，t h i sa p p r o a c hc a na l s oa c h i e v em u l t i - w a v e l e n g t hl a s e r o u t p u t i i 广西师范人学硕上论文英文摘要 k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ；f i b e rg r a t i n gl a s e r ；f i b e rg r a t i n gs e n s o r ；f i b e rg r a t i n g ； c o u p l e dm o d et h e o r y ；t r a n s m i s s i o nm a t r i x i i l 广西师范人学硕士硷文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤光栅激光器概述 1 1 1 光纤光栅激光器的基本结构 光纤光栅激光器有多种结构形式。光纤光栅激光器在频域可分为单波长、多波长两大类， 在时域可分为连续、脉冲两大类。一个纵向泵浦的f - p 腔光纤光栅激光器的基本结构如图1 1 所示，一段掺杂稀土金属离子的光纤放置于两个反射率经过选择的光纤光栅之间。也 墨汁兰钧等 未转换的泵浦光 图1 1 光纤光栅激光器的结构示意图 可以通过在掺稀土元素离子的光纤上写入一个光栅来进行光的反射。光纤光栅的选用原则是， 靠近泵浦端的光纤光栅对泵浦波长具有高透射低反射特性，而对信号激光波长则要求具有高 反射特性。远离泵浦端的光纤光栅一方面承担对腔内信号激光的反馈作用，另一方面腔内信 号激光须从该光纤光栅耦台输出。因此，为了获得最大的输出光功率，输出耦合光纤光栅对 信号激光波长的反射率须根据腔内增益和损耗视具体情况确定。光纾光栅激光器是一个波导 型的谐振装置，光波的传输由光纤所担负。泵浦光从光纤激光器的左边光纤耦合器耦合进入 光纤。在泵浦波眭上的光子被掺杂介质吸收，形成粒子反转数，最后在掺杂光纤介质中产生 受激发射而输出激光。因此它实际上就是一个波长转换器。掺稀土元素离子光纤光栅激光器 的一个重要性质在于其输出光谱特性受到掺杂离子周围分子环境的显著影响。我们可以选择 不同的掺杂离子来获得不同的发光效率。在光纤光栅激光器中，作为增益介质和光波导的掺 杂光纤，其典型长度一般在0 5 1 e m 之间。如激光工作于四能级状态，一般可通过增加光纤 跃度米降低闽值。而在三能级及准四能级系统中，光纤长度的确定则是一个十分敏感的问题。 光纤是工作在光频及其附近的一种光波导。光纤波导的形状通常呈圆柱形。虽有许多种 不同结构的光纤波导，但最j “为接受的光纤波导结构是半径为a 而折射率为n 。，的单固体介 质圆丰 ! 体，这个圆柱体称为光纤的纤芯。纤芯外面包有折射率n f f n ，) 的固体介质包层。光纤 波导把以光的形式出现的电磁能量约束在其纤芯以内，并引导光沿着与光纤轴线平行的方向 前进。 从折射率分布来划分，光纤可分为两种。在第一种情形下，纤芯折射率处处是均匀的， 而在纤芯与包层边界处折射率发生突然的变化( 或阶跃) 。这种光纤称为阶跃折射率光纤。在 第二种情形下，纤芯的折射率成为距光纤中心径向距离的某个函数那样变化。这种类型的光 纤称为梯度折射率光纤。 按传输的模式来划分，光纤可分为单模光纤与多模光纤。单模光纤芯径约几个微米，而 多模光纤芯径一般则在几十微米量级。单模光纤只载运一个传导模式，而多模光纤则载运数 以百计的模式。但是，单模光纤在一定条件下会变成多模光纤，而载运多个传导模式。 在单模光纤上写入光栅就形成了光纤光栅。光纤光栅具有优异的选频特性和工作波长的 稳定性，掺铒光纤( e d f ) 则有较宽的增益谱和与光纤兼容的特点。因此人们结合二者的优点， 利用光纤成栅技术在掺铒光纤两端写入光栅，两光栅相当于谐振腔。用泵浦激光激发掺铒光 纤，饵离子产生增菇放大，由于光纤光栅优异的选频特性和对中心波长近于1 0 0 的反射作 用，使谐振腔只能反馈某一特定的波长，从而输出单频激光，再经光隔离器去除泵浦光成分 广西师范人学硕上论文第一章绪论 即可得到线宽窄、功率高、噪声低的信号激光。当光栅用作梳状滤波器的时候，还可以输出 窄线宽而且波k 间隔相等的多波长激光。其中在光谱段上1 3 3 u r n 和1 5 5 u r n 的输出是晶重要 的，因为它们对应于光通信的两个低损耗窗口。光纤光栅激光器具有较高的输出光功率，还 具有较低的相对强度噪声和较宽的调谐范围。由于光栅的布拉格波长随温度、应力的变化早 良好的线性关系，因此通过对光栅加纵向拉伸力，改变温度或改变泵浦激光器的调制频率即 可实现对光纤光栅激光器的调谐。 1 1 2 光纤光栅激光器的特点 光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源，光纤光栅激光器与半导体激光 器相比，光纤光栅激光器其有增益高、散热好、吸收和辐射带宽大等特点，其输出激光具有 良好的方向性。它的优点主要体现在： ( 1 ) 与标准通信光纤的兼容性好，可以采_ f = j 光纤光栅、耦合器等多种光纤元件，减小r 对块状光学元件的需求和光路机械调整的麻烦，极大地简化了光纤光栅激光器的设计及制作。 ( 2 ) 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，且成本很高，而稀十 掺杂光纤光栅激光器利用光纤光栅能非常准确地确定波长，其输出光谱纯，相对强度噪声较 低，稳定性好。 ( 3 ) 用作增益的稀土掺杂光纤制作工艺比较成熟，可以通过在光纤中掺杂铒，铥，镨， 镱等不同的稀士元素来提高泵浦光的吸收效率。稀土离子掺杂过程简单，光纤损耗小。 ( 4 ) 可以用廉价的短波长大功率半导体激光二极管对稀土掺杂光纤进行泵浦，成本低。 光纤光栅激光器具有较高的输出功率。 ( 5 ) 激光介质是波导介质，耦台效率高，加之纤芯很细，容易在纤芯形成高功率密度来 降低激光器的阈值，实现激光工作物质能级的粒子数反转，输出的激光容易耦合到系统的传 输光纤中。同时它还有较高的面积体积比，散热效果较好，有利于激光器的长期稳定运转。 ( 6 ) 宽带是光纤通信的主要发展趋势之一，而光纤光栅激光器可以通过掺杂不同的稀士 离子，在3 8 0 - 3 9 0 0 n m 的宽带范围内实现激光输出，波长选择容易且可调谐；光纤光栅激光 器不但容易实现调谐，而且调谐范围可达5 0 n m ，远大于半导体激光器( 1 2 n m ) 。它的调谐可 通过对光栅加纵向拉伸力，改变温度等方法来实现。这可以提高网络的灵活性和效率及降低 成本。 ( 7 ) 高频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小，其 输出稳定性及光谱纯度都比半导体激光器的好。 ( 8 ) 能方便地延长增益介质的长度以使泵浦光能被充分吸收。这一特性使光纤光栅激光 器能在低泵浦功率下运行：同时也使在低增益介质中实现激光振荡成为可能。 光纤光栅激光器的诸多特点，加之紧凑、小体积、便携式、精密化等特点和可以灵活弯 曲的光波导结构，吸引了人们对它的研究兴趣。 1 1 3 光纤光栅激光器发展概况 8 0 年代中期英国南安普顿大学成功制作出了掺铒光纤，同期加拿大k oh i l l 等人采用纵 向写入方法制成了第一个光纤光栅 1 1 。由于光纤光栅具有体积小、插入损耗低、与光纤兼容 性好以及独特的波长选择特性等优点，可与掺铒光纤直接熔接，减小插入损耗。掺杂光纤和 光纤光栅的结合使得光纤光栅激光器的实现成为可能。从8 0 年代末期开始，掺稀土元素光纤 光栅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，目前己成为国际激光技术 研究领域一个十分活跃的前沿研究方向。其中掺铒光纤光栅激光器由于其工作波长恰好位丁 光纤通信的第三窗口1 5 5 u m 而成为当前发展最为迅速的光纤光栅激光器之。 2 广两帅范大学颂十论文第一章绪论 由j 二光纤制造工艺的进步、紫外光写入光纤光栅等技术的日益成熟以及各类激光器，特 别是半导体激光器技术的发展，光纤光栅激光器的研究丁作进展很快。当前光纤光栅激光器 的发展主要集中在以下几个方面：( 1 ) 研制全光纤激光器，实现与光纤通信系统高效率地连 接；( 2 ) 光纤光栅的性能进一步提高，以便更加有效地应用于光纤光栅激光器中；( 3 ) 光纤光 栅激光器性能进一步提高，如谱宽更窄，输出功率更高，调谐范围更宽等；( 4 ) 光纤光栅激 光器的实用化。目前已经研制出来各种结构的光纤光栅激光器，实现了在硅基或氟化物基等 光纤中掺杂或共掺杂多种稀土离子，如铒，铥，镨，镱等，可以使用不同的泵浦源，输出 多种特性的激光。其结构有串联d b r 形 ”，串联d f b 形【”，环形 ”，6 形”，内置梳状 滤波器等。国内外在这些方面的研究状况如下所述： 国外：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光栅激光器以增强模式选择性， 实现了单纵模激光输出，采用拉伸先纤光掇宴现了1 6 7 n m 的连续调谐【”。s v c h e m i k o v 等 采用串联的耦台腔结构获得了问隔5 9 g h z 、线宽1 6 k h z 的双波长激光输出”】。串联5 个耦合 腔，j h u b n e r 得到了5 个波跃，信道间隔为的5 个波长的同时激射” 。s k l i a w 等采用6 形 的实验装置，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【”。j c h o w 等在环形 行波腔光纤光栅激光器的实验中，用一个透射型啁啾光栅f p 标准具作为梳状滤波器，将掺 铒光纤浸入液氮中以减少增益的均匀展宽，在1 5 3 5 n m 波段，得到了间隔为o 6 5 n m 的1 1 个 波长稳定输出，单波长线宽约为o 1 n m 。t m i y a z a k i 等将两个自由光谱区为1 9 2 r m a 、有相同 波长分路特性的l x l 6 阵列光栅波导波| 受相同的臂连接在一起，形成1 x 1 腔内滤波器，每臂独 立提供增益，使用了1 5 段e d f 。得到了间隔为1 6 1 m 、1 5 个波长的稳定的激光输出。 j b s c h l a g e 等利用双折射保偏光纤，在环形主动锁模光纤光栅激光器中实现了2 波长激光脉 冲输出，脉冲宽度2 p s ，波长间隔l n m 。s l i 等利用色散补偿光纤增加腔内色散，在主动锁 模光纤环形激光器实验中实现了3 个波长的激光激射，并通过调节调制频率，实现了单波长、 双波长的连续调谐”】。 国内：北方交通大学采用6 形光纤光栅激光器实现了4 波长和8 波长的同时激射，输出波 i 丈间隔1 6 n t o 或o 8 r a n ，单波长线宽o 。0 1 n m l 】“。还利用相位掩模版，直接在掺锊光纤上紫外 写入厅2 相移光栅，研制出1 0 e r a 长d f b 激光器，经过4 0 c m 掺铒光纤放大后，得到线宽为 o 0 5 n m 、输出功率为1 0 0 u w 、斜率效率约为o 1 5 的单频激光输出 1 2 1 。南开大学使用悬梁臂 方法调谐光纤光栅来调谐环形腔光纤光栅掺铒激光器，实现了窄线宽可调谐激光输出，调谐 范闱为5 7 n m ，线宽小于ol n m ，输出功率可达2 4 m w ，斜率效率约为1 4 1 3 。武汉邮电科 学研究院用直接写在k3 0 r a m 的e r y b 光纤上的两个布拉格光栅组成光学谐振腔研制了一 种短腔e r y b 单频光纤光栅激光器。其斜效率1 4 输出光信噪比为6 1 d b ，偏振模抑制比为 3 0 d b 4 1 。还有中科院上海光机所，中国科技大学，电子科技大学、华南师范大学、上海大 广西师范火学硕士论文 第一章绪论 学等研究单位也开展了这方面的工作。 1 2 研究光纤光栅激光器的意义 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= i j 。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r ， 光纤通信从点对点光通信向网络通信发展。发展迅速的各种新型业务( 特别是高速数据和视 频业务) 对通信网的带宽( 或容量) 提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增 长和满足网络交互性、灵活性的要求，人们提出了光波分复用的技术( w d m ) 。运用w d m 技术提高光纤通信的容母已经成为光纤通信领域的一个研究热点。 在目前的w d m 系统中，分布反馈半导体激光器( d f b l d ) 被广泛地用作单频光源。然 而d f b - l d 的激射波长受温度( 约0 1 n m o c ) 和偏置电流的影响较大，只有通过调节d f b l d 的温度和偏置电流，其激射波长才能被调谐在预置的波长处。即便如此，d f b l d 经过长期 运行后，由于偏置电流会发生变化导致d f b 。l d 有源层的温度发生改变，从而激射波长仍然 会发生变化，而且d f b l d 的成品率低且价格昂贵。 i t u t 标准中w d m 系统设计的信道间距为0 8 n m 1 6 n m ，这远远大丁实际使用的信道 带宽，例如一个带宽为5 g h z 的信道在1 5 5 u r n 波段只占据了约o 0 4 n m 的波跃范围，冈而导 致大部分的带宽被浪费。考虑到将来信息传输容量的急剧增艮，因此不仅要拓展可复用的波 长范同，而且信道间距也需要降低( 如在1 5 5 u r n 波段降到5 0 6 r t z ( 约0 4 n m ) 或2 5 g h z ( 约o2 n m l 甚至更低) 。在这样的密集波分复用( d w d m ) 系统中，对光信号载波的波长是有严格规定的。 为避免传输中严重的信道间串扰，d w d m 需要激光光源的谱宽窄到埃的量级，即单频激光器； 并且要求激光器的工作波长极为稳定，频率漂移范围不超过几m h z ；同时还要求激光器的工 作波疑可连续调谐。阂此要求半导体激光器的波长不但要命中n u t 的规范，而且要求波长 很稳定。单纯依靠半导体材料获得所需的带隙波长和利用温度和电流对波长的微调谐是不够 的，此时，普通的半导体激光器已经不能满足要求了。因此在d w d m 系统中显然迫切需要 寻找一种能满足刑，t 的要求，具有更高精确度和更稳定激射波长且啁啾小，线宽窄，价格 低廉的光源。由于光栅的中心波长随韫度、应力的变化呈良好的线性关系，因此通过对光栅 加纵向拉伸力，改变温度或改变泵浦激光器的调制频率即可实现对光纤光栅激光器的调谐。 同时，日益重要的传感领域也要求使用高精度、窄线宽的单波长或多波长激光源。冈此， 设计出符合要求的光纡光栅激光器无疑是一项十分具有挑战性的任务。 1 3 本论文的研究重点和内容安排 要实现密集波分复用网络的通信，其中一个关键的技术就是如何产生符合i t u i 规范的 光源。本文以此为主体，系统、全面的研究了各种不同光纤光栅的特性及利用光纤光栅来设 计光纤光栅激光器的这一难题。 本论文包括以下章节： 第一章绪论 第二章光纤光栅的特性分析 第三章光纤光栅的制作 第四章实现光纤光栅激光器的基本方案 第五章基于取样光栅的可调谐光纤光栅激光器 第六章总结与展望 4 r 两帅范大学硕士论文 第二章光纤光栅的特性分析 第二章光纤光栅的特性分析 2 1 引言 光纤光栅是一种折射率周期或非周期变化的光波导，是一种重要的无源器件，在光纤通 信中有着重要的应用。由于光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制成的纤芯折射率呈现周期或 非周期性变化的器件，从而形成各种类型的光纤光栅，因而出现各种各样的制作方法。利用 光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光分插复用器、光纤放大器的增益均衡器 等 1 5 - t7 ，此外光纤光栅还在传感测量中有着重要的应用。 2 2 分类 光纤光栅有多种类型，按光栅的结构和折射率分布主要可以分为以下几种： 1 ) 均匀光栅”1 这足一种最为常见的光纤光栅，是短周期，反射式的。它被j “泛应用于光纤激光器，光 纤滤波器，波分复用器解复用器及传感器等。 2 ) 蜩啾光栅”1 其主要特征是光栅的光学周期沿光栅轴向是变化的。它主要应用于波分复用系统的色散 补偿器，掺铒光纤放大器，脉冲压缩，放大，滤波器和传感器等。 3 ) 相移光栅 2 0 在均匀光栅中引入一个或者多个相位跃变就构成了相移光栅。它主要用于窄带滤波器 分布反馈激光器和掺铒光纤放大器的增益平坦化等。 4 ) 取样光栅2 1 1 是按照一定的空间规律对均匀光栅进行采样而得到的。在光学梳状滤波器及多信道色散 补偿方面有很重要的应用价值。 分析光纤光栅主要有几种方法：1 ) 傅立叶变换法。该方法物理意义比较赢观，但难于求 解；2 ) 耦合模理论m 。这是分析光纤光栅最基本的理论，采用数值法解方程组来求光谱特性， 但求解耦合模方程很困难，过程烦琐；3 1 传输矩阵法【2 ”。对于结构复杂的光栅，可以被看作 是由许多个固定周期而且折射率调制为常数的小光栅级联而成。 2 3 耦合模理论 在理想的介质光波导中，一般都可得到一组本征模式解，各自分别满足边界条件，组成 完整的正交函数系，使得各个模式相互独立的传输。但实际上的光纤本身不可能是完美无缺 的，总是存在这样或那样的缺陷，如折射率分布不均匀，芯区宽度的轻微变化等，而且光纤 有意或无意受到外界微扰( 如波导形状的畸变，外加电场，磁场或声场) ，使得波导边界或折 射率出现畸变，从而各模式不再独立，它们之间将产生功率交换，这时称模式问发生耦台。 在单根光纤内和许多光纤之间都可能存在模式耦台。在一根有缺陷光纤的一端激发一个摸态， 广西师范大学硕士论文 第一二章光纤光栅的特性分析 由于光纤存在缺陷，该模态的功率中有一部分将转移给其他的传导模，并且也要转移到辐射 模，从而发生导模与导模之间，导模与辐射模之间的耦合；当理想的光纤距离比较近时，一 根光纤存在于另一根光纤的消逝场内，使得另一根光纤的模场变形，同时这根光纤场也变形， 从而产生消逝场之间的耦合。因此，模式耦合广泛存在于光传输系统中，特别是光纤成缆和 一一些光器件中。一些模式耦台是我们希望的，有些是我们不希望的。如由光纤本身缺陷产生 的导模与导模之间的耦合不但会产生附加损耗，还可能产生信号畸变；导模与辐射模之间的 辐台将引起光纤损耗，这些就是我们不希望的。但是我们也可利用模式耦合来减少多模光纤 的色散效应或制作一些光器件，如方向耦合器就是人为控制将一个波导的功率输送到另一个 波导中，从而激发另一个波导，并沿同一方向传输。所以说模式耦合的分析结合计算是光波 导理论的一个很重要的方面，也是分析和设计各种波导器件的基础。 耦合模理论最突出的优点在于能够解释光波在波导中的物理行为，即波导中的同类模f 导 波模、包层模和辐射模) 之间、不同类模( 导波模与包层模、导波模与辐射模、包层模与辐射 模) 之间的功率交换行为”；能够比较全面、细致、全程地描述光波耦合行为过程；是定量 描述光纤光栅衍射效率及谱分布的得力t 具，数学方程形式简洁，完整对称，具有严谨、精 确和直观的特点。不足之处是不适宜于非均匀光纤光栅的分析，且推演、求解复杂，受问题 边界条件的限制，能够得到的解析解有限。根据电磁场的麦克斯韦方程、理想波导的微扰条 件、慢变振幅近似、模式正交性及相应的边界条件，经复杂的推导可以得到耦合模方程。耦 合模理论要点如下： 在一般情况下，紫外光在纤芯区域所引起的折射率调制可作微扰处理“。根据耦合模 理论的理想近似，可以把光纤光栅区域的电场横向分量视为无微扰的很多理想模式的叠加即 耳( _ 办乙f ) = b ( z ) e x p ( i f l j z ) + 毋o ) e x p ( 一谚z ) 蔓 ( r ，妒) e x p ( 一f 耐) ( 2 - 1 ) 其中，系数4 和毋分别为沿+ z 利- z 方向传输的第j 个模式的慢变振幅，和i ( r ，) 是相 应模式的传输常数和横向模场，岛= ( 2 n 2 ) n 毋，e j t ( r ，妒) 既可描述导波模，亦可描述辐射 模和包层模。在理想波导情况f ，这些模式之间正交且无能量交换。当折射率变化引起微扰 时，第j 个模式的振幅a j 和b j 沿z 方向演变规律满足如下方程： 警= i 莩4 ( 砧+ ) e x p 【f ( 孱一岛) = + 莩瓯( 哟一畅) e x p 【_ f ( 屈+ 屈) z ( 2 _ 2 ) 警= 一莩4 ( 峨一瞄) e x p f ( 羼+ 岛) z 卜7 莩b ( 硝+ k ；) e x p 【_ f ( 屈一, o a z ( 2 3 ) 此二式中第，模和第七模间的横向耦合系数磁可表示为 戤( z ) 2 4 j ! s ( r ，妒，z ) 玉( ) 瓠 # ) r d c d r ( 2 - 4 ) 其中a e ( r ，办z ) 是介电常数的微扰，且当6 n n 时，占( r ，丸z ) “2 n 6 n ，纵向耦合系数k ； 6 广两师范大学硕士论文 第一章光纤光栅的特性分析 与砖的形式类似，一般有k ；c c 霸，故磁可以忽略。在只考虑导模有效折射率扰动的情 况下，紫外曝光后光纤的折射率分布可表示为m 吲护 l + v c o s l t 圳 协s ， 其中j 啄( z ) 为平均折射率的变化，v 为折射率变化条纹的可见度，人为栅格周期，妒( z ) 为 表示啁啾的参量。对于多数光纤光栅，j i ( z ) 在纤芯中近似均匀，而在纤芯外不存在。冈 此，可以用类似( 5 ) 的形式来描述纤芯折射率，但是须用面。0 ) 替代国巧( z ) 。( 4 ) 式形式复 杂，为明确物理含义及方便分析，定义两个新的参数o - 由( z ) 和( z ) 如下 ( z ) = o ) n ，c o r e 。厍( ，庐) e j t ( ，o ) r d o d r ( z ) = 罢磊( z ) 于是( 4 ) 式可写为： 砖= ( 卅2 驰) c 。s 降z 吲z ) ( 2 6 ) 式中d 0 ( z ) 为自耦合系数，是( 6 ) 式中的未调制项，反映光纤中的模式在各个周期内平均的耦 合效应，即同类模间的相互转换；丘。( z ) 为交叉耦合系数，是( 6 ) 式中的调制项，反映光纤中 的模式在各个周期内偏离平均耦合效应的程度，即不同模式间的相互转换。利片j 耦合模方程 ( 2 3 ) 式，可以对光纤光栅的光谱性质进行详细的分析。 为方便起见t 对( 5 ) 式，记n o = g i n 玎( z ) ，a n = v s n , ! ! r ( z ) ，反射谱峰值波长如= 1 5 5 0 r t m ， 横坐标取波长差a = a 一如，纵坐标规一化。下面对光纤光栅的基本光学性质进行具体分 析。 。、反射率r 和透射率t r = 式中有关参数定义如下 s i n hz ( 拓( 矿) c 。s h 2 ( 三伊甭一吾 ! ! 些：些堑e 至! c o s h 2 ( 上伊羽+ 吾 k 2 一d - 2 0 k 2 一子2 0 7 广西师范人学硕上论文 第二章光纤光栅的特性分析 白耦合撒子= 疋+ 仃一丢警( ；老描述光栅的啁啾程鼢 煳龉：疋咿云= z 脚咿 石1 光栅峰值波长：2 t o = 2 n 够a 交叉耦合系数：k ：k + ：罢v 赢 若光栅沿轴向均匀( 无啁啾) ，则d 妒出= 0 ，k 仃，子和芴盯均为常数。则 二、中心波长五h 。 三、反射带宽矗 ：f 。+ 叠k l亢酊 砜= 警瓜彘”咿y l v 咖盯l 删一爵“争侧黔僦z 拳= 2 等c = 妻为光 栅周期数) 。 ：对于强煳丽护争，折粹驯眈邮m 矗“鲁。 四、光纤布拉格光栅方程 如= 2 n , g a 2 4 传输矩阵 利用耦合模方程来计算光栅的反射率在不同波妖上的分布特性是计算光纤光栅特性的 一般方法。然而耦合模方程仅可处理折射率n ( 2 ) 以均匀周期形式分布变化的光纤光栅】。 由于相位掩膜技术的发展，人们可以设计出任意形式分布的掩膜板，能够制作出各种形式的 光纤光栅，但耦台模理论不能给山n ( z ) 以任意形式分布的光纤光栅的精确解。 作为一种近似理论 2 7 1 ，可将光纤光栅视为在一定范围1 = 【：j 折射率均匀分布的薄层的替加， 假设薄层内传播常数口保持不变，再利用耦合模方程处理薄层内的光传播，然后将各薄层的 作用相叠加，从而得到反射、透射光场的分布。这种方法也有它的局限性，阕为用来描述光 场与光纤光栅作用的耦合模方程都涉及到一个耦合常数的确定问题，耦合常数是由光栅的介 电常数e ( x ，y ，z ) 与光场的模式来共同决定的，现在人们还不能确定光栅中耦台常数的形式， 广西师范大学硕上论文 第二章光纤光栅的特性分析 而只能使用各种形式的耦合模型对光纤光栅的耦合模方程进行近似，例如高斯型，指数型等。 这样光纤光栅的反射率就可以进行数值求解了。进行数值求解的常用方法有两种，一+ 种是使 _ = jr u n g e k u t e 法求解从耦合波方程导出的r i c c a t i 微分方程”，另一种是传输矩阵法。 将耦合波方程化为r i c c a t i 然后进行数值求解，由于存在对相位的一阶导数，因此对具有 相移的光栅将无法求解，只能通过传输矩阵法求解。 传输矩阵法的出发点是把非均匀的光纤光栅看作是分段均匀光纤光栅的级联，利用传输 矩阵对其进行处理。将光纤光栅看作是一系列具有不同周期的均匀光纤光栅的串联，对每一 小段均匀周期的光纤光栅用耦合模方程进行求解，并用矩阵形式表达，联立每一小段的矩阵 即可得到整个光纤光栅的结果。由于这种根据折射率周期性变化将光纤光栅分层所带来的局 限，使折射率非周期变化的光纤光栅产生较大的误差，从而限制了其适用范围。文口”提出了 一种商接的分层法，将光纤光栅视为复合膜层，每一膜层的特性可以由一个传输矩阵来表示， 整个光栅的入射光场与反射光场的关系即由所有膜层的乘积得到。这种分层法比前面的方法 简单明了，不用考虑光栅折射率的变化形式，适用范围更广，计算的精度由分层的厚度决定。 光纤光栅的反射、透射特性均由光栅沿光纤方向的折射率变化决定p 。从这一点出发， 将光纤光栅折射率的连续变化近似视为离散，将光纤光栅视为无数折射率均匀分布的薄膜构 成的膜系。每一薄膜层的特性可以由一个传输矩阵来表示，整个光栅的入射光场与反射光场 的关系即由所有膜层的传输矩阵的乘积得到。对于单层薄膜，光在两个均匀媒质之间的均匀 介质膜的传播可以用一个等效界面来表示。二次均匀介质膜层对于光波电场和磁场的作用相 当于一个二阶传输矩阵m ，对于入射光场以及出射光场有下式成立： e| e ，l| c o s 占i s i n j h i 疗1h ，l i ns i n 占c o s d 具甲