超窄线宽多波长光纤激光器研究

论文摘要

多波长激光(MWL)光源是大规模光纤水听器阵列波分复用(WDM)系统的关键器件,特别是在相位载波(PGC)解调非平衡干涉仪光纤水听器阵列中,不仅要求光源具有多波长特性,同时还必须具有超窄线宽、高稳定和可调谐特性。因此,对超窄线宽多波长激光器进行研究对光纤水听器技术的发展具有重要意义。本论文通过理论分析、数值仿真和实验研究,对超窄线宽双波长掺铒光纤激光器的实现方案进行了探索。主要工作如下:1.引入基于掺铒光纤(EDF)Giles模型的多种简化模型,在不同近似水平下对掺铒光纤特性及掺铒光纤激光器(EDFL)进行了解析研究。建立环形腔掺铒光纤激光器仿真模型,对带有前后向放大自发辐射(ASE)噪声的单波长和多波长振荡进行仿真,优化设计激光器参数。利用解析模型推导了增益均衡方式实现普通环形腔内双波长平衡出射的条件,并得到仿真和实验验证。仿真结果表明,可通过增益均衡方式实现双波长平衡出射;在均匀增益加宽模型下,损耗谱的微小变化对激光的模式竞争过程具有强烈影响,0.05dB的损耗偏离将导致平衡破坏。2.对三种基于增益均衡与损耗控制技术的双波长环形激光器实现结构进行了实验研究,均获得双波长输出。基于光纤布拉格光栅(FBG)并联型结构,调整抽运功率、模式损耗以及波长间隔得到了各参量与双波长输出功率的关系。结果表明,远离阈值情况下,双模能稳定振荡,环形腔内损耗的稳定性对双波长平衡影响较大,0.3dB的波动将导致双模平衡振荡破坏,使得一个模式湮灭。通过稳定系统的损耗,测得双波长激光器两个波长输出功率波动小于0.5dB。3.测量了未抽运掺铒光纤的饱和吸收特性和驻波诱导增益烧孔导致的损耗波长相关特性,为超窄线宽激光器研究奠定了基础。设计了FBG串联型和并联型双波长超窄线宽激光器进行实验,结果表明串联型结构无法实现超窄线宽双波长激光器,而并联型结构可获得双波长输出,但两个模式由于模式竞争无法达到功率平衡:两波长功率相差30dB。通过调整损耗,可获得具有波长开关特性的双波长激光器。双波长激光器以及双波长超窄线宽激光器的实验研究结果表明,窄线宽的多波长激光器容易获得,超窄线宽双波长激光器由于模式竞争机制而难以实现;因此寻求超窄线宽双波长掺铒光纤激光器的稳定工作方案是下一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多波长掺铒光纤激光器研究进展
• 1.3 超窄线宽多波长光源的研究进展
• 1.4 课题研究内容与意义
• 第二章 双波长掺铒光纤激光器理论基础
• 2.1 掺铒光纤理论基础
• 2.1.1 掺铒光纤特性
• 2.1.2 掺铒光纤放大器理论模型
• 2.2 掺铒光纤激光器仿真模型
• 2.2.1 激光器仿真模型
• 2.2.2 掺铒光纤频谱仿真模型
• 2.2.3 频谱模型的数值解法
• 2.3 单波长环形腔光纤激光器仿真
• 2.3.1 单波长激光器输出频谱仿真
• 2.3.2 后向抽运方式
• 2.3.3 输出耦合比
• 2.3.4 仿真与实验数据对比
• 2.4 双波长环形腔光纤激光器仿真
• 2.4.1 双波长平衡振荡条件
• 2.4.2 增益与损耗满足匹配条件
• 2.4.3 增益损耗非匹配情况
• 2.4.4 外加随机扰动情况
• 2.5 本章小结
• 第三章 双波长环形腔掺铒光纤激光器的实验研究
• 3.1 双波长环形腔掺铒光纤激光器结构设计
• 3.1.1 调腔总损耗
• 3.1.2 调各波长损耗
• 3.1.3 纵模测试
• 3.2 双波长环形腔掺铒光纤激光器的输出稳定性研究
• 3.2.1 实验结构
• 3.2.2 抽运功率对双模功率的影响
• 3.2.3 通道损耗对双模功率的影响
• 3.2.4 波长间隔对双模功率的影响
• 3.2.5 输出功率稳定性测试
• 3.3 本章小结
• 第四章 超窄线宽双波长掺铒光纤激光器的实验研究
• 4.1 未抽运低掺杂铒纤用作饱和吸收体的实验研究
• 4.1.1 饱和吸收体线宽压缩技术
• 4.1.2 饱和吸收特性实验
• 4.1.3 饱和吸收体频谱特性实验
• 4.2 双波长掺铒光纤激光器线宽抑制实验
• 4.2.1 双波长掺铒光纤激光器线宽抑制结构设计
• 4.2.2 实验系统
• 4.2.3 FBG 串联结构
• 4.2.4 FBG 并联结构
• 4.2.5 实验结果讨论
• 4.3 波长可开关单纵模光纤激光器探讨
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A Giles 模型推导
• 附录B 平均反转粒子数模型推导
• 作者在学期间取得的学术成果