光学双稳态及光纤激光器的研究

论文摘要

光学双稳态是很多光学器件的基础,如光开关、光存储和光逻辑器件等。多波长激光器作为光通讯的光源,在现代通信领域中占有极其重要的地位。高功率单纵模光纤激光器则在远距离传感和高精度光谱等领域有着广泛的应用。本论文的主要研究对象是环形掺铒光纤激光器中的光学双稳态,基于半导体光放大器（SOA）的波长间隔可调的多波长光纤激光器及频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器。实验中发现,即使在简单构造的以长度较大的掺铒光纤为增益介质的光纤激光器中也存在明显的光学双稳态现象。为了找出双稳态现象出现的原因,我们测得了掺铒光纤在相关泵浦下的增益特性曲线,并通过增益特性曲线解释了这种掺铒光纤激光器中光学双稳态形成的机制。然而根据传统的掺铒光纤的传输方程所计算出的掺铒光纤的增益特性曲线跟我们实验中所得到的并不一致。为此我们在传统的传输方程中引入“无用泵浦损耗”这一概念对其进行修正,根据修正后的传输方程计算出的掺铒光纤的增益特性曲线与实验所得曲线符合的很好。文中还讨论了掺铒光纤的长度、铒离子掺杂浓度及腔内损耗等因素对光学双稳态区间大小的影响。为了在激光器中得到区间大小可调的光学双稳态,我们理论上验证并实验上实施了一种使用两段掺铒光纤的环形光纤激光器,其中一段掺铒光纤用于增益,另一段则用作吸收。通过改变注入到吸收段掺铒光纤的泵浦光的强度来改变它的吸收性能,我们实现了光学双稳区间从一最大值到零之间的连续调节。另外我们还给出了双稳态光纤激光器在光控光方面的一个应用。Lyot-Sagnac滤波器由多段保偏光纤和多个偏振控制器构成。通过调节滤波器中的偏振控制器,我们可以改变滤波器的几何构型来影响其反射谱线。文中对两段式和多段式Lyot-Sagnac滤波器进行了详细的理论分析,可预见这种梳状滤波器的波长之间的间隔是可调的。利用SOA的非均匀加宽特性,实验上,我们实现了一种基于SOA的波长间隔可调的多波长光纤激光器。在室温下得到了约18个具有30dB信噪比的、波长间隔为0.8nm的多波长激光输出,波长范围在1556nm到1577nm之间。通过调节Lyot-Sagnac环内的偏振控制器,多波长激光的波长间隔可在两种ITU标准波长间隔（0.4nm和0.8nm）间选择。我们设计了一个频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器,使用饱和吸收体和光纤F-P滤波器进行复合选模的技术,减小了光纤激光器中使用的饱和吸收体的长度,从而降低了腔内损耗,为光纤激光器的高功率输出提供了条件。双包层铒镱光纤加上两个6.5瓦的半导体激光器作泵浦源为激光腔提供了足够大的增益。可调谐光纤光栅滤波器用来调节激光器的输出波长,光纤相位调制器则用来完成对频率的精细调节。根据泵浦功率、双包层铒镱光纤的转换效率及对腔内损耗的估计,我们预测激光器的最大输出功率可达1.6瓦。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光通信技术的发展
• 1.1.1 光纤通信的发展历史
• 1.1.2 光纤通信中的复用技术
• 1.2 光纤通信中的光源及光放大技术
• 1.2.1 半导体光源
• 1.2.2 光纤激光器
• 1.2.3 通信用光源的发展趋势
• 1.2.4 光纤通信中的光放大技术
• 1.3 多波长光纤激光器
• 1.3.1 多波长光纤激光器的分类
• 1.3.2 可调谐多波长光纤激光器
• 1.4 光学双稳态
• 1.4.1 光学双稳器件
• 1.4.2 双稳态光纤激光器
• 1.5 可调谐高功率单纵模光纤激光器
• 1.6 论文的主要内容和安排
• 参考文献
• 第二章 光纤激光器基本原理
• 2.1 激光器基本理论
• 2.1.1 自发辐射
• 2.1.2 受激吸收
• 2.1.3 受激辐射
• 2.1.4 线型加宽
• 2.1.5 激光振荡
• 2.1.6 频谱分布
• 2.2 光纤激光器
• 2.2.1 光纤
• 2.2.2 掺铒光纤放大器
• 2.2.3 光纤激光器的腔形结构
• 2.3 多波长光纤激光器
• 2.3.1 多波长激光稳定振荡的条件
• 2.3.2 实现多波长激光输出的方法
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 波长间隔可调的多波长光纤激光器
• 3.1 半导体光放大器
• 3.1.1 半导体光放大器的基本原理与结构
• 3.1.2 SOA 的理论模型
• 3.2 LYOT-SAGNAC 多波长光纤滤波器
• 3.2.1 两段式Lyot-Sagnac 光纤滤波器
• 3.2.2 N 段式Lyot-Sagnac 滤波器的理论分析
• 3.2.3 环境对Lyot-Sagnac 滤波器的影响
• 3.3 基于SOA 的波长间隔可调的多波长光纤激光器
• 3.3.1 波长间隔在0.411m 和0.811m 之间可
• 3.3.2 波长间隔连续可调
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 掺铒光纤激光器中的光学双稳态现象
• 4.1 光学双稳态简介
• 4.2 基于光纤器件的光学双稳态的研究进展
• 4.3 实验中的光学双稳态现象
• 4.4 实验中的光学双稳态现象的解释
• 4.5 增益曲线的理论计算
• 4.5.1 掺铒光纤的三能级模型
• 4.5.2 对经典传输方程的改进
• 4.5.3 数值模拟及对结果的分析
• 4.6 双稳态光纤激光器在光控光技术上的应用
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 双稳区间可调的双稳态掺铒光纤激光器
• 5.1 区间大小可调的光学双稳态的研究进展
• 5.1.1 双稳区间可调的意义
• 5.1.2 光纤激光器中获取区间大小可调的光学双稳态的方法[2]
• 5.2 基于两段掺铒光纤结构的区间大小可调的光学双稳态
• 5.2.1 两段掺铒光纤的增益特性曲线
• 5.2.2 激光器中光学双稳态区间的理论计算
• 5.2.3 可调双稳态的实验
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器的设计
• 6.1 实现窄线宽光纤激光器的常用方法
• 6.1.1 光纤布拉格光栅
• 6.1.2 偏振非相干技术
• 6.1.3 掺杂光纤饱和吸收体
• 6.2 拍频法判定激光的单频
• 6.3 单频激光线宽的测量方法
• 6.3.1 扫描F-P 干涉仪
• 6.3.2 延迟自差法
• 6.4 掺杂光纤饱和吸收体压窄激光线宽解释
• 6.5 频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器的实验设计
• 6.5.1 激光器实现的功能
• 6.5.2 激光器的结构
• 6.6 窄线宽光纤激光器的应用
• 6.6.1 频率调制连续波技术
• 6.6.2 激光定位/测距
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本论文的主要工作
• 7.2 今后工作的展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的科研成果