【正文】 干涉儀的多波長(zhǎng)濾波器 13 基于保偏光纖的多波長(zhǎng)濾波器 14 基于光纖光柵的可調(diào)諧多波長(zhǎng)濾波器 15第三節(jié) 本章小節(jié) 16第三章 多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器實(shí)現(xiàn)的基本原理 18第一節(jié) 增益飽和 19 均勻展寬的增益飽和 20 非均勻展寬的增益飽和 19第二節(jié) 多波長(zhǎng)激光輸出的穩(wěn)定條件 21第三節(jié) 多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的均勻展寬消除機(jī)制概述 23 23 24 利用偏振燒孔效應(yīng)實(shí)現(xiàn)常溫下穩(wěn)定的多波長(zhǎng)光纖激光輸出 25第四節(jié) 本章小節(jié) 26第四章 多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的研究進(jìn)展 27總結(jié) 30感謝 30參考文獻(xiàn) 31第一章 緒論第一節(jié) 光通信的發(fā)展光纖通信是以現(xiàn)代物理學(xué)中的激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、光學(xué)元器件等為基礎(chǔ)，結(jié)合其他眾多學(xué)科形成的一種通信方式。綜述多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的研究進(jìn)展學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（論文）：根據(jù)《太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范》的要求撰寫畢業(yè)論文，要用我校統(tǒng)一的太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙，并用計(jì)算機(jī)打印。在 60 至 70 年代，“激光通信”曾一度是通信專家與工程師們研究的熱點(diǎn)。光纖通信復(fù)用方式通?？梢苑譃楣獠ǚ謴?fù)用與光信號(hào)復(fù)用。EDFA 具有高增益、寬帶寬、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，且其光放大范圍為 15301565nm，但其增益曲線比較平坦的部分是 15401560nm，它幾乎可以覆蓋 WDM 系統(tǒng)的1550nm 的工作波長(zhǎng)范圍。OTDM 全光網(wǎng)可提供比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)高得多的速率，一般可支持單信道大于100Gbit/s 的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，并且網(wǎng)絡(luò)容量以每10 年增長(zhǎng)10倍的速度繼續(xù)增長(zhǎng)[68]。另一方面，拉曼光纖放大器(或半導(dǎo)體光放大器SOA)自身具有非均勻增益展寬特性，因此無(wú)需其他輔助技術(shù)就能容易產(chǎn)生多波長(zhǎng)激射，故在眾多場(chǎng)合也備受青睞。然而，隨著高功率摻稀土激光器和半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，拉曼泵浦源的問(wèn)題得以解決。然而，前面涉及的多波長(zhǎng)拉曼光纖激光器的波長(zhǎng)間隔大多不能調(diào)諧或者僅僅可離散調(diào)諧。2004年，Chen等人采用可調(diào)控的高雙折射sagnac環(huán)鏡作為梳狀濾波器，[23]。在光傳感領(lǐng)域，將其用作相位濾波器可對(duì)多點(diǎn)、多參量的光纖光柵傳感信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)入射光從耦合器1端注入被分成兩路光，這兩路光將順時(shí)針和逆時(shí)針兩方向在光纖環(huán)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，偏振控制器PC等效于兩個(gè)波片和一個(gè)波片將分別為這兩路光引入一些固定的快慢軸相位差，同時(shí)光場(chǎng)經(jīng)過(guò)保偏光纖時(shí)也將產(chǎn)生另一快慢軸相位差（為入射光波長(zhǎng)，為保偏光纖快慢軸折射率差，L為保偏光纖長(zhǎng)度），這兩束光最終又回到耦合器并干涉形成梳狀濾波。通過(guò)以下討論我們可知增益介質(zhì)的光譜線展寬特性將在實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激光的穩(wěn)定輸出中起到重要作用。下面我們將先分析兩種展寬的增益飽和，然后再討論多波長(zhǎng)激光穩(wěn)定振蕩的條件。而非均勻展寬的增益曲線在信號(hào)光強(qiáng)變大后， 增益曲線不是整體下降， 而是只以頻率為中心，寬度為的頻率范圍內(nèi)的增益系數(shù)下降，而其他頻率的增益 圖 非均勻展寬增益飽和的增益曲線曲線下降非常小。由前面關(guān)于均勻展寬和非均勻展寬的討論可知，在非均勻展寬的增益介質(zhì)中，光譜燒孔效應(yīng)會(huì)引起弱耦合，因此能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的多波長(zhǎng)振蕩。應(yīng)用這種方法可以很方便地獲得常溫穩(wěn)定工作的數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)的激光輸出,但是由于利用該方法也同時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)單個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)的短脈沖操作,因此,為了保證多波長(zhǎng)的連續(xù)激光輸出,必須精細(xì)控制環(huán)形腔中的腔內(nèi)損耗，功率水平以及摻鉺光纖的飽和水平等。因此，如果能研制出一種成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)又能在室溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器，必將在實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的前景。因此，光纖激光器的出現(xiàn)，為 WDM 系統(tǒng)提供了一種重要意義的新光源。2000 年 A. Bellemare 等人在上述提到的環(huán)形腔多波長(zhǎng)激光器中引入移頻器，由于反饋的光強(qiáng)經(jīng)過(guò)腔內(nèi)循環(huán)一周后被移動(dòng)到了相鄰的頻率上去，不會(huì)造成一個(gè)波長(zhǎng)上的連續(xù)增益放大直到飽和，摻鉺光纖的均勻展寬被極大地抑制[14]。應(yīng)用光纖中的拉曼效應(yīng)也可以得到穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光輸出，特別是近年來(lái)光子晶體光纖的廣泛應(yīng)用，其高非線性的特性，多樣的光纖結(jié)構(gòu)為拉曼光纖激光器的研究提供了廣闊的空間。由于閱讀能力有限只進(jìn)行了小范圍的總結(jié)與研究，但是對(duì)與多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器有了更深的了解。2005 年 X Liu 等人利用高非線性光子晶體光纖得到了穩(wěn)定的間隔為 的雙波長(zhǎng)激光輸出并觀察到了明顯的四波混頻現(xiàn)象[20]。由此可見(jiàn)，由晶格熱振動(dòng)引起的均勻展寬是與溫度條件密切相關(guān)的。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，光纖激光器正日趨成熟，并具有以下優(yōu)越性：光纖激光器具有波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，其耦合效率高，纖芯直徑小，可以在光纖纖芯中產(chǎn)生高的功率密度，使得激光效率大幅度提高。其主要不足是單純利用偏振燒孔效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)數(shù)目不多,只有幾個(gè)波長(zhǎng)。以下是其中的幾種實(shí)現(xiàn)方法： 2000 年，加拿大的 [34]等提出在環(huán)形腔中引入一個(gè)頻移器來(lái)獲得常溫下穩(wěn)定的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光輸出的方法,其采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 所示。因此，下面對(duì)于二能級(jí)無(wú)簡(jiǎn)并系統(tǒng)的增益介質(zhì)的多波長(zhǎng)激光穩(wěn)定振蕩的條件同樣適用于摻鉺光纖。因此，非均勻展寬增益系數(shù)為其分布在各頻率范圍內(nèi)粒子的均勻展寬增益系數(shù)總和： ()式中為入射到激活介質(zhì)的光強(qiáng)，即信號(hào)光強(qiáng)。由多普勒效應(yīng)造成的光譜線展寬屬于非均勻展寬，其歸一化光譜線型為高斯線型： （）代表發(fā)出頻率為的輻射的幾率，為非均勻展寬線寬。由于梳狀濾波器在實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)光纖激光器中至關(guān)重要的地位，在本章中我們也特別介紹了幾種常用的多波長(zhǎng)梳狀濾波器，包括馬赫一澤德干涉儀、保偏光纖Sagnac環(huán)及光纖光柵梳狀濾波器。這些雙通MZI結(jié)構(gòu)在不程度上都改進(jìn)了單通MZI梳狀濾波的性能，使其在多波長(zhǎng)光纖激光器等應(yīng)用領(lǐng)域更具魅力。由于法布里一珀羅干涉儀作為梳狀濾波器已有非常悠久歷史且具體運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理在許多參考書中已有詳細(xì)講解，本文中將不再細(xì)述。而且，基于SOA的多波長(zhǎng)光纖激光器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，能大大降低激光器成本。隨后幾年，他們也利用各種特殊光纖光柵(包括少模光纖光柵和多點(diǎn)相移光纖光柵)作為梳狀濾波器，完成了一系列多波長(zhǎng)拉曼光纖激光器的研究[38,39,40]。 (a) (b)(a)環(huán)形腔，(b)線性腔根據(jù)所采用的激光增益介質(zhì)不同，多波長(zhǎng)光纖激光器通?？煞譃樗念?多波長(zhǎng)摻餌光纖激光器，多波長(zhǎng)拉曼光纖激光器，多波長(zhǎng)半導(dǎo)體光纖激光器，多波長(zhǎng)混合增益光纖激光器。 (1)就增益介質(zhì)而言，多波長(zhǎng)光纖激光器通常采用光纖放大器(如摻稀土光纖放大器[11]和拉曼光纖放大器[12]作為增益介質(zhì)，這將使得其具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。與 WDM 系統(tǒng)不同的是，在 OTDM 中，采用單一光波長(zhǎng)傳輸。例如，對(duì)于16 路的 ，單波長(zhǎng)系統(tǒng)需要 32 根光纖，而 WDM 系統(tǒng)僅需要兩根光纖。人們希望能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)論何時(shí)、無(wú)論何地、通過(guò)何種方式都能夠方便的獲取需要的信息。光時(shí)分復(fù)用（OTDM）、光波分復(fù)用（OWDM）特別是為密集波分復(fù)用（DWDM）提供支持的摻鉺光纖放大器（EDFA） 和光無(wú)源器件迅速實(shí)用化，為高速率、大容量信息的長(zhǎng)距離傳輸提供了易于實(shí)現(xiàn)的方式，也為以波長(zhǎng)選路為基礎(chǔ)的全光通信網(wǎng)的發(fā)展提供了可能[1]。太　原　理　工　大　學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器研究進(jìn)展畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：畢業(yè)論文要求：在大量查閱多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器研究方面文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，整理文獻(xiàn)， 最后整理成文，按時(shí)完成畢業(yè)論文。人類很早就認(rèn)識(shí)到用光可以傳遞信息。人類對(duì)信息的渴求成倍的增長(zhǎng)使得光纖通信面臨了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。(3) 各信道透明傳輸，平滑升級(jí)、擴(kuò)容。OTDM 技術(shù)并不是僅僅用來(lái)提高光纖的傳輸容量，它們更廣泛的應(yīng)用前景是作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用來(lái)組建“全光網(wǎng)”。值得注意的是，多個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)共用同一增益介質(zhì)將導(dǎo)致較強(qiáng)的模式競(jìng)爭(zhēng)，要獲得多波長(zhǎng)同時(shí)穩(wěn)定振蕩，這是首先必須考慮的問(wèn)題。本節(jié)中我們將著重介紹前兩種多波長(zhǎng)光纖激光器的發(fā)展現(xiàn)狀及各自的特點(diǎn)。令人感興趣的是他們也利用多波長(zhǎng)拉曼光纖激光器作為遠(yuǎn)程溫度和應(yīng)力傳感器。(3)SOA通常能產(chǎn)生平坦的、較寬的增益帶寬，因此能同時(shí)產(chǎn)生更多的激射波長(zhǎng)。下面將主要介紹除此之外的幾種梳狀濾波器的運(yùn)行原理及各自特點(diǎn)，為以后選取光纖激光器的多波長(zhǎng)選模器件提供參考。 基于保偏光纖的多波長(zhǎng)濾波器 ，它通常由一個(gè)3dB光耦合器(Coupler)、一個(gè)偏振控制器PC和一段保偏光纖構(gòu)成。第三章 多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器實(shí)現(xiàn)的基本原理與其他類型的摻鉺光纖激光器相比，多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的發(fā)展相對(duì)緩慢。與均勻展寬相比，非均勻展寬最大的區(qū)別是：處于激發(fā)態(tài)的各個(gè)原子依照其運(yùn)動(dòng)速度（大小和方向）的不同而對(duì)譜線展寬范圍內(nèi)的每一頻率處的強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不同，即某一速度的原子只對(duì)譜線輪廓中內(nèi)某一特定頻率的輻射強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。對(duì)上式經(jīng)復(fù)雜的運(yùn)算后，我們可以得到非均勻展寬介質(zhì)中的增益飽和行為。第二節(jié) 多波長(zhǎng)激光輸出的穩(wěn)定條件假設(shè)在激光腔內(nèi)同時(shí)有兩個(gè)頻率分別為和的參在本征模式形成振蕩，則增益飽和時(shí)兩個(gè)頻率的光的增益系數(shù)分別為[23]： （） （）其中和分別為兩信號(hào)光的小信號(hào)增益系數(shù)，和分別為兩光的光強(qiáng)，為飽和系數(shù)，其中為自增益飽和系數(shù)，表示了各模式的光強(qiáng)對(duì)自身增益的影響，為交叉增益飽和系數(shù)，表示每個(gè)模式對(duì)另一個(gè)模式的增益的影響。其中用于多波長(zhǎng)選擇的濾波器可以是各種梳狀濾波器,頻移器為聲光調(diào)制器其基本工作原理為:通過(guò)在環(huán)形腔內(nèi)插入一個(gè)頻移器,由于反饋的光強(qiáng)在腔內(nèi)每循環(huán)一周都會(huì)有一定頻率的移動(dòng),不會(huì)造成一個(gè)波長(zhǎng)上因連續(xù)增益放大而飽和,使摻鉺光纖的均勻展寬被極大地抑制,從而可以獲得常溫下穩(wěn)定的多波長(zhǎng)光纖激光器?？傊瑢?shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)在于如何消除由摻鉺光纖本身的均勻展寬引起的交叉增益飽和從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩。光纖激光器基質(zhì)是 SiO2，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而光纖結(jié)構(gòu)具有較高的表面積－體積比，所以其散熱效果很好。實(shí)驗(yàn)證明將鉺光纖浸在液氮池中，采用低溫冷卻的方法，可以得到較好的結(jié)果。而利用光纖中布里淵散射得到多波長(zhǎng)輸出是利用 SBS 提供窄帶寬增益，使 布里淵 散射波與泵浦波之間存在由光纖中聲速?zèng)Q定的精確的頻移量，在 波段，其頻移量為 10GHz，相當(dāng)于 。感謝感謝楊玲珍老師的給予的資料和理論上的指導(dǎo)，以及其他同學(xué)給予的技術(shù)的幫助。2005 年 Y. J. Song 等人利用 布里淵和摻鉺光纖共同增益的方法得到了穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光輸出[21]。為了實(shí)現(xiàn)常溫下的多波長(zhǎng)輸出，人們?cè)O(shè)法引入各種效應(yīng)以削弱摻鉺光纖的均勻展寬。光纖激光器與常規(guī)光纖具有自然的通融性和兼容性，易于進(jìn)行光纖集成，與通信線路耦合損耗低，使用方便可靠。其它方法在常溫下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光輸出，比液氮冷卻更接近于實(shí)用，但是也存在各自的缺點(diǎn)。另外,2003 年,[37]等利用正弦相位調(diào)制器取代頻移器,根據(jù)傅里葉變換可知,對(duì)光強(qiáng)的相位調(diào)制同樣可使光場(chǎng)的頻率發(fā)生移動(dòng),因而同樣實(shí)現(xiàn)了多個(gè)波長(zhǎng)的摻鉺光纖激光輸出。交叉增益飽和系數(shù)反映的是一個(gè)模式的光在激活介質(zhì)中消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)對(duì)另一個(gè)模式的光的增益的影響；自增益飽和系數(shù)即為該模式對(duì)自身增益的影響。均勻展寬增益曲線在信號(hào)光強(qiáng)逐漸變大（即增益飽和）時(shí)，增益曲線 是在所有頻率范圍內(nèi)整體下降。增益介質(zhì)的飽和行為將決定在其中建立多波長(zhǎng)振蕩的難易。在激光被發(fā)現(xiàn)后不久，人們發(fā)現(xiàn)激光的增益譜并不是一條單一的光譜線，而是其增益光譜會(huì)有展寬，光譜線型的展寬可以分為均勻展寬和非均勻展寬或者兩者同時(shí)存在造成的綜合展寬。它不僅能作為反射型梳狀濾波，同樣也能提供透射型的梳狀濾波。例如，目前光通信中大多將波導(dǎo)延時(shí)馬赫一澤德干涉儀用于波長(zhǎng)交錯(cuò)器、分插復(fù)用器、聲光濾波器及多波長(zhǎng)激光器的選模。正是SOA具有以上的等等優(yōu)點(diǎn)，最近幾年利用SOA作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激射己引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。2005年，Wang等人利用取樣光纖光柵作為梳狀濾波器，通過(guò)合適的調(diào)整取樣周期和取樣長(zhǎng)度，獲得了頻率間隔分別為 100GHz、 50GHz和 25GHz的多波長(zhǎng)拉曼光纖激光器[35]。然而，在此之后拉曼光纖激光器一直卻未得到廣泛的應(yīng)用，其主要原因是受激拉曼散射具有較高的泵浦閾值，為實(shí)現(xiàn)有效的拉曼激射通常需要非常高的泵浦功率，這在當(dāng)時(shí)的條件下很難被滿足。例如，EDFA多波長(zhǎng)光纖激光器常采用液氮制冷光纖至77k[13]、聲光頻移[14]、相位調(diào)制和非線性光學(xué)效應(yīng)[15,24,26,30]等輔助技術(shù)來(lái)抑制摻餌光纖的均勻展寬。同時(shí)，由于信息在傳送過(guò)程中始終保持光信號(hào)的形式，因此全光網(wǎng)具有極強(qiáng)的抗電磁干擾性能，在強(qiáng)電磁環(huán)境中的生存性得到極大提高，這是全光網(wǎng)的另一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。(4) 利用 EDFA 實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離傳輸。近年來(lái)，為了提高通信系統(tǒng)的容量，人們一直致力于各種復(fù)用通信方式。盡管如此，直到 1960 年 發(fā)明了紅寶石激光器才奠定了光波在現(xiàn)代通信上的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。論述多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器實(shí)現(xiàn)的基本原理。光纖通信系統(tǒng)與電纜相比具有傳輸容量大、傳輸距離長(zhǎng)、不受電磁場(chǎng)干擾、保密性好及使用輕便等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論什么時(shí)候一種新技術(shù)的興起與發(fā)展，總是離不開(kāi)技術(shù)原動(dòng)力的推動(dòng)和市場(chǎng)需求。(2) 節(jié)約光纖的資源。目前，電時(shí)分復(fù)用技術(shù)（ETDM）已經(jīng)非常成熟了，也為人們所熟知。為達(dá)到以上要求，采用不同的激光增益介質(zhì)、不同的梳狀濾波器及不同的諧振腔結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外研究者已進(jìn)行了大量的研究工作，成果卓著。根據(jù)諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，多波長(zhǎng)光纖激光器可以分為環(huán)形腔多波長(zhǎng)光纖激光器和線性腔多波長(zhǎng)光纖激光器。MatoS等人在此基礎(chǔ)上采用4個(gè)光纖光柵作為多波長(zhǎng)選模器件進(jìn)一步獲得了波長(zhǎng)可調(diào)諧的4波長(zhǎng)拉曼光纖激光器圈[35]。(2)盡管拉曼增益為非均勻展寬從而也無(wú)需附加技術(shù)抑制模式競(jìng)爭(zhēng)，但為了獲得所需的激射波帶，拉曼泵浦波長(zhǎng)必須嚴(yán)格滿足拉曼頻移的要求且拉曼泵浦閾值通常較高。適用于多波長(zhǎng)光纖激光器的