【正文】 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。介紹了產(chǎn)生多波長的原理，以及產(chǎn)生多波長的幾種方法。光纖激光器多波長輸出、結(jié)構(gòu)緊湊、低成本、好的光束質(zhì)量、低插入損耗等，在通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通過閱讀了關(guān)于多波長摻鉺光纖激光器的參考文獻(xiàn)。將 DWDM 技術(shù)和OTDM 技術(shù)結(jié)合用于光纖通信系統(tǒng)中，將更充分發(fā)揮光纖通信系統(tǒng)的最大潛力和最優(yōu)良的性能，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長距離的信號傳輸。 總結(jié)近年來，光纖通信技術(shù)飛速發(fā)展，日新月異。2003 年 . Han 等利用級聯(lián)的長周期光纖光柵實(shí)現(xiàn)了多波長拉曼激光器[22]。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)定的多波長激光輸出[21]。而利用光纖中布里淵散射得到多波長輸出是利用 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決定的精確的頻移量，在 波段，其頻移量為 10GHz，相當(dāng)于 。近年來非線性效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于多波長光纖激光器中，其利用普通單模光纖，色散位移光纖或光子晶體光纖中的布里淵散射（SBS），四波混頻（FWM）或拉曼散射等非線性效應(yīng)來抑制摻鉺光纖的均勻展寬得到穩(wěn)定的多波長輸出。2000 年孫軍強(qiáng)等人利用多量子阱波導(dǎo)在諧振腔中產(chǎn)生的偏振燒孔效應(yīng)，在室溫下獲得了間隔為 的 11 個波長輸出[18]。除雙芯摻鉺光纖以外，2002 年 等人用橢圓摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，利用它的增益各向異性的特性，實(shí)現(xiàn)了 4 波長激光的常溫穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[17]。設(shè)定纖芯的參數(shù)和光纖長度，在腔內(nèi)可以有多個波長的激光同時振蕩。雙芯摻鉺光纖由相互平行、間距很小的兩根纖芯組成。此后，2003 年 Kejiang Zhou 等人利用正弦相位調(diào)制器取代移頻器在環(huán)形腔內(nèi)的位置，根據(jù)傅立葉展開可知，對光強(qiáng)的相位調(diào)制同樣可使得光場的頻率發(fā)生移動，因而同樣實(shí)現(xiàn)了多波長激光輸出[15]。為了實(shí)現(xiàn)常溫下的多波長輸出，人們設(shè)法引入各種效應(yīng)以削弱摻鉺光纖的均勻展寬。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。對于鉺光纖來說，自然展寬引起的均勻展寬很小，而晶格熱振動是引起均勻展寬的主要因素，這種展寬的機(jī)理是：由于晶格原子的熱振動，發(fā)光離子處于隨時間周期變化的晶格場中，因而導(dǎo)致它的能級位置也在一個范圍內(nèi)變化，從而引起譜線展寬。理論研究表明，當(dāng)多波長激光器的輸出波長間隔小于摻鉺光纖的均勻展寬線寬時，不可避免地存在著一個嚴(yán)重的問題：當(dāng)兩個以上波長的光同時起振時，存在模式競爭和模式跳變，從而導(dǎo)致激光器的輸出頻率特性十分復(fù)雜，輸出功率也很不穩(wěn)定。但以上方法所面臨的最大問題是摻鉺光纖的均勻展寬。1999 年 等人利用雙通的 MachZehnder 干涉儀實(shí)現(xiàn)了 9 波長，間隔為 的激光輸出，在MachZehnder 干涉儀的一個干涉臂上施加應(yīng)力改變干涉的臂長差，還實(shí)現(xiàn)了激光的輸出間隔的調(diào)諧[11]。1996 年 Jong Chow 等人在環(huán)形腔光纖激光器中用取樣 Bragg 光柵實(shí)現(xiàn)了間隔 的 5 波長激光輸出；他們還用兩個完全相同的光纖啁啾光柵制成寬帶透射 FabryPerot 濾波器， 的 11 波長激光輸出[9]。多波長摻鉺光纖激光器的實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，很大一類是直接利用摻鉺光纖的增益特性，在諧振腔內(nèi)插入梳狀濾波器，獲得多波長激光輸出。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。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。摻稀土元素光纖的出現(xiàn)，利用其作為增益介質(zhì)制成的光纖激光器，給激光器領(lǐng)域注入了新的活力。所以，多波長激光器的研制無疑具有重要的意義。多波長激光器可以同時為多個信道提供所需光源，使光發(fā)射端的設(shè)計更為緊湊、經(jīng)濟(jì)，因而在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中有很重要的用途。最直接的解決方法就是采用多個單波長激光器。最后對通過其他物理機(jī)制來削弱摻鉺光纖的均勻展寬實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多波長激光器的各類方法進(jìn)行了分析總結(jié)。第四節(jié) 本章小節(jié)本章分析了增益介質(zhì)增益譜線的均勻展寬和非均勻展寬，以及它們在信號光輸入時的增益飽和行為：均勻展寬介質(zhì)中增益飽和時增益曲線在整個光譜展寬范圍內(nèi)將整體下降，而非均勻展寬介質(zhì)增益飽和時增益曲線只在信號光頻率附近發(fā)生下降產(chǎn)生光譜燒孔效應(yīng)。其它方法在常溫下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的多波長激光輸出，比液氮冷卻更接近于實(shí)用，但是也存在各自的缺點(diǎn)。總之，實(shí)現(xiàn)多波長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。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)多波長操作的同時還可實(shí)現(xiàn)波長之間的可開關(guān)操作,這對一些應(yīng)用來說更加方便。偏振燒孔效應(yīng)可以通過在光纖激光器中使用特殊的偏振相關(guān)器件來實(shí)現(xiàn),如在腔內(nèi)使用保偏布拉格光纖光柵、保偏長周期光纖光柵、少模或多模光纖光柵等。該方法的主要缺點(diǎn)在于為了很好地滿足相位匹配條件,需要非常精細(xì)地調(diào)節(jié)腔內(nèi)光的偏振狀態(tài),從而使得該方法容易受外界環(huán)境的干擾,另外該方法的成本也比較高。該方法的關(guān)鍵是要產(chǎn)生顯著的四波混頻效應(yīng),因此不僅對腔內(nèi)引入的非線性光纖具有特殊的要求,而且要保證腔內(nèi)具有較高的光功率水平。環(huán)形腔中通過一個具有較高功率水平的摻鉺光纖放大器(EDFA)提供增益,梳狀濾波器(如光纖光柵陣列，取樣光纖光柵等各種梳狀濾波器)進(jìn)行多波長選擇,一段具有合適色散條件的高非線性光纖,如色散位移光纖(DSF)或光子晶體光纖(PCF)等來產(chǎn)生不同波長之間的四波混頻效應(yīng),偏振控制器用來調(diào)整腔內(nèi)光的偏振狀態(tài),從而有利于更好地滿足相位匹配條件。圖 A. Bellemare 等突出的基于頻移反饋的摻鉺光纖機(jī)關(guān)其機(jī)構(gòu)示意圖理論和實(shí)驗(yàn)表明四波混頻效應(yīng)可以起到穩(wěn)定多波長激光振蕩的作用[30]。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,對光強(qiáng)的相位調(diào)制同樣可使光場的頻率發(fā)生移動,因而同樣實(shí)現(xiàn)了多個波長的摻鉺光纖激光輸出。其中用于多波長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:通過在環(huán)形腔內(nèi)插入一個頻移器,由于反饋的光強(qiáng)在腔內(nèi)每循環(huán)一周都會有一定頻率的移動,不會造成一個波長上因連續(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)定的多波長光纖激光器。另外一大類方法就是通過在單摻雜增益光纖的諧振腔中引入特殊的物理機(jī)制,如頻移反饋實(shí)現(xiàn)室溫穩(wěn)定的多波長激光振蕩,該類方法具有很強(qiáng)的潛在應(yīng)用價值。交叉增益飽和其本質(zhì)就是兩種模式共同競爭相同的反轉(zhuǎn)粒子，因此，要削弱交叉增益飽和，就需使不同模式消耗不同的反轉(zhuǎn)粒子。第三節(jié) 多波長摻鉺光纖激光器的均勻展寬消除機(jī)制概述摻鉺光纖在室溫下的均勻展寬線寬為 ，由上節(jié)理論可知，對于要實(shí)現(xiàn)低于 波長間隔多波長激光則需要引入其他的物理機(jī)制降低交叉增益飽和來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩。然而，在均勻展寬增益介質(zhì)中，引入其他機(jī)制降低凈交叉增益飽和到低于凈自增益飽和時，依然可以實(shí)現(xiàn)多波長的穩(wěn)定振蕩。一旦在均勻展寬線寬內(nèi)，交叉增益飽和將大于自增益飽和，任何波長相關(guān)的損耗的微擾變化都會通過交叉增益飽和破壞雙波長達(dá)到的非穩(wěn)態(tài)平衡。而燒孔的線寬決定了穩(wěn)定多波長振蕩的最小波長間隔。交叉增益飽和系數(shù)反映的是一個模式的光在激活介質(zhì)中消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)對另一個模式的光的增益的影響；自增益飽和系數(shù)即為該模式對自身增益的影響。第二節(jié) 多波長激光輸出的穩(wěn)定條件假設(shè)在激光腔內(nèi)同時有兩個頻率分別為和的參在本征模式形成振蕩，則增益飽和時兩個頻率的光的增益系數(shù)分別為[23]： （） （）其中和分別為兩信號光的小信號增益系數(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)對自身增益的影響，為交叉增益飽和系數(shù)，表示每個模式對另一個模式的增益的影響。雖然在摻鉺光纖光放大器中以均勻展寬模型對其進(jìn)行模擬能夠得到很好的近似在深度飽和的情況時可以觀測到復(fù)雜的頻譜燒孔現(xiàn)象[2022]。一般來說，摻鉺光纖可以看作均勻展寬介質(zhì)。以上推導(dǎo)的是兩能級無簡并系統(tǒng)的均勻展寬增益系數(shù)和非均勻展寬增益系數(shù)，對于摻鉺光纖的上下兩個能級和由于斯托克斯分裂各有 7 種簡并和 8 種簡并形成了上下兩個能帶，因此其增益系數(shù)應(yīng)該為這 56 種能級躍遷的增益系數(shù)的總和，對此有人對摻鉺光纖增益系數(shù)進(jìn)行了精確求解。倘若有一頻率為的光束作用在激活介質(zhì)上，則只有那些發(fā)射（或吸收）頻率為的粒子（它們相應(yīng)速度為V ）才能與光束相互作用產(chǎn)生受激輻射（或受激吸收），隨光強(qiáng)增加，增益下降，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，但在增益曲線的其余部分，由于其反轉(zhuǎn)粒子數(shù)基本沒變，所以保持原來的數(shù)值。非均勻展寬的增益飽和之所以會發(fā)生燒孔效應(yīng)，這和它本身引起光譜展寬的機(jī)制有關(guān)。這種現(xiàn)象就是由非均勻展寬的增益飽和引起的光譜燒孔效應(yīng)。均勻展寬增益曲線在信號光強(qiáng)逐漸變大（即增益飽和）時，增益曲線 是在所有頻率范圍內(nèi)整體下降。對上式經(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。所以對于頻率在到范圍內(nèi)的粒子將發(fā)射一條中心頻率為 ，線寬為的均勻加寬譜線，這部分粒子產(chǎn)生的增益系數(shù)可按前面的式（）求得。 非均勻展寬的增益飽和 對于非均勻展寬介質(zhì)來說，各原子是按其運(yùn)動速度可分（也可以說按照其表觀中心頻率分類）的，因而在計算增益系數(shù)時，必須將反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按照表觀中心頻率分類，粒子數(shù)在頻率上的分布即為前面的非均勻展寬的歸一化光譜線型。 由上式可以看出，當(dāng)增益介質(zhì)發(fā)生增益飽和時，增益曲線將整體下降，均勻展寬的增益介質(zhì)的增益飽和行為的定性解釋如下：由于均勻展寬情況下，各發(fā)光原子對譜線線型的貢獻(xiàn)的幾率是相同的。 當(dāng)有光入射到激活介質(zhì)得到放大后，激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將會減少，由激活介質(zhì)的速率方程出發(fā)最后可算得反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與入射光強(qiáng)的關(guān)系為： （ ）其中為激活介質(zhì)在頻率處得飽和光強(qiáng)，為無信號光入射時的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。 均勻展寬的增益飽和首先，我們考慮一種二能級系統(tǒng)的均勻展寬激活介質(zhì)的增益飽和行為。第一節(jié) 增益飽和 為了方便起見，我們考慮一種最簡單的情況，即增益介質(zhì)為二能級系統(tǒng)，并且上、下能級無簡并。增益介質(zhì)的飽和行為將決定在其中建立多波長振蕩的難易。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)的各個原子依照其運(yùn)動速度（大小和方向）的不同而對譜線展寬范圍內(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譜線輪廓中內(nèi)某一特定頻率的輻射強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。假設(shè)某個原子由上能級躍遷到下能級發(fā)射出一個光子，由于多普勒效應(yīng)，該光子的表觀頻率會和其能級躍遷頻率有一個偏移，這也造成了光譜線的展寬。根據(jù)聲學(xué)中的多普勒效應(yīng)，任何運(yùn)動中的聲源發(fā)射出頻率為的聲波，在接收器中測得聲源的頻率會和聲源原來的頻率有一個偏差，其測得的頻率和聲源運(yùn)動的速度有關(guān)。均勻展寬的最大特點(diǎn)就是各個原子，即處在激光上能級的所有原子，對譜線展寬范圍內(nèi)每個頻率處的強(qiáng)度都有貢獻(xiàn)，對各個頻率的貢獻(xiàn)服從歸于一化光譜線型所表示的幾率分布，而這個幾率分布對所有原子都是相同的。自然展寬是均勻展寬的一種，其歸一化光譜線型為洛倫茲線型： （）代表發(fā)出頻率為的輻射的幾率，為均勻展寬線寬。由公式可以看出若是理想狀況下，激光發(fā)射的光子將是單一頻率的。1． 均勻展寬增益介質(zhì)的光譜線的均勻展寬[23]是由增益介質(zhì)的各原子（離子或者分子）對于某一確定的能級躍遷（如激光的上、下兩個能級之間的躍遷）具有相同的光譜線展寬造成的。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存在造成的綜合展寬。第三章 多波長摻鉺光纖激光器實(shí)現(xiàn)的基本原理與其他類型的摻鉺光纖激光器相比，多波長摻鉺光纖激光器的發(fā)展相對緩慢。根據(jù)所采用的激光增益介質(zhì)不同或梳狀濾波器不同，將多波長光纖激光器劃分為幾大類分別進(jìn)行考察，為設(shè)計各種高性能多波長光纖激光器提供現(xiàn)實(shí)參考。目前，基于光纖光柵的多波長梳狀濾波器主要有級聯(lián)長周期光纖光柵、取樣光纖光柵、疊加啁啾光纖光柵和多點(diǎn)相移光纖光柵。這些方法盡管在一定程度上增強(qiáng)了其梳狀濾波性能，但同時也增加了濾波器的復(fù)雜性，引入了更多的插入損耗。因此，在許多利用保偏光纖sagnac干涉環(huán)實(shí)現(xiàn)多波長光纖激光器的實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常通過改變保偏光纖的長度來實(shí)現(xiàn)波長間隔的可調(diào)諧。[26]： （）可見濾波峰波長間隔隨保偏光纖快慢軸折射率差和長度L變化而變化。從1端反射的光強(qiáng)函數(shù)滿足： （）其中C為與sagnac干涉環(huán)插入損耗相關(guān)的光強(qiáng)幅度項(xiàng)。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。 基于保偏光纖的多波長濾波器 ，它通常由一個3dB光耦合器(Coupler)、一個偏振控制器PC和一段保偏光纖構(gòu)成。最近，利用非3dB耦合器構(gòu)成雙通MZI，華南師范大學(xué)羅安平等人也提出了一種波長間隔連續(xù)可調(diào)諧的改進(jìn)型雙通MZI。雙通MZI梳狀濾波光最終從2端輸出。利用此原理，商用化的MZI大多采用調(diào)節(jié)溫度改變兩干涉臂長差從而調(diào)諧波長間隔。因?yàn)椴煌ㄩL光注入所引入的相位差不同，有些波長構(gòu)成干涉加強(qiáng)，而有些波長構(gòu)成干涉減弱，因此在輸出端3或4將能觀察到規(guī)律的梳狀濾波，3端的濾波函數(shù)滿足[20]: ， （）其中，n為MZI干涉臂折射率，為入射光波長。單通馬赫一澤德干涉儀主要由兩個3dB耦合器(Cl和C2)通過兩個不等長的干涉臂(和)連接而成。正是因?yàn)樗膹V泛應(yīng)用前景，近年來得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。例如，目前光通信中大多將波導(dǎo)延時馬赫一澤德干涉儀用于波長交錯器、分插復(fù)用器、聲光濾波器及多波長激光器的選模。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