（光学专业论文）超荧光光谱分割多波长光源的研究.pdf

南* 太攀麟士掌位诗文 摘要 攮要 结台当前光纤通信系统的发展方向及研究热点，本论文选取了基于光谱 分割技术的多波长光源 乍为主要研究内容，具体毯括以下几个方强： 1 掺铒超荧光光纤光源( e d - s f s ) 的研究 澍备种结构e d s f s 进行了对比实验研究，结果表明，双程后向结构具 套最襄转换效率寒较嶷辕窭巍港。 对双程后向结构e d s f s 的详细实验研究表明：其输出功率随反射镜反 射率的增加而增加，随掺铒光纤长度先增加后减小：输出光谱形状由反射镜 反射率、掺铒光纤长度和泵清功率共同决定，农其中两个参数固定的溏况下， 哥鞋逶避调节勇乡 一个参数褥戮群游的光谱形狡。 采用双程后向结构，利用反射率约9 9 的光纤环镜，程最大泵浦功率为 7 2 8 m w 的情况下，选取最佳掺铒光纤长度1 5 m ，获得了3 0 ，6 r o w 的高功率 超荧毙辕密，竞走转换效率裹达4 2 o 。浚蹬必涟戆中，基波疑为1 5 4 4 4 r i m ， 3 d b 带宽2 9 2 n m 。考虑到各种损耗因素，泵浦散率已接近予避子转换极限。 这在国内尚属首次报道。 2 。基于恕谱分甍技术多波长光源鹤霹究 在e d s f s 输出端加上梳状滤波器进行光谱分割，便得到了光谱分割多 波长光源。论文中对串接光纤光栅、光纤法稚甩一珀罗干涉仪、光纤马赫一 螫德容予涉仪、毙缍逡克尔逊予涉纹豹滤波特髅及其光谱分割效采避雩亍了谨 细的理论探讨和实黢研究。 设计了一种新烈的双程马赫一曾德尔干涉仪，用它作为梳状滤波器j 拽行 光谱分割研究，得到- f1 5 5 0 r i m 附近信道间隔约0 8 r i m 、消光比大于2 7 d b 、 孚趣震德予0 5 d b 、鼙德遂拣分凌率绞。1 6 m w 靛2 0 个波长输出；秘震爱瓣 型光纤法布罩一珀罗干涉仪梳状滤波器进行光谱分割，得到了波长问隔潦续 可调的多波长输出，输出总功率禚l m w 量级。目前为止，遮两种光源在国 痰羚均寒照掇道。 3 基于光谱预分割技术多波长光源的研究 光谱预分割技术是一种新颖的、属于光谱分割范畴的技术。在双程结构 e d s f s 蓥镶上，裂穗反麓鍪棱状滤波器代骜瓣寒戆宽豢反爨孛疆，便撼戎了 i 基于光谱预分割技术的多波长光源。这种结构可以在很大程度上提高多波长 光的输出功率。 这一部分中，首先研究了泵浦方式对基于光谱预分割技术的多波氏光源 的影响。结果表明：在相同的泵浦功率水平下，后向泵浦结构具有最高输出 功率，| j i 向泵浦输出功率最低，双向泵浦输出功率介于二者之问；而后向泵 浦得到的多波长输出消光比较低，前向泵浦和双向预泵浦得到的消光比相同； 综合考虑输出功率和消光比，采用双向泵浦结构是较好的选择。 采用双程马赫一曾德尔干涉仪和双向泵沛光谱预分割结构，得到了 1 5 5 0 n m 附近信道间隔0 8 1 啪、信道带宽为0 3 0 n m 、单信道积分功率o 5 8 m w 、 消光比2 4 5 d b 的近2 0 个波长输出。与光谱分割相比，转换效率提高了2 倍 多。 采用反射型法布里一珀罗干涉仪和双向泵浦光谱预分割结构，得到了波 长问隔从3 0 n m 到4 3 n m 连续可调、消光比大于1 6 5 d b 、总功率为3 1 7 m w 的多波长输出。与光谱分割结构相比，输出功率提高了一个数量级以上。 这一部分的全部研究内容在国内外均未见报道。得到的两种多波长光源 可分别用于2 5 g b p s 和1 g b p s 的高速率光纤通信系统中。 关键词： 超荧光光纤光源( s f s ) ，宽带光源，多波长光源，掺铒光纤( e d f ) ，光谱分 割，光谱预分割，梳状滤波器，马赫一曾德尔干涉仪，法布里一珀罗干涉仪 u a b s t r a c t m u l t i w a v e l e n g t h f i b e r s o u r c e s ( m w f s s ) b a s e d o n s p e c t r u ms l i c i n g t e c h n i q u eh a v eb e e nr e s e a r c h e d i nt h i s t h e s i s e r b i u m d o p e ds u p e r f i u o r e s c e n t f i b e rs o u r c e ( e d - s f s ) h a sb e e nc h o s e na st h eb r o a d b a n ds o u r c e t h ew h o l et h e s i s m o s t l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ： 1 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ne d s f s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff d s f si nv a r i o u s c o n f i g u r a t i o n s h a v eb e e n d e m o n s t r a t e d t h ee d - s f si nd o u b l e p a s sb a c k w a r d ( d p b ) c o n f i g u r a t i o ni s s u p e r i o rt ot h eo t h e r si nb o t hp u m pe f f i c i e n c ya n ds p e c t r a lb a n d w i d t h t h ee f f e c t so ft h ev a r i a t i o n si nf i b e r l e n g t h ，f i b e rm i r r o r r e f l e c t a n c eo n e f f i c i e n c ya n do u t p u tp o w e ra r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d ，f o rd p be d s f s t h e o u t p u tp o w e ri n c r e a s e sw i t ht h er e f l e c t a n c eo f t h ef i b e rm i r r o r t h e r ei sa n o p t i m u ml e n g t ho ft h ee r b i u m d o p e df i b e r ( e d f ) w i t he d fa tt h a tl e n g t h ，t h e d p be d - s f sh a sam a x i m u m o u t p u tp o w e r l o n g e r o rs h o r t e re d f l e n g t h sg i v e s m a l l e ro u t p u tp o w e r t h eo u t p u ts p e c t r a ls h a p eo ft h ed p be d s f si sa f f e c t e d b ym a n yp a r a m e t e r s ，i nw h i c h t h ef i b e rm i r r o rr e f l e c t a n c e ，t h ee d f l e n g t ha n d t h e p u m pp o w e rl e v e la r et h em a i no n e s d e s i g n e ds p e c t r a ls h a p ec a l lb ea c h i e v e d t h r o u g ha d j u s t m e n to f a n y o f t h et h r e ep a r a m e t e r s af i b e rl o o pm i r r o r , w h i c hh a s 9 9 r e f l e c t a n c ei nt h ew h o l ecb a n d i s u t i l i z e di nt h ed p bs f s t o g e t h e rw i t ht h e o p t i m u mf i b e rl e n g t h o f15 m ， m a x i m u m o u t p u tp o w e ro f3 0 6 m ww i t hp u m pe f f i c i e n c yo f4 2 0 i sa c h i e v e d u n d e ral i m i t e d9 8 0 n mp u m pp o w e ro f7 2 8 r o w t h ep u m pe f f i c i e n c ya l m o s t r e a c h e st h eq u a n t u mc o n v e r s i o nl i m i t a t i o na f t e rc o r r e c t i o nf o ra l lt h ei n s e r t i o n 1 0 s s e s 2 e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e so n s p e c t r u ms l i c i n gt e c h n i q u e b a s e dm w f s s a s p e c t r u ms l i c i n gt e c h n i q u eb a s e dm w f s c o n s i s t sab r o a d b a n ds o u r c ea n d ac o m bf i l t e r ad p be d s f sh a sb e e ne m p l o y e da st h eb r o a d b a n ds o u r c e c a s c a d e df i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) ，f i b e rf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r s ( f f p s ) ， 1 1 1 f i b e rm a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r s ，a n df i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r sh a v ea l l b e e nu t i l i z e da sc o m bf i l t e r s 。 u s i n g an o v e lk i n do fm a c h - z e l m d e r i n t e r f e r o m e t e r , c a l l e da sad o u b l ep a s s m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( d p m z i ) ，a st h ec o m bf i l t e ri n s p e c t r u ms l i c i n g t e c h n i q u eb a s e dm w f s ，a b o u t2 0c h a n n e l sa r o u n d1 5 5 0n mw i t hw a v e l e n g t h s p a c i n go f - - 4 ) 。8n m h a sb e e na c h i e v e d t h ee x t i n c t i o nr a t i oa n dp o w e rv a r i a t i o n b e t w e e nc h a n n e l si sl a r g e rt h a n2 7d b ( 1 i m i t e db yt h er e s o l u t i o nb a n d w i d t ho ft h e o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r ) a n dl e s st h a n0 5d b ，r e s p e c t i v e l y e a c ho ft h e2 0 c h a n n e l sh a sa l li n t e g r a lp o w e ro f - 0 。1 6 m ww i t h o u ta n ya m p l i f i c a t i o n ，w h e na r e f l e c t e dt y p ef f pi se m p l o y e da st h ec o m b f i l t e r , m u l t i - w a v e l e n g t ho u t p u tw i t h c o n t i n u o u s l yt u n a b l ec h a n n e ls p a c eh a sb e e na c h i e v e d t h et o t a lo u t p u tp o w e ri s a tt h eo r d e ro fl m w ：a sf a ra sw ek n o w , t h e s et w ok i n d so fm w f s sh a v en o t b e e n r e p o s e du p t on o v e l 3 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so ns p e c t r u mp r e - s l i c i n gt e c h n i q u e b a s e dm w f s s s u b s t i t u t i n gt h eb r o a d b a n dm i r r o ro fad o u b l ep a s se d s f sb yar e f l e c t e d t y p ec o m b f i l t e r ，w eg e tas p e c t r u mp r e - s l i c i n gt e c h n i q u eb a s e dm w f s s p e c t r u m p r e s l i c i n gi san o v e lk i n do fs p e c t r u ms l i c i n gt e c h n i q u e ，i tc a ng r e a t l ye n h a n c e t h e o u t p u tp o w e r o f t h e 鹾w f s 。 t h ee f f e c t so fv a r i a t i o ni n p u m pc o n f i g u r a t i o n o n o u t p u tp o w e r a n d e x t i n c t i o nr a t i oh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h e b a c k w a r d p u m pc o n f i g u r a t i o n e x h i b i t st h em a x i m u mp u m pe f f i c i e n c y , w h i l eh a sar e l a t i v e l yl o w e re x t i n c t i o n r a t i o t h ef o r w a r da n dd u a lp u m pc o n f i g u r a t i o n se x h i b i th i i g h e re x t i n c t i o nr a t i o s ， y e t w i t hl o w e rp u m pe f f i c i e n c i e s c o n s i d e r i n gb o t ht h e e f f i c i e n c y a n dt h e e x t i n c t i o nr a t i o ，t h ed u a lp u m p c o n f i g u r a t i o ns h o u l db ea d o p t e d 2 0c h a n n e l sn e a r1 5 5 0 n mw i t hw a v e l e n g t h s p a c i n go f 0 8 1 r u ma n d b a n d w i d t h o fo 3 0 u r nh a v eb e e na c h i e v e db ye m p l o y i n gt h ed p m z ii nt h ed u a lp u m p e d s p e c t r u mp r e - s l i c i n gm w f s t h ei n t e g r a lp o w e r o f e a c hc h a n n e li sa b o u to 5 8 m w , w h i c hi st w ot i m e sl a r g e rt h a nt h a to ft h eo r d i n a r ys p e c t r u ms l i c i n gt e c h n i q u e b a s e dm w f s e x t i n c t i o nr a t i oh a sb e e nm e a s u r e dt ob e2 4 5 d ba r o u n dl5 5 0 n m a sar e f l e c t e dt y p ef f pi se m p l o y e di nad u a lp u m p e ds p e c t r u mp r e - s l i c i n g m w f s at u n a b l em w f sw i t he x t i n c t i o nr a t i oo fl a r g e rt h a n2 0 d bh a sb e e n r e a l i z e d 弧猃m a x i m u mo u t p u tp o w e ri s31 。7 m w w h i c hi sa no r d e rl a r g e rt h a n l v _ * $ 谢女掌镕惦文 摘要 t h a to f t h e o r d i n a r ys p e c t r u ms l i c i n gt e c h n i q u eb a s e dm w f s a sf a ra sw e k n o w , t h ew h o l e c o n t e n ti nt h i sp a r th a sn o tb e e n r e p o r t e du p t o n o w , t h et w ok i n d so fm w f s s w 融l a r g eo u t p u tp o w e r a n dh i 曲e x t i n c t i o nr a t i o ， a r ee x p e c t e dt ob eu t i l i z e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t ht r a n s m i s s i o n v e l o c i t yo f 2 5 g b p s a n di g b p s ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ： s u p e r f l u o r e s c e n tf i b e rs o u r c e ( s f s ) ，b r o a d b a n ds o u r c e ，m u l t i - w a v e l e n g t h f i b e r s o u r c e ( m w f s ) ，e r b i u m d o p e df i b e r ( e d f ) ，s p e c t r u ms l i c i n g ，s p e c t r u m p r e - s l i c i n g ，c o m bf i l t e r , f i b e rm a c h - z e h n d e r i n t e r f e r m e t e r , f i b e rf a b r y - p e r o t i n t e r f e r o m e t e r v 第一章绪论 1 1 光纤通信系统发展概况 光纤通信是以光波作为载体、光纤作为传输介质的一种信息传递方式。 以其频带宽、传输容量大，损耗低、无中继传输距离长，体积小、重量轻、 便于铺设，抗干扰、保密性好，材料资源丰富等特点成为信息时代的骄子。 光纤通信是目前为止人类发明的最为理想有效的有线通讯方式。 光纤通信是伴随着计算机、互联网技术的发展而兴起的。互联网的飞速 发展导致信息量爆炸式的增长，这对通信网传递信息的能力提出了更高的要 求，推动着光纤通信系统向着更高速率、更大容量的方向发展。光纤通信系 统的扩容有三种途径：增加单信道的传输速率、减小信道间隔和扩展通信带 宽。 ( 1 ) 增加单信道数据传输速率，主要通过时分复用( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，t d m ) 技术实现。目前，商用光纤通信系统的单信道传输速率 已经达到1 0 g b p s ，4 0 g b p s 速率的系统在实验上获得成功，正向实用转化。 同1 0 g b p s 系统相比较，4 0 g b p s 以上的系统有更多与信噪比、色散、非线性 作用、偏振模色散等有关的问题尚待解决。其中，偏振模色散是限制光纤通 信系统向更高速率发展的主要因素，而对偏振模色散进行补偿的难度和成本 是极高的。加上电子器件速率和系统性价比的限制，单信道的传输速率不可 能无限制的增加。 ( 2 ) 采用密集波分复用( d e n s ew 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 ) 技术，通过减小信道间隔来增加信道数目。在同一根光纤中传输多个波长的 光信号，可以充分利用光纤的频带资源。然而，信道间隔的减小将会伴随非 线性效应的增强，信道间隔小于5 0 g h z 时，四波混频( f o u rw a v em i x i n g ， f w m ) 效应会引起信道问的严重串扰，必须采取相应的抑制措施；另外小 的信道间隔还要求系统元件具有严格的波长稳定性，这带来系统成本的上升。 ( 3 ) 扩展通信带宽同样可以增加信道数目，充分利用光纤丰富的带宽资 源。在目前商用c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) 的基础上，将通信带宽扩展到与其 衔接的s 波段( 1 4 6 0 1 5 3 0 n m ) 和l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 5 n m ) ，不失为一种 有效的扩容手段。近年来，s 波段和l 波段光器件的研制引起了广泛的关注， 并已经取得了很大的进展。特别是l 波段，可以借鉴目前已经十分成熟的c 波段掺铒光纤放大器( e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 技术，因而成为 1 _ * $ q 女$ m * 第一章绪论 研究的热点。 除了提高速率和传输容量外，增加无中继传输距离也是现代光纤通信发 展的方向之一。 光孤子理论的出现，在这方面具有重要的意义。光孤子是指经过长距离 传输而保持形状不变的光脉冲。光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象， 即群速度色散( g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ，g v d ) 和自相位调制( s e l f - p h a s e m o d u l a t i o n ，s p m ) 共同作用形成的。光孤子传输不变形的特点决定了它在通 信领域里的应用前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设一个中继站，经 过对信号脉冲整形、放大、误码检查后再发射出去，而用光孤子通信则可不 用中继站，只要对光纤损耗进行增益补偿，即可把光信号无畸变地传输到极 远的地方。目前光孤子传输实验可实现的最高码率和最大传输距离分别为 1 6 0 g b i t s 和1 0 6 k m 。由于工程上存在许多困难，孤子技术由目前的实验阶段 转向商用还有很长的路要走，但它在超长距离、超高速率通信中的优越性确 实十分诱人。光孤子通信甚至被认为是第五代光纤通信系统。 光子晶体光纤，由于理论上可以做到零损耗和零色散，在增加无中继传 输距离、提高通信速率方面也具有非常可观的应用前景。近几年有关光子晶 体光纤的研究持续升温，但这些研究尚处于探索阶段。 1 2 光纤通信用光源发展概况 目前，用于光纤通信系统的光源主要是半导体激光器( 1 a s e rd i o d e ，l d ) 。 l d 的相关技术已经比较成熟。量子阱结构的采用明显改善了l d 的温度性能， 省去或简化了复杂的控温系统，提高了其电光转换效率，使其成本大幅降低。 分布反馈结构的采用又提高了l d 的波长稳定性，使其能够应用在对波长要 求严格的d w d m 系统中。然而，应用在光纤通信系统中的l d 有其先天不 足性：波长选择性不灵活，较难使其发射波长与i t u t ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n - t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 建议的 w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 波长标准相符合；通常需要散热装置， 增加了器件的体积；寿命不会太长；与光纤通信系统的兼容性不好，耦合会 损失很大一部分能量。在目前大力发展的d w d m 系统中，l d 波长选择不灵 活成了其致命缺点，有多少个信道，就必须有多少个l d 与其对应。l d 阵列 也只是简单的将多个l d 集成在一块硅片上，波长并不能随意选择和调谐， 不利于系统的扩容升级。 2 _ # 女$ * r 第一草绪论 | i i , , 篇卑曼量置量邕篡燃群葛量舅鞠| 皇皇篡奠蝴嚣墨囊置曼量皇蔓嘲燃鼎皇曼置邕蔓舞嘲燃皇 与之相比，光纤激光器则具有波长选择灵活、体积小、重量轻、与光纤 兼容瞧好、教热8 力强等特赢，被试为怒寒来长距离、大容量豹怒离速竞纤 通信系统的理想光源。光纤激光器的研究起步于上世纪7 0 年代前期，但真正 有实用价值的光纤激光器出现在8 0 年代中期。此后，特别是上世纪9 0 年代 中耀至今，毙纾激毙器的磷突一壹是个热杰。不过，交予造徐一壹黪亵不下， 限制了光纤激光器实用纯的进程。然而，光纾激光器在离速率、大容爨d w d m 系统中诱人的威用前景使科举家们对光纤激光器的研究趋之若骛。 如前所述，为了提高光纾的利用率，增加光纤通傣系统的传输容量，可 黻采取三释方巢：增麴擎信遂酶转徐速率、减枣信遂翔隔；| 蘩扩展遽谈带宽。 邋三种扩容方案对光源都有特殊的要求。在传输速率增加时，色散带来的负 面影响越来越突出，而极窄线宽的单纵模光纤激光器可以有效的减小色散带 来瓣影响，增加传输速率和恶孛继传输鼹亵。这聂是隧魏爽缍激光瓣发展戆 方向之一。减小信道阔隔和扩展通信赘宽都是为了增翔信道数强，佰道数目 增加意味着需鼹发射更多波长的载波源，遗驱使光纤激光器向着多波长的方 向发展。 与竞绎激怒器一徉，蒸予必谱努害l 按零魏多波长必源遣其骞波长选择灵 活、体积小、擞量轻、与光纤兼容性好、敝热能力强等特点。对掺杂光纤的 宽带超荧光辐射或非线性光纤的宽带输出进行光谱分割，较容易 ! 铎到符合 l t u 一标准的多波长光源。翱对于光纾激宠嚣嚣言，这萃孛光源结梅麓纂、制 稼成本低，毽输出功率较难键离，荜通道带宽也比较宽。 1 。3 基于竞谱分割技术酶多波长竞源篱余 基于光谱分割技术的多波长光源出宽带光源和光学梳状滤波器组成。梳 状滤波器将宽谨光源发射谱中有用的部分选凄，无用的损耗搏，从蕊褥至想 簧豹多渡长输密”l 。 常用的宽带源有发光= 椴管、超连续谱光源和超荧光光源等。发光二极 管和超连续谱的优点是输出光谱特别宽，但功率比较低，分割后每个信道分 配到戆凌率难竣瀵是逶售系绫熬要求。超焚毙羧爨光遴宽度一般其蠢足专续 米，但转换效攀很高，比较邋合用作光谱分割的光源。铒离子荧光发射恰好 处于通信常用的c 波段，掺铒超荧光光源( e d s f s ) 因而成为光谱分割用宽 带源的首选。 鬻瘸静光纾鬻梳状滤波瓣有竞纾鳖法密墨一珀罗予涉便强、炎野迓竟尔 3 逊干涉仪、光纤马赫一曾德尔干涉仪【3 】、长周期光纤光栅对【4 5 1 、取样光纤光 栅【6 】、串接光纤光栅1 、萨尼亚克环干涉仪等等。它们结构不同、性能各异。 下面先分别介绍光谱分割用e d s f s 和梳状滤波器，再介绍基于光谱分 割技术的多波长光源的研究现状。 1 3 1 掺铒超荧光光纤光源简介 e d s f s 利用掺铒光纤中的超荧光发射制作而成，是一种空问相干性好 而时阳j 相干性差的宽带光源。与传统的宽带光源( 发光二极管) 相比，e d s f s 具有线宽大、输出功率高、稳定性好、寿命长和与光纤完全兼容等优点，是 光纤传感系统，特别是高精度光纤陀螺仪较为理想的光源【9 】。近年来，波分 复用通信系统和分布式多点传感技术的发展，促进了光谱分割技术在e d s f s 中的应用【1 0 1 。与传统的多波长光源( 分布反馈式半导体激光器阵列) 相比， 利用宽带e d s f s ，通过光谱分割技术得到的多波长光源，在稳定性、散热 性、寿命、兼容性和价格等方面具有绝对优势。而且，对e d s f s 进行光谱 分割产生的光具有较低的时间相干性，应用在传感技术中可以减少因相干产 生的误差。 ( a ) 单程前向 ( c ) 双程前向 ( b ) 单程后向 图1 1e d s f s 基本结构 ( d ) 双程后向 如图1 1 所示，e d s f s 有单程前向、单程后向、双程前向和双程后向四 种基本结构】。输出光为前向放大自发辐射光( a s e ) 的即为单程前向结构， 输出光为后向a s e 的为单程后向结构。所谓前向、后向是相对于泵浦光传播 方向而言的，与泵光传播方向相同的a s e 称为前向a s e ，相反的称为后向 a s e 。在单程结构基础上加上反射镜就成为双程结构。理论和实验研究结果 均表明，在整体性能上，双程后向结构的e d - s f s 明显优于其他结构的 4 _ 汗 掌硕学位愉必 第一章绪论 e d s f s 。 第一篇关予超荧光光源豹报道发表予1 9 8 7 年【1 2 l 。随螽的十年辩间量， 人们对单程前向、单程后向、双程前向等几种结构的e d s f s 做了比较详细 的研究。但是，直到1 9 9 7 年，矗有人对淑程后向结构的e d s f s 作了实验研 究掇遂畦戢。夔嚣，钱景仁祷1 靶亵l a w a n g 等两努翻发表了毽 l 对双疆轰 向结构e d s f s 的理论模拟结果。2 0 0 4 年 i 。l ，本人所在的实验小组利用光纤 发射环镜和双襁后向结构，得到了光光转换效率高达4 2 的e d s f s ，在 7 2 8 m w 最大浆浦功率下的超荧光输出功率为3 0 6 m w ，考虑到备荦申损耗因 素，转挨效率穗接近量子转羧裰疆。这在第二章孛会蠢详绸熬论述。 1 3 2 光纤型梳状滤波器简介 毙纾壅褫羧滤波嚣在怒滚予以及必经_ l 萋蔫领域中疑骞许多重要瓣焉透， 在光谱分割技术中，梳状滤波器更是不可或缺。本小节对各种光纤趔梳状滤 波器作一简要介绍。 l ，光纾内黢法奄墨一珀罗干涉纹 光纤内簸法奄晕一珀梦干涉仅是程一段光纾静两瑞加上葭射镜铜作而 成，反射镜可以是盒属膜层、布拉格光纤光栅、碉啾光纤光栅等。这种干涉 仪基于多光柬干涉原理，具有很高的精细度，是一种透射型元件。 2 。竞纾终羧注每墨一璃爹予涉设 在两根光纤端面镀膜，然后通过调节架或毛细管进行对准，便形成了外 胶法布罩一珀罗干涉仪。幽于两光纤端蔺问的空气隙损耗很大，该类型干涉 仪糟缨度不如蠹艟法毒里一霸罗于涉仪麓。逶常这秽炎鍪静干涉彀被用终反 蒡手裂梳状滤波嚣，可敬翊双光束干涉琢趱避 娃处理，农传感中应愆广泛。因 为干涉腔在光纤的外边，敞取名光纤外腔法布里一珀罗干涉仪。 另外一种光绎孙腔法布鼹一珀罗干涉仪是在自聚焦棒上镀反射镜，通过 调繁絮遴嚣对溱。因为竞寒缀遥垂聚焦糁豹准壹嚣或为平行走，窆气阙辕戆 损耗很小，这种干涉仪可以j 表到同内腔法和墨一珀罗干涉仪相同的精细度。 能它的体积较大。 3 光绎边宠尔逊干涉纹 在一个3 d b 藕合器的掰弱嫡毙纤上翻反射镜，使梅戒了光纡黧避克尔逊 干涉仪。3 d b 耦合器的作用与传统迈克尔逊干涉仪中的分光镜类似，反射镜 可以是光栅、随反膜等。该干涉仪基于双光束干涉，因而精细度较低，它同 辩掇供反射蠢秘透瓣兔。 4 光纤马赫一曾德尔干涉仪p l 南* 大掌硬女学位论文 第一章绪论 i 将两个3 d b 耦合器串接在一起，一个3 d b 耦合器的两输出端分别与另一 3 d b 耦合器的两输入端熔接，便得到了光纤马赫一曾德尔干涉仪。光纤马赫 一曾德尔干涉仪被广泛用于光纤传感、光纤通信中。它基于双光束干涉，精 细度也比较低。可以根据需要做成透射型或反射型。 5 萨尼亚克( s a g n a c ) 环干涉仪1 8 】 在光纤萨尼亚克环的中间插入光纤光栅、高双折射光纤段等，便构成萨 尼亚克梳状滤波器。这种滤波器也是基于双光束干涉，精细度较低，可以根 据需要做成透射型或反射型。 6 基于长周期光栅对的梳状滤波器【4 5 1 将两个对称的长周期光栅串接，便构成长周期光栅对梳状滤波器。它基 于双光束干涉，精细度低，是一种透射型梳状滤波器。 7 基于取样光纤光栅的梳状滤波器【6 1 按照一定规律对均匀周期布拉格光纤光栅在空间上进行采样，便制成取 样光纤光栅。取样光纤光栅是一种反射型梳状滤波器，可以达到很高的精细 度。 8 基于级联光纤光栅的梳状滤波器【7 l 将具有不同布拉格波长的光纤光栅串接在一起，便构成反射式梳状滤波 器。 9 双模光纤段构成的梳状滤波器【i 6 】 在双模光纤两端拼接或熔接上单模光纤，由于双模光纤中两种模式光的 传播速度不一样，在其输出端便会形成干涉条纹。这种滤波器基于双光束干 涉，精细度低。 l o 高双折射光纤段构造的梳状滤波器7 】 在一段高双折剩光纤两端拼接或熔接上单模光纤，由于双折射光纤中两 个偏振轴方向光的传播速度不一样，引起光程差，在其输出端便会形成干涉 条纹。这种滤波器基于双光束干涉，精细度低。 1 3 3 基于光谱分割技术的多波长光源发展概况 光谱分割的概念最初是在1 9 8 8 年由英国电信研究实验室提出的【l8 1 ，利 用滤波装置，将宽带源发射的连续宽带光谱中有用的部分提取出来，无用的 部分则衰减掉，便可得到多波长光源。1 9 9 3 年美国贝尔实验室的研究人员利 用e d f a 中4 0 n m 的a s e ，使用3 d b 带宽为1 3 n m 的光滤波器模拟w d m 分 波器分割光源，实现了1 7 g b p s 的数据传输1 1 9 】。在2 0 0 1 年全国光电子器件与 6 集戏按术会议上，上海交大辫研究摄送巾l 臻 ，在9 8 0 r i m 慕淆的d p b 雅梭懿 掺褥毙纾超荧强毙源鹃基础j ：，函爱瓣式港纤毙撩滤波器分割超荧光惫谱， 获得了稳定波长输出的、窄线宽的多波长光纤光源。 1 9 9 9 年，c d s u 和l a 。w a n g t 4 ，5 l 把矾个数联的长捌潮光绎光栅撼入取程 嚣翔缍擒蘼掺键必终超荧蠢光源中，获缛了多波长翡输漆。长耍黧党纡竞援 不仅起到了滤波器的作用，衙艇能使功率鬟新分配，从而使这种方法得到的 输出功率比利用光谱分割技术得到的输出功率在每个波长上都要大。对多波 长m 兜纾光源及长髑麓光纤走掇热稳定性鹣研究赠表骥：多波长毙野光源懿稳 定缝主要蠢长灞麓竞纤竞播蒋不是竞纤豹长度来决定麴。我雷j 称这耱德构为 光谱预分割结构，它实际上魁对前向自发辐射进行光谱分割，产生一个多波 长储号源，该倍母源被反射辩i 阻过e d f 时，便被放大。出于前向自发辗射光 零蜜较嚣，怼其遴雩亍遣避分瓤损失蔚缝量并不多，嚣露最终魏辕塞功攀较鹰。 这怒提高单蓿懑输出功率较为有效的方法。但这种结拇存在一个缺陷，后向 自发辐射的存猩使得多波长输出的消光比受到限制。c d s u 等人得到了消光 魄程1 2 d b 跌上姻2 0 令逶邋输患，波长越隔为1 7 n m 。 2 0 0 4 年鳓，本天象在翡实骚枣组剥蕊双疆驽赫一蛰祷尔子铰进行竞谣 预分割，得到了悦于c 波段、平坦度优于o 5 d b 的4 0 个波长输出，波长间 隔一0 ，4 n m ，未经任何放大的单惯道积分功率为0 2 5 m w ，消光比大予1 6 ，5 d b ， 豆不隧渡长变纯。疆论磺突和惹续实验礤究结果筠表骥，该溃竞毙测鬣谴受 融予光谱仪0 , 0 8 r m a 静分辨率，这在第谣章巾会有详细的讨论。 光谱预分割宓际上属于光谱分割的范畴。为了避免产生混淆，本论文中 燃“光谱分割”袭示在宽带光源屠耍接上缀状滤波器的誉瓣光谱分割绥梅； 蠢鬻“竞谱强分割”表忝裂翔复瓣鍪l 撬状滤渡嚣取襞双稷绣稳e d - s f s 孛窒 带腻射镜得到的新型光谱分割结构。 1 4 本论文妁主要研究工作 缝合当前光瓣通信系统的发展方向及磺究热点，本涂文选取了鏊予光谱 分裁技术静多波长毙澡箨为磷究深透。主要逡容爸括； 1 掺铒超焚光光纤光源的研究 蓄先，献簸滋堙率帮输惑光谱特谯爨个方瑟对各耱绩梅e d - s f s 遴车子了 对鞲：实验疆究，缡象表暖，鼹稷螽翔结擒其存最高转抉效率霸鞍宽输琏；毙谱。 7 然矮，详组磺究了双程最疑结褥e d - s f s 输出功率、输懑党谗随反射镜反骞| 攀、掺锈竞纾长藏、泵竞功率等羲交琵关怒。囊过傀枕设诗，在最大泵灌功 率为7 2 8 m w 的情况下，得了3 0 6 m w 的商功率超荧光输出，光光转换效率 黼遮4 2 o 。输出光谱的中心波长为1 5 4 4 ，4 n m ，3 d b 带搬2 9 2 n m ；这在国内 辫满酋凌援遵。 2 基于光谱分割技术多波长光源的研究 从理论和实验疆令方瑟磷究了串接光纤党挺、光终法奄里一珀罗干涉铰、 光终骂赫一馨慧零干涉饺、党褥遥竟尔避干涉纹魏蒋镶及其竞谗分剃效果。 设计了一种新型的双程舄赫一曾德尔干涉仪，用它作为梳状滤波器进行 光谱分割研究，得到了1 5 5 0 r i m 附近信道划隔约0 8 n m 、消光比大于2 7 r i b 、 平邀壤袋子0 5 d b 、单绩道积分琏率终0 ，1 6 m w 鲢2 0 个渡长瓣窭；剩臻爱葑 型浅纤法布萋鞠罗干涉仪避 亍光谱分割，褥蜀了波长阀隔连续可调的多波 长输出，输出总功率在l m w 爨级。目静为此，这两种光源在国内外均未见 报邋。 3 基于光谱颓分割技术多波长光源的研究 首先，研究“r 泵浦方式对撼于光谱预分割技术的多波长光源的影响。进 黼焱最佳泵清方式+ f ，暴爝双稷马赫一馨德尔予渗靛律为竞谱援分割嚣辞， 褥戳了1 5 5 0 n m 附近信遒阍繇0 ，8 l n m 、稽邋带宽蠹0 3 0 a m 、单信遭税分功率 o 5 8 r o w 、消光比2 4 5 d b 的j 旺2 0 个波长输 如。与光谱分割相比，转换散率提 高了2 倍多。谯最佳泵浦方式下，利用反射型法奄里璃罗于涉仪佟为光谱 霰分裁元辞，褥戮了波长润骚获3 。o r i m 戮4 3 r i m 连续霹调、溃竞珑大予 1 6 5 d b 、总功率为3 1 7 r o w 的多波长输出。与光谱分割结构相比，输出功率 撼黼了一个数熊缎以上。这一部分的研究内容在国内外均未见报道。 8 参考文献 【l l 兜嚣h e e 融 m u l t i p l e - w a v e l e n g t h s o u r c e s m a y b et h en e x tg e n e r a t i o n f o rw d m , l a s e r f o c u sw o r l d 3 9r 2 0 0 3 ) 6 ：1 1 7 - 1 2 0 f 2 3c h a r t ，l i uz h a o , n i n gm a , s h u z h o n g y u a n , s h i q u a ny a n g ，g u i y u nk a i ，q i d az h a o ，a n d d a n gx i a o y i w a v e l e n g t h - t u n a b l e a c t i v e l y m o d e d o c k e d f i b e r - r i n g l a s e r u s i n g a n f - p l d 口 m o d u l a t o ra n dat u n a b l ec o m b f i l t e r , m i c r o w a v ea n d o p t i c a lt e c h n o l o g yl e t t e r