（通信与信息系统专业论文）基于光纤光栅的光纤激光器、滤波器和倾斜光纤光栅的研究.pdf

中文摘要 摘要：光纤光栅是光纤技术中一种非常重要的基本器件，在光纤通信、传感等相 关领域具有广阔的应用前景。本论文结合国家自然基金及国家8 6 3 计划项目，针 对基于光纤光栅的几种相关器件进行了深入的理论和实验研究，主要对光纤激光 器及滤波器进行了结构设计与优化，并对倾斜光纤光栅进行了详细分析，获得的 主要创新成果如下： 1 提出了一种基于光纤光栅的双腔f a b r y - p e r o t 全光纤结构，给出了能够在光栅 中心波长处实现单模运转的腔结构设计原则，并讨论了制作过程中腔长及光栅 折射率调制量为非理想精度或存在误差时对结构性能产生的影响，为单频短线 腔光纤激光器或环腔激光器中窄带选频器件的设计提供理论依据。 2 提出并实验制作了一种将三个光纤光栅直接写入一段光敏掺铒光纤中构成的 线腔光纤激光器结构，这种一体化结构在谐振腔内不存在焊接点，实验测量其 实现了线宽小于5 k h z 的单纵模激光输出。 3 提出并实际制作了一种可开关双波长掺铒光纤激光器结构，谐振腔由保偏光纤 s a g n a c 环镜与两不同波长光纤光栅构成，实验中通过调节偏振控制器已实现任 意单波长或同时双波长激光出射。 4 提出了一种基于多个均匀光纤光栅的全光纤型多腔结构滤波器，旨在改善单腔 结构滤波效果，对其透射特性进行了详细理论分析与数值计算，得出结论：为 了提高谐振峰过渡带滚降特性，需要增加结构中光纤光栅的反射率，应用于不 同情况时，可以通过调节腔长来得到所需的透射谐振峰带宽。对比四腔结构与 两腔及单腔结构谐振透射峰，进一步说明了多腔结构对滤波性能的改善。 5 基于利用耦合模理论分析倾斜光纤光栅的方法，建立了反射型均匀周期倾斜光 纤光栅简化计算模型，推导出了包括波长依赖反射率、最大反射率、峰值反射 波长、传输损耗系数在内的谱参数一般表达式。其中传输损耗系数表达式在其 他文献中并未有所报道。在理论分析的基础上，分别数值计算了反射谱与传输 损耗谱，研究了倾斜角度、光栅长度、折射率调制幅度、入射光偏振态对光栅 谱特性的影响，并给出了定性的解释。 6 基于耦合模式理论及m u e l l e r 矩阵法，首次定量地分析倾斜光纤光栅的偏振特 性，推导出明确的倾斜光纤光栅波长相关偏振依赖损耗表达式，通过模拟计算 相应的偏振依赖损耗，比较了不同倾斜角度光纤光栅的偏振能力。 关键词：光纤光栅；耦合模理论；光纤激光器；谐振腔；滤波器；倾斜光纤光栅； m u e l l e r 矩阵法；偏振特性 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ef i b e rp h a s eg r a t i n gi sa ni m p o r t a n tc a n d i d a t ei nf i b e rt e c h n o l o g y , a n d h a sf o l dm a n yu s e f u la p p l i c a t i o n si nf i b e rc o m m u n i c a t i o na n df i b e rs e n s i n g u n d e rt h e s u p p 嘶s o fn a t i o n 。a l8 6 3h i 曲t e c h n o l o g yp r o g r a ma n d n a t i o n a ln a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o n ，t h i st h e s i si sd e v o t e d t ot h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s o nf i b e rg r a t i n g sa n df i b e rg r a t i n gb a s e dd e v i c e s ，m a i n l yi n c l u d i n gp r o p o s i n ga n d o p t i m i z i n g t h e s t r u c t u r e so ff i b e r c h a r a c t e r i s t i c so ft i l t e df i b e rg r a t i n g s 1 i s t e da sf o l l o w s ： l a s e r sa n df i l t e r s ，d e e p l yi n v e s t i g a t i n g t h e a n dt h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r e 1 an o v e la l lf i b e rt w o c a v i t yf a b r y - p e r o t g r a t i n g si sp r o p o s e d t h ed e s i g ng u i d e l i n e s c o n f i g u r a t i o nb a s e do nf i b e rb r a g g o ft h ec a v i t ys t r u c t u r ea r ep r e s e n t e dt o r e a l i z et h es i n g l em o d eo p e r a t i o na tt h ec e n t e rw a v e l e n g t ho f t h ef i b e rg r a t i n g t h e f h b r i c a t i o ne r r c i rt o l e r a n c e so ft h es t r u c t u r e s ，i n c l u d i n gi n a c c u r a t ec a v i t yl e n g t h s a n d i n d e xm o d u l a t i o n so ff i b e rg r a t i n g s ，a r ec a l c u l a t e da n dd i s c u s s e d ，p r o v i d i n gt h e p r i n c i p l e sf o r t h ed e s i 盟o f s h o r tl i n e a r - c a v i t yf i b e rl a s e ra n dn a r r o w - b a n df i l t e r si n r i n gc a v i t yf i b e rl a s e r a s i n 西e 1 0 n g i t u d i n a l m o d ee r b i u m d o p e dl i n e a r - t y p ef i b e r l a s e ri sp r o p o s e da n d e x p e r i m e n t a l l yr e a l i z e d ，w h i c hc o n s i s t s o ft h r e ef i b e rb r a g gg r a t i n g sd i r e c t l y 、柑t t e ni nap i e c eo fp h o t o s e n s i t i v ee r b i u m d o p e d f i b e r t h el a s e rh a sn o i n t r a _ c a v i t yf u s i o ns p l i c e s ，a n dt h el i n e w i d t h o fl e s st h a n5 - k h zi sa c q u i r e d as w i t c h a b l ed u a l w a v e l e n g t he r b i u m d o p e d f i b e r l a s e ri sp r o p o s e d a n d e x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d ，w h i c hi s c o n s t r u c t e db yap o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n g f i b e rs a 辨a cl o o pm i r r o ra n dt w of i b e rg r a t i n g sw i t h d i f f e r e n tw a v e l e n g t h s w a v e l e n g t hs w i t c h i n go p e r a t i o n w a sa c h i e v e db yp r o p e r l ya a j u s t i n g t h e p o l a r i z a t i o nc o n 协o l l e ri n t 1 1 ep o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gf i b e rs a g n a cl o o pm i r r o r s t a b l es i n g l e o rd u a l - w a v e l e n g t hl a s i n go u t p u tc a n b er e a l i z e d a na l lf i b e rm u l t i c a v i t yc o n f i g u r a t i o nb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g si sp r o p o s e d 砌：l du s e d 弱af i l t e r , i no r d e rt oi m p r o v et h ef i l t e r i n gp e r f o r m a n c e o ft h e s i n g l e c a v i t ys t r u c t u r e ss u c h 缌f l a t n e s so ft h et o pa n ds t e e p n e s sa t t h ee d g eo t t i a n s m i s s i o n p e a k t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r a n s m i s s i o n s p e c t r a f o r t h e c o n f i 霉：u r a t i o na r ea n a l y z e da n dm o d e l e di n d e t a i l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s t e 印n e s so ft h ep e a ks l o p ec a n b ei m p r o v e db yi n c r e a s eo ff i b e rg r a t i n g 乙 生 4 r e f l e c t i v i t e s ，a n dr e q u i r e db a n d w i d t ho ft h e c a v i t yl e n g t h si nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t h e o ff o u r - c a v i t y , t w o c a v i t y , a n ds i n g l e c a v i t y p e r f o r m a n c eo ff i l t e r s p e a kc a nb eo b t a i n e db ya d j u s t i n gt h e c o m p a r i s o no ft h et r a n s m i s s i o np e a k s s t r u c t u r e sd e m o n s t r a t e st h ei m p r o v e d 5 as i m p l i f i e dm o d e lf o rr e f e c t i v et i l t e df i b e r g r a t i n g s o fu n i f o r mp e r i o d si s p r e s e n t e d t o i n v e s t i g a t e t h e s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，o nt h eb a s i so ft h e c o u p l e d m o d et h e o r y e x p l i c i te x p r e s s i o n sa r ed e r i v e df o rt h es p e c t r a lp a r a m e t e r s o fr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nl o s ss p e c t r a , i n c l u d i n gw a v e l e n g t hr e l a t e dr e f l e c t i v i t y , m a x i m u mr e f l e c t i v i t y , p e a k r e f l e c t i o nw a v e l e n g t ha n dt r a n s m i s s i o nl o s s ，a m o n g w h i c ht h ee x p r e s s i o no ft r a n s m i s s i o nl o s si sd e r i v e df o rt h ef i r s tt i m e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do nt os h o wt h ed e p e n d e n c e so fg r a t i n gs p e c t r a lr e s p o n s e so n t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，s u c ha st i l ta n g l e ，g r a t i n gl e n g t h , i n d e xm o d u l a t i o n a m p l i t u d ea n dp o l a r i z a t i o ns t a t e s ，a n dq u a l i t a t i v ee x p l a n a t i o n so ft h es p e c t r a l b e h a v i o r sa r ep r e s e n t e d 6 b a s e do nt h ec o u p l e d m o d et h e o r ya n dm u e l l e rm a t r i xm e t h o d ，t h ep o l a r i z a t i o n p r o p e r t i e so ft i l t e df i b e rg r a t i n g sa r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yf o rt h ef i r s tt i m e t h e e x p l i c i te x p r e s s i o no fw a v e l e n g t h - - d e p e n d e n tp o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n tl o s sf o rt i l t e d f i b e rg r a t i n g si sd e r i v e d t h ep o l a r i z a t i o nc a p a b i l i t yo ft i l t e df i b e rg r a t i n g sw i t h d i f f e r e n tt i l t a n g l e s a r e c o m p a r e db ys i m u l a t i n g t h e c o r r e s p o n d i n g p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n tl o s s k e y w o r d s ：f i b e rg r a t i n g ；c o u p l e d m o d et h e o r y ；f i b e rl a s e r ；r e s o n a n tc a v i t y ；f i l t e r ； t i l t e df i b e rg r a t i n g ；m u e l l e rm a t r i xm e t h o d ；p o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 1 2 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：再鸡 导师签名： 签字日期：) o ：口? 年石月f 歹1 7 i签字日期：泖? 年月心日 致谢 在尊敬的导师简水生院士的悉心指导和不断勉励下，我终于完成了博士阶段 的相关科研和博士学位论文的撰写工作。攻读博士学位期间的每一步前进都凝聚 着恩师的智慧和心血，在此向恩师表示诚挚的感谢和崇高的敬意! “科学险阻路崎 岖，奋勇攀登志不移，披荆斩棘不回首，惊涛骇浪任沉浮 ，恩师在从教五十周年 之际欣然写下了这首慷慨激昂的励志诗篇，他正是以这种勇于创新、不畏艰险的 科学精神和严谨求实的治学态度时时鼓舞和鞭策着我在科学研究的道路上刻苦努 力、不断进取。这几年在恩师营造的良好学术氛围中，我接受到了全新的思想观 念，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，这些宝贵的财富将使我终 生受益。同时，恩师对祖国的一片拳拳之心也深深地感染着我，激励我在人生的 道路上树立远大的理想，不断地奋斗求索。在此谨向恩师简水生院士致以最诚挚 的谢意! 感谢光波所所有帮助过我，和我一起学习工作过的老师和同学们。感谢延凤 平教授、娄淑琴教授、裴丽教授、宁提纲教授、简伟高工、魏淮副教授、谭中伟 副教授、傅永军副教授、刘艳老师、董小伟老师在实验和理论方面的帮助和指导； 感谢江中澳教授、陈根祥教授、李唐军教授、王均宏教授、李艳涛老师的无私帮 助和支持。特别要感谢在同一个研究小组一起学习工作过的李彬师姐、鲁韶华、 冯素春、王燕花、任文华等博士，论文中的很多实验工作都是在他们的协助下完 成的，大家在工作中默契合作并进行了很多有益的讨论，使我感受到了科研团队 的力量。感谢实验室关心帮助过我的师兄弟姐妹们，正是大家的热心帮助使我能 够顺利完成论文，谢谢你们! 最后我要深深地感谢我的家人，在我成长的道路上给予我的无私关爱和一如 既往的理解与支持，他们对知识的崇尚孥定了我在求知路上的脚步，他们的鼓励 与安慰赋予了我战胜困难的信心和勇气，这份感情是我永远的牵挂，更是我永远 的精神支柱，这篇博士论文也是我献给家人的一份微薄回报。 时光飞逝，回首五年来的点点滴滴，有太多值得回忆的事和太多感激不尽的 人。最后，向所有关心帮助过我的老师同学们，以及本文的评阅老师表示感谢， 谢谢您们! 1 1 引言 第一章绪论 自从光导纤维被发明以来，随着人们对其理论研究及实际应用的不断推进， 光纤在信息通信技术、传感技术等工程领域已经得到了广泛应用，可以说，光纤 是2 0 世纪最重要的发明之一，它的出现深刻影响到了人们的同常生活。 早在1 9 世纪，光纤能够引导光在其中进行传播这一现象已经被人们认知并得 到了科学解释，1 9 世纪2 0 年代就制成了无包层的玻璃纤维，但在2 0 世纪5 0 年代 人们才知道包层能够改善光在玻璃纤维中传输的特性。早期的石英纤维损耗高达 1 0 0 0 d b k m 以上，1 9 6 6 年英籍华裔学者高锟和c a h o c k h a m 等人指出这样大的 损耗不是石英纤维本身固有特性，而是由于材料吸收引起的，并首次提出利用石 英光纤作为新型通信传输媒体，由此奠定了现代光通信的基础【1 】。1 9 7 0 年美国 c o m i n g 公司的科学家f p k a p r o n 、d b k e c k 、r d m a u r e r 成功拉制出损耗低至 2 0 d b k m 的可实用光纤【2 】；同年，美国b e l l 实验室、日本n e c 电气公司和前苏联 先后突破了半导体激光器在低温或脉冲激励条件下工作的限制，研制出可在常温 下连续工作的镓铝砷( g a a l a s ) 双异质结半导体激光器【3 】。这两项研究成果使得 光纤通信进入实用化时代。几年之后光纤损耗迅速下降，波长为1 5 5 0 n m 处的光纤 损耗在1 9 7 9 年为0 2 d b k m 4 ，这一数值已经十分接近由r a y l e i g h 散射损耗决定 的石英光纤最低损耗理论极限。低损耗光纤不仅引起了光纤通信领域的革命，也 导致了光纤传感、光信息处理等诸多新技术的出现。 光纤技术及相关领域的飞速发展一方面为各种光有源或无源器件提供了巨大 的市场，另一方面也促使人们推陈出新，发展更高性能、更低成本的新型光器件。 近年来，作为一种新型光纤器件，光纤光栅以其灵活多变的结构特点、良好稳定 的选频性能吸引了众多学者的研究兴趣。目前列数光纤技术领域的众多关键性支 撑器件，光纤光栅已经跻身于其中，迅速发展成为了一种非常重要的基础器件。 自从第一根光纤光栅诞生以来直到今日，人们对它的研究仍在继续深入，而基于 光纤光栅的各种光纤型器件更是渗透到了光纤通信、传感以及其他相关领域的各 个角落。本论文正是基于上述背景，结合国家自然科学基金以及国家8 6 3 计划项 目的实施，针对各种基于光纤光栅的光纤器件，特别是光纤激光器、滤波器，进 行了深入的理论分析与实验制作研究，提出了一些新颖的结构，并给出了有益的 结论。 1 2 光纤光栅的发展与研究应用现状 1 9 7 8 年，加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人在研究特殊设计光纤的非线性 效应时，把氩离子激光器输出的可见光注入到光纤纤芯中，在持续曝光下，发现 光纤衰减逐渐增加，而从光纤中反射回来的光强度随曝光时间增加而明显增强， 这是由于被注入到芯子中的4 8 8 n m 波长的激光与光纤端面的菲涅尔反射光产生干 涉，形成微弱的驻波强度分布，因此呈空间周期性的光场在光纤芯子中引入了周 期性折射率变化，即折射率光栅【5 】，又称为“h i l l 光栅”。虽然用这种方法制作的 光栅，其响应波长要受激光与写入波长限制，制作效率很低且缺乏实用性，在此 后近十年没有引起人们足够的注意，但是这一重要的科学发现可以说揭开了光纤 光敏性及纤芯内制作光栅技术研究的序幕。 1 9 8 9 年，美国的c tm e l m 等研究者发现可以由单光子吸收过程直接激发2 4 0 r i m 的锗缺氧带，提出了紫外侧写入技术 6 】，以波长为2 4 4 n m 的紫外光为写入光源， 利用全息干涉的方法从侧面对氢载光纤进行曝光，制作出了b r a g g 波长与写入波 长不同的光纤光栅，该方法可以通过改变两相干光束之间的夹角对光栅b r a g g 波 长进行任意调节，从而在任意感兴趣的可用波段写入光栅。虽然这种方法对光源 的相干性和系统稳定性要求较高，但是其高效、灵活的写入优势立刻引起了人们 的高度重视，从此光纤光栅进入了一个快速发展的时期。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等研究者又提出了相位掩模法 7 】，通过设计掩模可抑制其 0 级衍射，而使1 级衍射效率最大，制作时用紫外光垂直照射相位掩模板，经掩 模衍射后产生的1 级衍射光在纤芯中干涉，形成强度周期分布的干涉条纹诱发光 纤中折射率的周期分布，即获得光纤光栅。采用这种方法制作的光纤光栅周期与 写入光波长无关，因而对光源稳定性和相干性要求降低，并且实验中所用元件少， 装置调校相对容易，提高了光栅制作的稳定性、可靠性和重复性。可以说，该方 法使光纤光栅真正走向实用化和产品化成为可能，也是目前广泛采用的光栅制作 方法。 光纤光敏性是制作光栅的基础，而通信用普通二氧化硅光纤的光敏性远远不 能满足基于光纤光栅的实际应用 8 】，为了能够充分发挥光纤光栅的潜在优势并加 速推进其商业化，自1 9 7 8 年发现光纤光敏性以来直至今天，研究者们一方面在光 敏性的机理研究领域取得了许多重要的成果，另一方面同时也在积极寻找能够提 高光敏性的特殊技术与掺杂元素。在光敏性机理研究方面，1 9 8 1 年，d k w l a m 等提出了掺锗光纤中的光敏现象与5 e v 带的双光子吸收过程有关【9 】；1 9 8 6 年，e j f f i e b e l e 等认为掺锗光纤中的光敏现象起源于非电中性的氧空位 1 0 】；1 9 8 7 年， gm e l t z 等证实了l a m 等提出的双光子吸收过程，并认为该过程通过改变掺杂玻 2 璃局部的介电常数产生光敏现象 1 1 】；1 9 9 0 年，d p h a n d 等则进一步发现了掺锗 石英光纤中和光敏现象有关的其他缺陷中心，提出了著名的“色芯模型”【1 2 1 ：1 9 9 1 年，k d s i m m o n s 等提供了与掺锗石英光纤中光敏现象有直接关系的g e e 缺陷中 心存在的电子自旋共振实验数据 1 3 】，这一结论于2 0 0 0 年被t u c h i n o 等从理论上 予以证实 1 4 】，并于2 0 0 1 年被a a n e d d a 等利用真空紫外光谱技术得到了验i 正 1 5 】。 另外，在增敏技术方面，p j l e m a i r e 等人于1 9 9 3 年提出了光纤的低温高压氢载技 术 1 6 】，该方法可使光纤光敏性提高近两个数量级，使在普通光纤上制作高反射率 光纤光栅成为可能，大大降低了成本；9 0 年代中期若干研究小组开始研究各种掺 杂玻璃的光敏性，研究对象扩展到锗铅共掺、铅锡共掺等石英玻璃以及掺锡氟磷 酸盐等玻璃材料 1 7 ，1 8 ，1 9 】，得到了很多有益结论。 为了满足不同应用场合对光栅特性的特殊要求，通过灵活设计光栅各个结构 参数，研究者们在光纤b r a g g 光栅( 周期通常不超过几百个n m ) 和长周期光栅( 周 期通常不低于几百个岬) 的基础上，先后研制出了许多具有特殊用途的光栅，比 如啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、取样光纤光栅、闪耀光纤光栅、各种切趾光纤 光栅、超结构光纤光栅等等 2 0 】。目前，这些不同种类的光纤光栅在光纤通信、光 纤传感、光信息处理等领域有着非常广泛的应用，表1 中列出了其中一些已经得 到研究的用途 2 1 1 ，能够看出光纤光栅可以说已经深入到了光纤技术相关领域的方 方面面，j 下如第一根光纤光栅的制造者k 0 h i l l 所说的“如果拿光纤光路与电子 电路作对比的话，光纤光栅在光路中的作用就好比电路中的晶体管一样。 2 2 】 t a b l elf i b e rg r a t i n g si nl i g h t w a v ea p p l i c a t i o n s a p p l i c a t i o nd e s c r i p t i o n p a r a m e t e r s ll a s e rw a v e l e n g t hs t a b i l i z a t i o n ( 9 8 0 n m , 1 4 8 0 n m ) n a r r o w b a n dr e n e c t o rb w = 0 2 - 3 u m r = 1 1 0 2f i b e rl a s e r n a r r o w b a n dr e n e c t o rb w - - 0 1 - l n m r - - i 1 0 0 3 p u m pr e f l e c t o ri nf i b e ra m p l i f i e r s ( 1 4 8 0 n m )h i g h - rr e f l e c t o r b w = 2 2 5 n m r = 1 0 0 4r a m a na m p l i f i e r s ( 1 3 0 0 n m , 1 5 5 0 n m ) s e v e r a l h i g h - rb w - - i n m r e f l e c t o rp a i r sr = 1 0 0 5 p u m pr e f l e c t o ri np h a s ec o n j u g a t o r ( 1 5 5 0 n m ) a n d h i g h rr e f l e c t o r b w = l n m i s o l a t i o nf i l t e ri nw a v e l e n g t hc o n v e r t e r r - 1 0 0 6 t e m p e r a t u r es e n s o ri np a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kh i g h - r , n a r r o w b a n d b w = 0 1 n m r 9 0 7i s o l a t i o nf i l t e r si nb i d i r e c t i o n a iw d mt r a n s m i s s i o n m a t c h e ds e t so fw d mb w - - 0 2 一l n m ( 1 5 5 0 n m ) g r a t i n g s r 芦l o o 8w d md e m u l t i p l e x e r ( 1 5 5 0 n m ) m u l t i p l eh i g h - i s o l a t i o n b w = 0 2 一ln m r e n e c t o rl s o l a t i o n 3 0 d i b 9w d m a d d d r o pf i l t e r ( 1 5 5 0 n m )h i g h - i s o l a t i o nr e f l e c t o r b w - - 0 1 一l n m i s o l a t i o n 5 0 d b 1 0 d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n f o r l o n g - h a u ld i s p e r s i v eg r a t i n g b w = 0 1 1 0 n m t r a n s m i s s i o n ( 1 5 5 0 n m ) d = 1 6 0 0 p s n m l l o p t i c a la m p l i f i e rg a i ne q u a l i z e r ( 1 5 3 0 - 1 5 6 0 n m ) l o n g - p e r i o dg r a t i n g b w = 3 0 n m l o s s = o 1 0 d b 3 。 表注：b w - 一b a n d w i d t h ，r r e f l e c t i v i t y 总的来说许多基于光纤光栅的光无源、有源、智能传感器件展示出了诱人的 应用前景，部分器件已经实现了商品化，尽管如此仍有大量尚待研究探索的工作， 例如光纤光栅尚有潜在应用价值有待发现，而已有应用方案的实用化工艺也有待 进一步成熟及优化。 1 3 光纤激光器的研究背景与光纤光栅在其中的应用 激光器的发明是科学技术的一次重大突破，在近代科学发展史上具有划时代 的意义，从六十年代第一台红宝石固态激光器的出现直到今天，已经有超过2 0 位 科学家由于对激光或激光相关领域的特殊贡献而获得了诺贝尔奖 2 3 】。光纤激光器 可以看作是一种特殊的玻璃固体激光器，光纤不仅作为活性介质，并且作为波导 将泵浦光与信号光束缚在光纤中，形成一个介质封闭腔结构。在1 9 6 3 年，美国光 学公司的c j k o e s t e r 与e s n i t z e r 报道了激光波长为1 0 6 0 n m 的掺钕硅酸盐玻璃光 纤激光器 2 4 ，也是最早出现的光纤激光器，虽然激光器中使用光纤的许多特点不 同于现在的光纤，例如其芯径达到了0 3 m m 、纤芯包层折射率差约为0 0 1 3 等，但 却标志着激光器大家族中一个重要成员开始登上了科学技术的舞台。1 9 6 4 年这两 位科学家进一步发表了关于光纤激光器中放大特性的研究结果 2 5 】，由于其巨大的 潜在应用价值，立即引起了研究者们的注意。当然任何一项科学技术的成长都是 各种技术综合发展的结果，对于光纤激光器来说，低损耗单模光纤的实现、基于 光纤的定向耦合器的制作、高功率半导体激光器作为泵浦源的研究突破 2 6 】、紫外 写入光纤光栅技术的成熟等等，都为全光纤激光器的实用化铺平了道路、起到了 促进作用。 按照不同的分类标准，光纤激光器可以分为多种类型：根据激光输出的时域 特性可以分为连续波光纤激光器和脉冲光纤激光器；根据谱域的输出特性可以分 为单频激光器和多波长激光器；根据增益介质特性一般又可以分为稀土掺杂激光 器、基于非线性效应的激光器、基于半导体放大器的激光器、利用晶体光纤作为 激活介质的激光器；根据谐振腔的特点分为线型腔与环型腔激光器，等等。 在众多类型的光纤激光器中，稀土掺杂光纤激光器发展十分迅速，这是由于 以掺铒光纤激光器为代表的这类型激光器可以提供光纤通信低损耗窗口即1 5 5 0 n m 附近波段的可调谐窄带激光光源，并且具有低阈值、较高功率、较高信噪比、温 度稳定性好、易于与光纤系统集成等优点，因此成为未来高速大容量光纤通信系 统的理想选择，同时也可为系统测试及光纤传感提供理想光源，吸引了广泛的研 究兴趣。目前的研究热点主要集中在高功率、窄线宽、波长可调谐的单频连续光 或脉冲输出光纤激光器，以及相应的可选择开关或同时输出多波长光纤激光器。 4 窄线宽单频光纤激光器作为光纤激光器的一个重要研究方向，在高速光通信、 光传感和高精度光谱应用中有很大的发展潜力。1 9 9 1 年，ga b a l l 等人首次用写 入b r a g g 光栅的方法实现了单频输出光纤激光器，线宽约4 7 k h z 2 7 ；1 9 9 2 年， h e n d n ks a b e r r 等人采用偏振非相干技术得到了1 2 k h z 线宽的激光输出 2 8 】；1 9 9 3 年，j t k r i n 西e b o t n 等采用e r y b 共掺光纤制作了短腔单频光纤激光器，10 c m 腔 长以二向色镜和光纤光栅为端反射器，自外差方法测量线宽小于2 5 k h z 2 9 】；1 9 9 4 年，h o r o w i t z 等人首先在线型腔光纤激光器腔内加入一段掺铒光纤饱和吸收体来 抑制跳模，获得了5 k h z 窄线宽激光【3 0 】；1 9 9 5 年，英国南安普顿大学的yc h e n g 等人报道了环形腔掺铒光纤饱和吸收体窄线宽光纤激光器，得到了线宽为0 9 5 k h z 的输出【3 1 】；1 9 9 7 年，a s k u r k o v 等采用相移d f b 光纤光栅与另一个光纤光栅 作为频率选择器件和腔反射器，掺铒光纤为增益介质，分别构造了3 0 c m 、5 0 c m 、 9 0 c m 腔长的单频激光器，测量线宽小于l k h z 3 2 】。进入2 0 0 0 年后，随着高掺杂 浓度光纤的制作以及新型传感系统对窄线宽光纤激光器的应用要求，光纤激光器 的设计结构更为成熟，逐渐商品化，比如美国n pp h o t o n i c 公司采用短腔d f b 或 d b r 结构在窄线宽激光输出方面获得了一些重要结果 3 3 ，3 4 ，3 5 ，3 6 ，并在市场上 推出了线宽小于2 k h z 的1 5 5 0 n m 波长光纤激光器成品 3 7 】。 要实现窄线宽的单频光纤激光器，技术难点主要在于如何使谐振腔具有高的 模式选择性能，由于与半导体激光器相比，光纤激光器的腔长一般比较大，所以 纵模间距d x 3 8 。为了保证只有一个纵模的光起振，基于线型腔、环型腔以及复合 腔结构，人们已经提出了多种解决方案。采用线型腔结构时，常用方法之一是直 接在光纤纤芯写入b r a g g 光栅作为激光腔镜，分布b r a g g 反射器( d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r , d b r ) 和分布反馈光栅( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 为两种主要的结构， 通过缩短腔长，使纵模间隔与光栅带宽相仿来抑制跳模，由于要保证单频输出， d b r 结构的腔长必须很短 3 9 】，而d f b 结构中光栅的长度( 即光纤激光器腔长) 有限，需要制作高反射率窄带宽的光纤光栅或采用高浓度掺杂光纤来保证激光器 能够达到阈值要求 4 0 。采用环腔结构时，由于其腔长一般来说比线腔结构长很多， 因此对增益光纤掺杂浓度要求不高，但是长腔长导致纵模分布更加密集，增加了 选频难度，目前已经出现的解决方法有复合多环腔结构 4 1 ，4 2 、环腔中加入两个 具有不同自由谱范围f a b r y - p e r o t 结构的级联 4 3 1 、采用一段非泵浦掺铒光纤作为 窄带自跟踪滤波器 3 1 ，4 4 ，4 5 、外部光注入法 4 6 、利用光纤光栅作为自注入反馈 【4 7 、带泵浦源的掺杂光纤可调节饱和吸收体 4 8 ，4 9 】、基于光纤光栅的高精度 f a b r y - p e r o t 滤波器 5 0 ，5 1 等等。关于实现窄线宽单频光纤激光器的结构与方法仍 不断有新的报道涌现，总的来说，各种方法都有其优缺点，需要根据不同的应用 场合进行选择，而研制结构简单、成本低廉、工作稳定的窄线宽单频光纤激光器 5 是研究者们共同追求的目标。 基于波分复用( w 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 ，w d m ) 与密集波分复用 ( 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 ) 光纤通信系统中降低运行成本 与系统复杂性、提高整体可靠性与一致性的要求 5 2 】，同时结合在光纤传感、信号 处理、光谱分析以及新兴发展起来的r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 等领域的潜在应用， 与光纤系统相兼容的单一器件多波长光纤激光器吸引了越来越多研究者的兴趣。 1 9 8 8 年已经出现了研究多波长光纤激光器的相关报道 5 3 5 8 】；1 9 9 2 年，美国的 n p a r k 等首次实现了基于单一增益介质的六波长掺铒光纤激光器，波长间隔为 4 8 n m 5 9 ；1 9 9 4 年，t a k a h a s h i 等人提出利用多段掺铒光纤作为增益介质分别产生 不同的波长输出，实验中使用了四个e d f a ( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ) 与一 个8 8 的a w g ( a r r a y w a v e g u i d ed e v i c e ) 构成环腔结构产生了间隔为1 6 n m 的四 波长激光同时输出【6 0 】，这种激光器实际上为多腔结构，加上a w g 的使用，与多 个单频激光器组合相比，制造成本方面的优势并不明显。因此后来的大多数研究 集中于发展单一增益介质的多波长光纤激光器，尤其是多波长掺铒光纤激光器， 另外也出现了基于半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r , s o a ) 的多波 长激光器 6 1 ，6 2 、光纤拉曼多波长激光器 6 3 6 6 、利用受激布里渊散射效应的布 里渊铒光纤多波长激光器( b r i l l o u i n e r b i u mf i b e rl a s e r ) 6 7 7 0 ，等等。 要实现室温下性能稳定的多波长掺铒光纤激光器，最关键的技术是如何有效 抑制掺铒光纤的均匀增益展宽效应。由于常温下的铝硅玻璃基掺铒光纤均匀线宽 在1 l n m 一2 6 m n ，锗硅玻璃基掺铒光纤均匀线宽约3 r i m 4 n m 7 1 7 4 】，当输出波长间 隔小于增益光纤均匀线