基于光纤环形腔的掺铒光纤激光器的研究

天津大学硕士学位论文基于光纤环形腔的掺铒光纤激光器的研究姓名：庞璐申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：宁继平20060101中文摘要有源光纤环形腔，由于在腔中含有增益介质，所以其工作特性具有多态性。在阈值以下即环形腔本身不产生激光时，可作为扫描式光谱分析仪、滤波器和延时线等等；在阈值以上时，则能成为环形腔激光器和环形腔光纤陀螺等。根据不同的需要，可在腔中放入相应的增益介质，其中由掺铒光纤＋泵浦组成的有源光纤环形腔掺铒光纤环形腔最受人们的重视。本文将在掺铒光纤环形腔的基础上展开对掺铒光纤激光器的理论和试验研究，所作的具体工作如下：（１）采用二能级结构模型对掺铒光纤激光器进行设计。对其增益、输出功率特性进行了理论分析，推导出了计算增益、最佳光纤长度、光纤掺铒浓度、最佳输出耦合比、重叠积分因子等重要参量的公式。并分析了影响激光器‘输出的各种因素：腔长、输出耦合比、谐振腔损耗。利用现有设备，测量了掺铒光纤的自发辐射谱，研制出了掺铒光纤环腔激光器，得到了线宽０．９３ｒｉｍ、输出功率一ｌｄＢｍ的激光输出。．（２）对注入锁定技术进行了理论研究，给出了光纤环形腔注入锁定的带宽公式。并进行了光纤环形腔激光器注入锁定的试验研究，得到了输出光功率约为２ｄＢｍ，线宽约为０．６４ｎｍ的注入锁定激光输出，并对试验现象进行了分析。（３）深入分析了单／双道Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ（Ｍ－Ｚ）光纤干涉滤波器的滤波特性和复合腔选模的工作原理。并利用Ｍ—Ｚ光纤干涉仪作为梳状滤波器，并和复合腔共同选模，在常温下我们获得了两个波长同时输出的掺铒光纤环形腔激光器。这一装置具有结构简单，器件价格低，实现容易等优点。

关键词：光纤环形腔掺铒光纤激光器注入锁定Ｍ—ｚ干涉滤波器复合腔ＡＢＳＴＲＡＣＴＢｅｃａｕｓｅｔｈｅｒｅｉｓｇａｉｎｍａｔｅｒｉａｌｉｎｔｈｅｒｅｓｏｎａｔｏｒ，ｔｈｅａｃｔｉｖｅｆｉｂｅｒｒｉｎｇ

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ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃａｖｉｔｙ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘堂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：彦主络签字日期：２口口‘年，月，日

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学位论文作砉签名：鹿立珞签字日期：埘ｆ年，月／日

导师签名：

签字日期：天津大学硕士学位论文第一章绪论

第一章绪论１．１引言２０世纪８０年代，随着光纤材料、光纤器件（如光纤放大器）以及光通信技术的发展，掺铒光纤激光器的研究及应用受到了世界各国的广泛重视。在一般以石英玻璃为基质的传输光纤中掺杂少量稀土元素（如钕、铒、钬、钇等）离子（即Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋，Ｈ０３＋、Ｙｂ３＋等），在泵浦源的作用下，可产生受激辐射放大。可用这种掺杂光纤制作出光纤放大器。如果再进一步引入反馈机制（如加入谐振腔，或其他耦合器件），就可以制作出光纤激光器。这种激光器件有以下特点：在基模状态下，纤芯内形成高功率密度，泵浦光与激光导模能充分耦合，而且光纤有很高的表面积／体积比，因此它的激光转换效率高，激光阈值低：由于光纤具有极好的柔韧性，易于实现耦合反馈，而且可以设计得相当小巧、灵活。特别引入关注的是，这种器件的工作波长处于近红外到中红外区域，所以它是一种极有应用前景的红外激光光源。例如，掺铒、掺钕的光纤激光器工作波长分别为１３３０ｎｍ和１５５０ｎｍ，这两种波长恰好处于光纤通信的最佳“窗口＂，因此掺铒光纤激光器可作为可靠的信号光源，在光纤通信系统中具有十分广阔的应用前景。本章将从高速光纤通信系统出发，进而对光纤通信系统的重要组成部分光纤激光器的发展，现状和分类进行概述，最后对光纤环形腔的发展状况做一个总体的描述。１。２高速光纤通信系统实现高速光纤通信主要有以下几种方式：频域复用，时域复用，采用特殊的脉冲，采用特殊的编码方式使相同码元携带更多的信息。本节简单讨论这几种方式的基本原理，优点，关键技术及受限制因素。一、频域复用——册ｌ｜ｌ（波分复用）、ＤＷＤＭ（密集波分复用）和ＦＤＭ（频分复用）这三种传输方式在基本原理上是相同的，只是根据波长之间的间隔不同而有不同的结构特点。在８０年代末期，采用ＦＤＭ相干检测的相干光通信一度成为研究的热点，但其苛刻的实现条件，如光源的稳频等使其难以在现有的器件水平下得到发展。自掺铒光纤放大器问世以来，光通信的格局发生了巨大变化，ＷＤＭ等技术得到了迅速发展，ＥＤＦＡ改变了传统的光一电一光中继方式，它可以同时放大一根光纤中的多路光信号，使光中继的成本大大降低，采用波分（频分）复用技术，可使一根光纤中传输的信息量极大增加。ＷＤＭ对所传信号比特率及调制格