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《北京邮电大学》 2007年 博士论文
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光纤环形激光器及光子晶体光纤在有源器件中的应用

何理  
【摘要】: 本论文的工作分为两个部分,前一部分研究了双泵浦主动锁模光纤激光器的研制,利用Sagnac干涉环对脉冲的压缩以及Sagnac干涉环多波长光纤激光器的研制。后一部分讨论了光子晶体光纤在有源器件中的应用。光子晶体光纤是二氧化硅-空气微结构光纤。由于它在色散与非线性诸多方面具有普通单模光纤没有的特性,它能在一个较宽的频带内保持单模特性,它的零色散点可以在800nm~1600nm之间变化,它的纤芯可以比较小而产生较大的非线性,γ值在850nm处可达到240W~(-1).km~(-1)。故从1996年第一根光子晶体光纤出现就引起人们广泛的兴趣。但由于其单价目前还比较昂贵,损耗也比单模光纤大,要在近期利用光子晶体光纤代替常规单模光纤进行长距离传输是不可能的。但利用它做成有源器件,在光通信中,特别是波分复用系统中使用是很有前途的,如宽带色散补偿、光脉冲压缩、波长变换、超连续谱产生和光放大等。本论文在深入研究光子晶体光纤特性基础上,对光子晶体光纤在脉冲压缩,超连续谱产生和光子晶体光纤中参量放大进行深入研究。本论文的主要工作如下(黑体部分为创新性工作): 研制了双泵浦10GHz锁模掺铒光纤激光器,简要的回顾和总结了实现超短脉冲压缩方法,从实验上实现了利用Sagnac干涉环对脉冲的压缩。利用Sagnac干涉环的开关特性,环中低能量的噪声被Sagnac干涉环反射回去,有效消除噪声、改善脉冲质量。在多波长光纤环激光器中,通过控制偏振控制的器可以方便实现双波长和三波长激射。双波长激射时,激射波长分别为1558.78nm和1559.02nm,相应的3dB带宽分别为0.018nm和0.019nm。三波长激射时,中心波长分别为:1558.61nm、1558.76nm和1559.03nm,3dB带宽相应为0.02nm、0.016nm和0.026nm。实验中还发现,随着激射波长数的增加,激射波长的稳定性降低。 详细介绍了光子晶体光纤的几个突出优点:单模传输特性、高非线性效应、可控色散特性和双折射特性。在此基础上,讨论了光子晶体光纤在有源器件中的应用,同时介绍了它在各应用领域中的优势。 利用小纤芯光子晶体光纤构建的光纤激光器,在同等泵浦条件下,该光纤更容易产生非线性效应,在研制激光器时不仅可以节约光纤而且可以在很大程度上降低泵浦条件,这对于激光器的实用化和商业化是十分有利的。在我们的研究成果中,国内首次在光纤环激光器的环形腔中引入一段色散和非线性系数分别为164ps/(nm.km)和36W~(-1).km~(-1)的光子晶体光纤,利用孤子压缩得到窄脉宽、大谱宽的脉冲输出。同时,估算了相应的脉冲为基阶孤子输出。 系统分析了自相位调制、四波混频和受激拉曼散射等因素对光子晶体光纤中超连续谱产生的影响。在国内首次利用50MHz被动锁模光纤环激光器为光源,正色散平坦光子晶体光纤为非线性介质,利用光纤的非线性效应进行超连续谱产生的实验。实验结果表明:对锁模激光器输出的1.6ps脉冲经掺饵光纤放大器放大后注入光子晶体光纤,得到20dB带宽超过237nm的超连续谱。同时对皮秒脉冲致超连续谱产生的因素进行了分析。 采用被动锁模光纤环激光器做为光源,色散平坦光子晶体光纤为非线性介质,利用光纤的非线性效应进行超连续谱产生的实验。利用该激光器高功率输出端口产生的689fs,1550nm的锁模脉冲注入一段40m长的光子晶体光纤,获得20dB谱宽达439nm的超连续谱。利用该激光器波长可调谐的特性,从实验上获取不同泵浦波长下超连续谱的产生。 从理论上分析了光子晶体光纤参量放大器的增益特性和带宽特性,找出光子晶体光纤的非线性系数和色散等参数对参量放大的增益和带宽的影响,其数学模型采用由非线性介质中光的传播方程导出的耦合波方程。然后,利用一段色散平坦光子晶体光纤构建了光纤参量放大器,实现了参量放大和3dB带宽范围内最大转换效率约为-26dB波长转换。


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