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双偏振DBR光纤激光器及其在传感、通信领域的应用研究

张扬  
【摘要】:光纤激光器是一种先进的光有源器件,为光学工程领域内的重要器件之一。它不仅具有传统光纤光栅无源器件所具备的众多特性,并且在传感领域,它还具备窄线宽、高信噪比等优点,可以实现更高精度的传感测量。近年来,基于光纤激光器的一些新的传感概念和技术已经得到了实现和应用。在通信领域,光纤激光器在密集波分复用(DWDM)、光时分复用(OTDM)以及新兴的微波光子学系统中发挥主要作用。 本论文主要研究基于正交偏振的分布布拉格反射式(DBR)光纤激光器的特性以及其在光纤传感和通信领域的应用。利用正交偏振光纤激光器输出偏振拍频的变化作为传感信号,不仅比无源光纤光栅等传感器件具有更高的传感精度和灵敏度,同时比基于传统波长编码方式的光纤激光器具有更加成熟的电解调技术和非常低廉的解调成本以及更高的灵敏度。未来光传感和光网络将向着小型化、网络化、多功能化、系统化的方向发展,而正交偏振DBR光纤激光器更具有向该方向发展的巨大潜力并具有现实的产业化前景,因此也更具有研究的价值和意义。本文结合国家自然基金重点项目(No.60736039):集成化、高速率、多参数、大规模新型光纤传感网络关键技术及其应用研究,针对光纤传感网络的关键核心技术,成功的完成了从高性能双偏振光纤激光器的研制到正交偏振的光纤激光器本身的特性研究这个完整的研发链路,并最终结合实验实现了在传感和通信领域的诸多创新应用。下面是本文实现的几个重要突破以及主要成果的简要概述: 1.首次在铒镱(Er/Yb)共掺增益光纤上制作出1mm腔长的超短腔DBR光纤激光器。通过对光纤激光器制作技术的反复优化和尝试,结合理论计算,最终实现了全长只有8.4mm,具有仅lmm物理腔长的高性能DBR光纤激光器。通过理论计算该激光器的有效腔长,在原理上证实了lmm物理腔长的DBR激光器的绝对稳定的单纵模输出,从而成功解决了DBR光纤激光器由来已久的跳模问题,并且实现了lmm的超短腔结构。其整体结构非常紧凑,也更加有利于大幅度提高测量的空间分辨率和未来传感领域应用中单点测量的实现。 2.首次在单掺铒(Er)增益光纤上制作出低泵浦吸收损耗的超短腔DBR光纤激光器。在掌握了超短腔DBR光纤激光器制作技术之后,针对未来传感器大规模组网应用的特点,降低单传感单元的泵浦吸收损耗,并获得更小型化的紧凑结构,我们利用低吸收损耗的单掺Er光纤研制了全长8mm的超短DBR光纤激光器。通过优化熔接焊点损耗等措施,实现了仅0.9dB的单个超短腔光纤激光器泵浦吸收损耗,比Er/Yb共掺增益光纤制作出的超短腔光纤激光器的泵浦吸收损耗有了大幅度降低,从而显著提高了其大规模组网的能力。 3.首次在Er/Yb增益光纤上成功的直接写制出可以在500℃高温环境下稳定运行的DBR光纤激光器。通过创新的利用写制高度饱和光纤光栅作为光纤激光器的反射光栅,从而实现高温环境下光纤光栅退火之后仍然具有足够的反射率保证激光腔稳定产生出激光。实验结果得到了非常好的高温稳定性,并且在室温到500℃整个范围内保持了非常高的输出功率和信噪比。 4.首次提出利用紫外(UV)曝光法对DBR光纤激光器输出偏振拍频信号进行主动调制的技术。实验中成功实现对DBR光纤激光器在频域内的拍频信号进行正负两个方向有效的主动调制,调谐范围达到700MHz。该技术是在频域内实现传感单元串联组网的关键核心技术之一。以此为基础,首次成功的实现了超短腔DBR光纤激光器六路频分复用技术。 5.在传感应用领域,利用基于双偏振DBR光纤激光器制作出多种物理量的传感器,完成了侧压力传感器、微位移传感器和液压传感器的设计和实验,并获得了较高的传感灵敏度,实现了多元化的传感应用拓展。 6.在通信领域的应用中,首次成功利用单个单纵模双偏振的DBR光纤激光器制作出稳定的可调谐光生微波毫米波(ROF)发生器。该信号发生器产生的微波信号可通过PZT施加0-55V电压实现3.34-14.75GHz的调节范围,其结构比其他ROF发生器更加简洁、紧凑并且成本低廉。


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