光学双稳态及光纤激光器的研究

【摘要】： 光学双稳态是很多光学器件的基础,如光开关、光存储和光逻辑器件等。多波长激光器作为光通讯的光源,在现代通信领域中占有极其重要的地位。高功率单纵模光纤激光器则在远距离传感和高精度光谱等领域有着广泛的应用。本论文的主要研究对象是环形掺铒光纤激光器中的光学双稳态,基于半导体光放大器(SOA)的波长间隔可调的多波长光纤激光器及频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器。 实验中发现,即使在简单构造的以长度较大的掺铒光纤为增益介质的光纤激光器中也存在明显的光学双稳态现象。为了找出双稳态现象出现的原因,我们测得了掺铒光纤在相关泵浦下的增益特性曲线,并通过增益特性曲线解释了这种掺铒光纤激光器中光学双稳态形成的机制。然而根据传统的掺铒光纤的传输方程所计算出的掺铒光纤的增益特性曲线跟我们实验中所得到的并不一致。为此我们在传统的传输方程中引入“无用泵浦损耗”这一概念对其进行修正,根据修正后的传输方程计算出的掺铒光纤的增益特性曲线与实验所得曲线符合的很好。文中还讨论了掺铒光纤的长度、铒离子掺杂浓度及腔内损耗等因素对光学双稳态区间大小的影响。为了在激光器中得到区间大小可调的光学双稳态,我们理论上验证并实验上实施了一种使用两段掺铒光纤的环形光纤激光器,其中一段掺铒光纤用于增益,另一段则用作吸收。通过改变注入到吸收段掺铒光纤的泵浦光的强度来改变它的吸收性能,我们实现了光学双稳区间从一最大值到零之间的连续调节。另外我们还给出了双稳态光纤激光器在光控光方面的一个应用。 Lyot-Sagnac滤波器由多段保偏光纤和多个偏振控制器构成。通过调节滤波器中的偏振控制器,我们可以改变滤波器的几何构型来影响其反射谱线。文中对两段式和多段式Lyot-Sagnac滤波器进行了详细的理论分析,可预见这种梳状滤波器的波长之间的间隔是可调的。利用SOA的非均匀加宽特性,实验上,我们实现了一种基于SOA的波长间隔可调的多波长光纤激光器。在室温下得到了约18个具有30dB信噪比的、波长间隔为0.8nm的多波长激光输出,波长范围在1556nm到1577nm之间。通过调节Lyot-Sagnac环内的偏振控制器,多波长激光的波长间隔可在两种ITU标准波长间隔(0.4nm和0.8nm)间选择。 我们设计了一个频率精细可调的高功率单纵模光纤激光器,使用饱和吸收体和光纤F-P滤波器进行复合选模的技术,减小了光纤激光器中使用的饱和吸收体的长度,从而降低了腔内损耗,为光纤激光器的高功率输出提供了条件。双包层铒镱光纤加上两个6.5瓦的半导体激光器作泵浦源为激光腔提供了足够大的增益。可调谐光纤光栅滤波器用来调节激光器的输出波长,光纤相位调制器则用来完成对频率的精细调节。根据泵浦功率、双包层铒镱光纤的转换效率及对腔内损耗的估计,我们预测激光器的最大输出功率可达1.6瓦。