基于新型全光纤滤波器的可调多波长稀土掺杂石英基光纤激光器研究

【摘要】多波长光纤激光器能够同时稳定输出多个波长,且具有结构紧凑、高光束质量、低成本等优点,被广泛应用于高速大容量光纤通信和光纤传感网络中。单纵模窄线宽波长可切换、波长可调、波长间隔可调谐的多波长光纤激光器在大气激光雷达、多参量激光同时传感、微波光子和高功率激光产生等方面有着广阔的应用前景。本文结合所承担的国家自然科学基金项目,针对基于新型全光纤滤波器的可调多波长光纤激光器,开展了一系列深入的理论分析及实验研究,取得的主要创新性成果如下：1、提出三种基于模式耦合作用的光纤滤波器结构,分别是具有单偏振超窄带滤波特性的保偏啁啾莫尔光纤光栅、基于弯曲调谐的耦合型双芯光纤滤波器和偏振依赖多模-单模-多模(PD-MSM)滤波器。从模式耦合理论出发,对保偏啁啾莫尔光纤光栅中同一偏振态下的正反向基模之间耦合作用、双芯光纤滤波器的两个平行纤芯之间模式耦合作用、PD-MSM滤波器的同一偏振态下单模光纤模式与多模光纤模式之间耦合作用进行了详细的理论分析。实验制作出了这三种光纤滤波器件：保偏啁啾莫尔光纤光栅实现了两个以上单偏振、超窄带宽的透射通带,偏振消光比大于15dB；耦合型双芯光纤滤波器的通过改变弯曲曲率,获得具有大于27nm波长连续调节范围；PD-MSM的梳状透射光谱实现了两个正交偏振态上交替滤波,偏振消光比可达25dB。2、提出两种基于保偏光纤光栅的可切换双波长石英基掺铥光纤激光器结构。利用保偏均匀光纤布拉格光栅的偏振依赖特性加强腔内的偏振烧孔效应(PHB),研制出室温下1.94μm波段的双波长激光器。波长间隔0.81nm,光信噪比高于60dB。对比分析表明,在掺铥光纤中PHB的作用下,激光输出的光信噪比和稳定性受泵浦功率、光栅反射率的增加而得到改善。双波长激光器最大输出功率378mW,斜率效率达15.6%。通过偏振分析可知,两个波长的输出激光均具有高达49.1dB的偏振消光比,且分别处于相互正交的偏振态上。通过调整激光腔内的偏振态,在该掺铥光纤激光器中观察到输出波长可切换现象；利用保偏啁啾莫尔光纤光栅的偏振依赖和超窄带滤波特性,减少腔内均匀加宽线宽并抑制多纵模的产生,研制出室温下稳定输出的双波长掺铥光纤激光器。激光波长为1942.88nm和1943.32nm,分别处于两个相互正交的偏振态上。50分钟内最大波长漂移量小于0.05nm,功率波动小于0.5dB。通过调整激光腔内的偏振态,在该掺铥光纤激光器中观察到波长可切换现象。通过零差法测量验证该激光器的每个输出波长均为单纵模运转。2.8W泵浦功率下,双波长光纤激光器的最大输出功率170mW,斜率效率为10%。3、提出两种基于双芯光纤滤波器的波长可调的多波长布里渊掺铒光纤激光器结构。利用耦合型双芯光纤滤波器的良好光谱稳定性和波长连续可调性,实现了40nm的波长调谐范围和11个波长的密集多波长激光输出,0.088nm波长间隔与单模光纤中受激布里渊散射频移量相同。30分钟内一阶斯托克斯光波长最大漂移量为14pm,功率波动小于0.56dB;基于双芯光纤马赫曾德尔(MZI)滤波器的波长可调特性,研制出波长可调的自激发布里渊掺铒光纤激光器。该光纤激光器的布里渊泵浦激光通过掺铒光纤激光器腔内自激发产生,因而避免了外接窄线宽高功率激光光源带来的高制作成本问题。该光纤激光器的输出激光波长间隔为0.088nm,光信噪比高于8dB(测试结果主要受限于光谱仪的最小分辨率),同时激射波长数达到17个。通过调节双芯光纤MZI滤波器,实现了激光输出光谱8nm的波长调谐,波长调谐量与双芯光纤MZI滤波器的弯曲量呈近线性关系。4、提出两种基于PD-MSM光纤滤波器的波长间隔可调多波长掺铒光纤激光器结构。结合PD-MSM光纤滤波器的梳状滤波和PHB效应,实现了室温下稳定的双波长激光输出,双波长激光分别具有稳定且不同的偏振态。50分钟内双波长功率抖动小于0.7dB,功率差小于1dB,仅通过调节谐振腔中的偏振状态可以对双波长的波长间隔进行连续调节,波长间隔调节量可以从0nm到3nm；基于PD-MSM光纤滤波器的偏振依赖损耗并结合非线性偏振旋转效应,实现了密集波长间隔的多波长掺铒光纤激光器,同时稳定输出波长数可达19个,40分钟内输出激光最大波长整体漂移量小于0.05nm,最大功率波动小于0.8dB。经讨论基于该原理可通过级联多段保偏光纤实现多种波长间隔的可切换输出。5、提出一种基于非线性双通MZI光纤滤波器的波长间隔可切换多波长掺铒光纤激光器。非线性双通MZI光纤滤波器除了多通滤波作用还能有效抑制掺铒光纤的增益竞争。通过合理调整激光腔内的偏振态,分别实现了0.2nm和0.4nm密集波长间隔可切换的多波长激光输出,两种状态下的激光波长个数分别为44和25个,测量可得激光光信噪比分别高于14dB和30dB。对于两种波长间隔,40分钟内输出激光光谱最大波长整体漂移量小于0.05nm,最大功率波动分别小于0.8dB和0.4dB。
【作者】彭万敬；
【导师】延凤平；
【作者基本信息】北京交通大学，通信与信息系统，2014，博士
【关键词】光纤激光器；多波长；光纤滤波器；单纵模；掺铒光纤；掺铥光纤；

【参考文献】
[1]姚红梅.林鹏学术及书学思想研究[D].山西师范大学,书法批评学,2014,硕士.
[2]董雷刚,崔晓微,张丹,张华.基于人脸识别技术的学生考勤系统[J].大庆师范学院学报,2014,03:15-18.
[3]段勇.YS公司可持续发展战略研究[D].西安科技大学,工商管理,2014,硕士.
[4]王俊燕.睾酮对小鼠巨噬细胞及脂肪细胞共培养体系炎症因子生成的影响及其机制的研究[D].复旦大学,生殖内分泌,2012,硕士.
[5]李艳阳.人民币实际汇率变动对中美贸易收支的影响[D].浙江工商大学,金融学,2014,硕士.
[6]刘义.水热法制备铋铁系化合物及其光催化性能研究[D].合肥工业大学,2013.
[7]赵婷婷.从关联理论角度分析《红楼梦》中治病情节的翻译[D].河北师范大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[8]史健,马启山.OA资源对高校图书馆资源效益的影响研究[J].图书情报论坛,2014,03:24-28.
[9]叶嵩嵩.基于视频图像的运动车辆检测和跟踪算法研究[D].杭州电子科技大学,控制理论与控制工程,2012,硕士.
[10]徐莉媛.寻觅心灵的自由—水墨创作的思考[D].沈阳师范大学,美术学,2013,硕士.
[11]李文,任莹辉,王浩,赵凤起,徐司雨,安亭,宋纪蓉,胡荣祖.含Cu_2O-PbO/氧化石墨烯(GO)双基推进剂的热分解反应动力学,热安全性及燃烧性能[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第05分会：无机化学[C].中国化学会:,2014:1.
[12]邢路路.克里斯托弗·马洛笔下的人本主义危机[D].河北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[13]何诗存.论《华伦夫人的职业》中的两难选择和亲情疏离[D].华中师范大学,比较文学与世界文学,2013,硕士.
[14]谢园.基于单片机技术的燃煤自动供暖锅炉控制系统技术开发[D].燕山大学,控制理论与控制工程,2012,硕士.
[15]赵改善,曹邦功.元数据:勘探开发数据管理的一种新工具[J].石油物探,2002,02:236-242.
[16]纪朋朋,孙毅,单继宏,毛亚郎.颤振球磨机筒体疲劳分析[J].矿山机械,2013,05:77-81.
[17]张伟雄.房地产项目的风险管理研究[D].华南理工大学,建筑与土木工程,2012,硕士.
[18]张高阳.工程机械再制造逆向物流模式与库存控制研究[D].燕山大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[19]张文学.生化抑制剂对稻田氮素转化的影响及机理[D].中国农业科学院,植物营养学,2014,博士.
[20]崔婷.民事执行救济制度实证研究[D].黑龙江大学,法律,2012,硕士.
[21]甘浩.金纳米棒的合成、表征及其在生物传感中的应用[D].中南大学,2014.
[22]尹丽文.探索新兴产业所需关键矿物原料的开发对策[J].国土资源情报,2012,10:46-48+18.
[23]黄园.微藻培养过程中轮虫污染防治研究[D].中国科学院研究生院（海洋研究所）,海洋生物学,2014,博士.
[24]纪元.宝石CT扫描对COPD与吸烟者肺功能改变的初步研究[D].大连医科大学,影像医学与核医学,2012,硕士.
[25]吴迪.Qt在OK2440开发板上的移植与应用[D].湖北大学,系统分析与集成,2012,硕士.
[26]王耀.欧债危机对中国经济的影响分析[D].安徽大学,国际贸易学,2013,硕士.
[27]张丽华.抗血小板药物在中国急性心肌梗死患者中的应用变化趋势调查2001-2011[D].北京协和医学院,内科学,2014,博士.
[28]杨乃前.非公有制经济组织中党的建设问题研究[D].华东理工大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[29]马丽娜.基于Web的数据挖掘技术研究[D].山东师范大学,2002.
[30]王艳纳.基于物流信息系统的数据挖掘算法的研究与实现[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2014,硕士.
[31]孔凡宏.国内挖掘装载机市场前景浅析[J].中国工程机械学报,2005,02:250-252.
[32]夏联利.环境因子对烟草生长和茄尼醇代谢的影响[D].郑州大学,植物学,2013,硕士.
[33]吴净霖.外资并购国家安全审查标准的比较研究[D].南京师范大学,经济法学,2012,硕士.
[34]张腾.陕西省高速公路改扩建技术研究与应用[D].长安大学,交通运输工程（专业学位）,2014,硕士.
[35]孙赛英.农产品差异化竞争研究[D].浙江师范大学,区域经济学,2004,硕士.
[36]邵丹.中外陶瓷科学技术交流的初步研究[D].景德镇陶瓷学院,科学技术史,2014,硕士.
[37]杨志波.蜜蜂虫体微生物区系与植物病害相关性的研究[D].福建农林大学,植物检疫学,2010,硕士.
[38]左佳.客车前悬架导向机构硬点优化与整车操纵稳定性研究[D].湖南大学,车辆工程,2012,硕士.
[39]堵亚光,赵大力,王友龙.铅淬火温度自适应控制[J].冶金自动化,1989,02:39-41.
[40]鲍美华.let-7家族在ox-LDL所致人血管内皮损伤中的作用与机制研究[D].中南大学,药理学,2014,博士.
[41]韩雪.非线性生化系统多目标优化问题的线性方法及其应用研究[D].渤海大学,应用数学,2013,硕士.
[42]王丽丽.职业院校职业文化与学生的可持续发展研究[D].河北师范大学,职业技术教育学,2012,硕士.
[43]卢光旭.基于形态学和双边核回归的弱小目标背景抑制[D].西安电子科技大学,光学工程,2012,硕士.
[44]方小龙.企业集团母子公司财务管控研究[D].吉林大学,会计学,2013,硕士.
[45]齐喜莲.D证券营业部营销策略研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[46]范晓彬.重症急性胰腺炎大鼠肝损伤中NF-κB和Foxp3的表达及连翘对其影响[D].山西医科大学,外科学,2013,硕士.
[47]樊红梅.Ⅱa_2期子宫颈鳞癌44例临床及预后相关因素分析[D].河北医科大学,妇产科学（专业学位）,2013,硕士.
[48]方华.和谐社会视阈中法律援助制度研究[D].河南农业大学,马克思主义中国化研究,2012,硕士.
[49]殷继勇.村镇土地可持续利用评价与战略研究[D].北京交通大学,2013.
[50]袁炜东.蜂窝蓄热体换热及阻力特性的试验研究[D].浙江大学,动力工程,2013,硕士.