光放大器原理及其发展

光通信系统的工作性能,除与光源有关外,还与其传输媒质有关。随着光纤技术的发展,通过追求光通信领域的远距离传输,诞生了光放大器,光放大器可以做到直接放大光信号,在通信领域有很大的应用价值。总结了光放大器的基本原理及其发展。首先介绍了光放大器的概念、分类和原理。然后分别对三类光放大器的关键技术进行了介绍,包括工作原理与性能方面,然后对各类光放大器的国内外现状进行了分析。最后,对光放大器未来的发展进行了展望。

基于掺铒氟化物光纤的22.8μm可调谐激光输出

采用高浓度掺杂的掺铒氟化物光纤可以增强铒离子的能量转移上转换过程,从而产生2.8μm波段的中红外激光。铒离子的全波段发射光谱范围覆盖0.5~3.0μm,其发射波长与相应能级之间的跃迁相吻合。对铒离子全波段的激光输出开展了实验研究。由于氟化物掺铒光纤的高掺杂浓度, 2.8μm激光占据主导地位。当泵浦功率为2~4 W时,激光输出在2714~2784 nm范围内可调谐,这是由增益竞争和腔内选择性以及非均匀加宽效应造成的。当泵浦功率增加到3 W以上时,可以观察到激光的谱分裂现象。实验获得了2.8μm波段的高稳定中红外激光,最大输出功率为0.7 W,斜率效率为12%。

三模掺铒光纤放大器仿真设计及实验研究

少模光纤放大技术是确保模分复用光纤通信系统远距离传输的关键技术,其增益、噪声系数及模式间增益差直接影响通信性能。为设计可用于模分复用的高增益、低噪声系数三模掺铒光纤放大器,建立少模掺铒光纤放大器理论模型,仿真设计其各项参数,之后结合实验结果进行参数优化,实现小信号增益大于30 dB,噪声系数小于6 dB,模式间增益差小于2 dB,并且各模式信号光在三模掺铒光纤放大器中稳定传输放大,光束轮廓无明显畸变。所设计的三模掺铒光纤放大器为进一步模分复用通信实验研究打下了基础。

全保偏飞秒光纤激光器异步锁定技术研究

基于全保偏掺铒光纤激光器、锁相环系统和太赫兹测距光路搭建了一套太赫兹双光梳测距系统。所采用的全保偏掺铒光纤激光器重复频率为79.261 MHz。利用压电陶瓷(piezoelectric ceramics,PZT)和步进电机(stepper motor,SM)双级反馈控制的方案,实现了重复频率锁定和重复频率1.54 MHz可调。使用频率计数器对双光梳重复频率锁定效果进行监测,重复频率锁定的峰峰值抖动为±1.5 mHz,抖动标准差为0.4 mHz。将双光梳重频差设置在10 Hz,10 min内重复频率差最大抖动为3 mHz,标准差为0.6 mHz。进一步将异步采样双光梳系统应用于太赫兹测距,测量移动距离的误差为3µm。该系统具有锁定精度高,稳定性强等优势,有望应用于生物无损检测和工业精密加工中。

基于915 nm泵浦的铒镱共掺双包层光纤放大器

搭建了级联光纤放大系统,掺铒光纤放大器(EDFA)作为预放大级,铒镱共掺双包层光纤放大器作为功率放大级。为了提高镱离子吸收效率,实现功率稳定输出,功率放大级选择915 nm的半导体激光器作为泵浦源,铒镱共掺双包层光纤作为增益介质,采用前向泵浦的方式,对可调谐光源输入的1540~1565 nm波段的信号光进行了放大。在信号光功率为10 mW,预放大级泵浦功率为500 mW的条件下,对不同波长的信号光经过级联光纤放大系统进行了放大,最终在1565 nm处获得1.106 W的最高输出功率。

中红外掺铒氟化物光纤连续激光器及其数值分析

基于产生3μm中红外激光的Er^(3+)能量转换过程与能级体系,建立了掺铒氟化物光纤激光器的速率方程和传输方程,系统地研究了泵浦结构和光纤长度对输出功率、斜率效率以及腔内泵浦和激光功率分布的影响,为后续的实验提供理论依据。仿真确定了小泵浦功率的光纤激光器理想的光纤长度为4~8 m,最终实验选择4.7 m光纤完成了中红外掺铒氟化物光纤激光器连续激光输出光路的搭建,在泵浦功率为5 W、中心波长为2.797μm处实现了最大功率1.038 W、斜率效率20.4%的连续激光输出。

EDFA的原理分析及应用探究

互联网信息技术迅猛发展,传统的光电转换技术一定程度上已无法满足现代电信传输的要求。掺铒光纤放大器(EDFA)在泵浦光的作用下可以直接放大光信号,适用于现代光纤通信。该文分析了EDFA的基本原理,探究了EDFA技术的应用及发展趋势。

La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响

为验证La掺杂对于掺铒光纤抗辐照性能的影响,采用La掺杂光纤与无La掺杂光纤进行光纤辐照实验。使用60Co辐照源在常温下对光纤进行累积剂量100 krad,剂量率6.17 rad/s的辐照实验。结果发现,La掺杂光纤在1200 nm处损耗为0.03067 dB(km·krad),相比于无La掺杂光纤0.03953 dB(km·krad)更低,且La掺杂光纤在辐照环境下的增益变化更小。通过光纤吸收谱和EPR谱辐照前后的对比,确定了Al-OHC缺陷为影响光纤辐致损耗的关键因素。La掺杂可以在一定程度上代替Al作为Er离子的分散剂从而增强光纤的抗辐照能力,且La掺杂对光纤的增益性能不会产生负面影响。该研究可为后续特种光纤在空间应用中的抗辐射加固设计提供参考。

Ce掺杂对空间激光通信掺铒光纤的耐辐照影响研究

辐照环境下掺铒光纤性能下降严重影响了其在空间环境中的应用,而Ce可以凭借其变价能力抑制光纤的辐致损伤效应。利用螯合物气相沉积法制备了不同Ce掺杂量的掺铒光纤,在常温下使用^(60)Co辐照源对光纤进行了累积剂量100 krad、剂量率6.17 rad/s的辐照实验。通过吸收损耗谱的测试发现Ce掺杂含量高的光纤在辐照后损耗为419.185 dB/km@1200 nm,且荧光寿命变化量减小了0.578 ms。通过切片芯层透过率及电子顺磁共振测试发现Ce掺杂可以有效降低光纤中Al和Ge相关的色心缺陷数量。最后通过增益测试验证了Ce掺杂对掺铒光纤抗辐照能力的改善,辐照后高Ce掺杂的光纤比未掺杂Ce光纤的增益高出4.15 dB。实验结果表明,Ce掺杂可以有效增强掺铒光纤抗辐照性能,这一结论对掺铒光纤在太空中的应用具有重要意义,该研究结果能够为后续掺铒光纤的耐辐照加固及其在空间中的应用提供参考。

TiCN作为可饱和吸收体的2.8μm被动调Q锁模光纤激光器

本文报道了一种基于材料可饱和吸收的2.8μm被动调Q锁模掺铒氟化物光纤激光器。通过将TiCN颗粒作为可饱和吸收体直接涂覆于反射腔镜,并结合氟化物光纤垂直端面的输出耦合,实现了具有较低激光阈值和紧凑腔结构的2.8μm脉冲光纤激光器。该激光器在泵浦功率达到330 mW时,开始出现调Q锁模脉冲。随着泵浦功率持续增大,调Q脉冲包络重复频率从14.34 kHz增加至32.57 kHz,对应的脉冲宽度从10.51μs减小至5.40μs。在650 mW的泵浦功率下,获得最大平均输出功率25.83 mW,斜率效率为7.2%。

高精度光纤陀螺用宽谱ASE光源的设计及验证

ASE光源是卫星用高精度光纤陀螺光路的核心部件,光源性能会影响陀螺的噪声、零偏和标度因数稳定性等性能指标。具有高功率、宽光谱的ASE光源能够提升陀螺产品的精度和稳定性。采用双程前向结构完成了宽谱ASE光源的工程化应用设计,最终实现了输出功率≥5 mW、谱宽≥10 nm的典型高斯型宽谱ASE光源在高精度光纤陀螺宇航产品中的批量应用。此外,针对未来高精度光纤陀螺性能进一步提升的需求,采用平坦滤波和高斯滤波相结合的技术完成了谱宽≥20 nm ASE光源的设计及研制。

基于气相沉积法的掺铒光纤制备与温度特性

为了研制温度稳定性满足中高精度光纤陀螺仪中超荧光光源使用要求的掺铒光纤,采用螯合物气相沉积法制备了Al-Er共掺和Al-Ge-Er共掺两种掺铒光纤。同时对两种光纤的吸收系数和本底损耗进行了测试研究,并搭建超荧光光源测试平台,对Al-Ge-Er共掺光纤的温度稳定性进行了实验验证。结果表明,在制备光纤时通入等量的铒的螯合物,Al-Er共掺光纤具有更高的吸收系数,但本底损耗较高;两种光纤在1530 nm的吸收系数分别为35.6 dB/m和20.0 dB/m,在1200 nm的本底损耗为31.7 dB/km和6.3 dB/km;在-45.0℃~70.0℃变温范围内,Al-Ge-Er共掺光纤的自发辐射光谱在中心波长为1560.84 nm,10.51 nm带宽的平均波长变化约为6.52×10^(-7)nm/℃,该光纤可满足高精度光纤陀螺的超荧光光源使用要求。该研究为掺铒光纤的研制提供了参考。

基于级联跃迁的2.8μm低掺铒氟化物光纤激光器数值分析与优化

2.8μm和1.6μm激光级联跃迁的工作方式,可以有效解决低掺铒氟化物光纤中自终止效应导致的2.8μm激光功率提升难题.建立基于低掺铒氟化物光纤2.8μm和1.6μm激光级联跃迁的中红外光纤激光器数值模型,系统分析了2.8μm和1.6μm激光波长对2.8μm激光功率和转换效率的影响.计算结果表明,选取1610 nm作为级联激光工作波长,能有效平衡2.8μm激光下能级^(4)I_(13/2)粒子向基态^(4)I_(15/2)和激发态^(4)I_(9/2)的跃迁过程,实现2.8μm波段激光输出功率和效率的提升.此外,计算了1.6μm激光腔反馈对2.8μm激光功率和效率的影响,结果表明,仅通过光纤端面提供的弱反馈即可实现1.6μm激光振荡,从而获得高效率2.8μm激光输出.

超窄线宽布里渊光纤激光器研究进展(特邀)

基于光纤受激布里渊散射的布里渊光纤激光器以其Hz量级甚至亚Hz量级的超窄线宽特性,自问世以来便吸引了广泛的研究关注。超窄线宽布里渊光纤激光器主要经历三个发展阶段,从最初的基于单模光纤谐振腔的布里渊光纤激光器,到向腔内引入掺铒光纤放大器的布里渊掺铒光纤激光器,再到利用一段普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的紧凑型布里渊掺铒光纤激光器,激光器的性能不断得到发展,相关理论研究也不断得到丰富。近10年,紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的研究取得了一系列的进展,在高精度光纤传感等诸多领域有着十分重要的应用前景。按照三个发展阶段依次梳理和总结了布里渊光纤激光器的研究进展,重点阐述了紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的机理、特性和应用,并对其未来发展方向进行展望。

基于M-Z滤波的波长可调谐掺铒光纤随机激光器

提出了一种基于M-Z结构的可调谐掺铒光纤随机激光器,并对随机激光输出过程、随机激光的波长可调谐输出以及随机激光的稳定性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将两个2×2光纤耦合器进行熔接,构成全光纤M-Z滤波结构。实验结果表明,激光器的阈值功率为120 mW,调整可调谐衰减器改变增益损耗,实现波长可调谐输出,其中单波长输出分别为1 554.4,1 555.2和1 556.3 nm,信噪比达到31.65 dB;双波长输出分别为1 525.9,1 556.2和1 531.6,1 556.2 nm,信噪比优于21.92 dB;三波长输出分别为1 527.4,1 546.9,1 551.6和1 526.9,1 530.0,1 549.8 nm,信噪比优于20.10 dB;四波长输出为1 525.9,1 530.1,1 547.9和1 552.3 nm,信噪比优于18.95 dB;其中单波长和双波长的功率波动分别优于1.65和1.99 dB;激光器斜率效率为0.627%。

基于FRM的直升机载光纤惯导用抗振型光源研究

振动性能是评价高精度直升机载光纤陀螺环境可靠性与性能稳定性的一个重要指标,光源作为直升机载光纤惯导的源头部件,需要保证其在振动条件下性能的稳定输出。针对光源平均波长随振动变化的问题,从基本机理出发,通过建立光路琼斯矩阵模型,深入研究了光纤中传输光的偏振态与偏振相关损耗之间的关系,在不增加光源系统复杂性的情况下提出了一种基于法拉第旋转镜的直升机载光纤惯导用抗振型光源,并实验验证了其抗振动性能。实验表明,提出的方案可以大大提高光源和光纤惯导振动条件下的稳定性,特别是高频振动条件下(1000~2000 Hz),光源的平均波长稳定性提高了6.8×10^(-6)。

基于混合介质光纤干涉仪的单波长光纤激光器

为了实现单波长输出,提出了一种基于单模石英-掺铒-单模石英结构混合介质光纤干涉仪(HFI)的单波长光纤激光器。基于混合介质光纤波导内的光场干涉原理及光波导理论,分析了HFI的模式干涉理论,研究了HFI内干涉光特性随中间段铒掺杂光纤(EDF)长度以及错位量的变化规律;采用熔融错位法制备HFI,优化了EDF的长度和单模光纤与EDF之间的偏移量。结果表明,最佳EDF长度为15 mm,单模光纤与EDF之间的最佳偏移量为7.9μm;选择长度为15 mm的EDF HFI作为环形光纤激光器谐振腔的选模器件,可获得较高稳定性的单波长光纤激光器输出。这一结果对该激光器在光纤传感和光纤通信系统的应用是有帮助的。

基于SWNT可饱和吸收体结合Sagnac滤波的调Q掺铒光纤激光器

提出并搭建了一种基于单壁碳纳米管可饱和吸收体结合Sagnac环的被动调Q掺铒光纤激光器,对其输出激光特性进行实验研究。采用光沉积法制备了单壁碳纳米管可饱和吸收体,其透射率为75%。基于单壁碳纳米管的可饱和吸收特性,搭建调Q激光器,实现谐振腔Q值调节。将Sagnac环形滤波器插入光纤环形腔,Sagnac环结构产生的滤波效应可以对调Q脉冲实现精细度滤波,该激光器工作阈值为800 mW。当泵浦功率为830 mW时,激光器可实现稳定的1 530.4 nm激光输出,输出功率为12.3 mW,重复频率为210.7 kHz,对应的脉冲周期为4.76μs,脉冲宽度为2.19μs,其最大脉冲能量为58.37 nJ。

单频光纤放大器中泵浦作用的相位噪声

研究了铒镱共掺单频光纤放大器中100 Hz~1 kHz频段内的相位噪声,并通过实验证明该尖峰噪声为泵浦电源产生的相位噪声。从铒镱共掺光纤放大器的功率传输方程出发、结合泵浦激光的热传递函数,数值分析了泵浦功率、泵浦波长、增益光纤长度对100 Hz~1 kHz频段内相位噪声的影响。通过二级光放大结构对输出激光的相位噪声进行测量,并将实验结果与数值仿真结果进行对比,证明了理论模型的可靠性。该研究优化了主谐振功率放大结构铒镱共掺单频光纤放大器的相位噪声特性、并为提高相干合成时的合束效率提供指导。以上所得结果普遍适用于主谐振功率放大结构的光纤放大器。

碳纳米管可饱和吸收体被动调Q掺铒光纤激光器

为了实现一种结构简单紧凑、低成本的1.5μm环形腔可饱和吸收体被动调Q掺铒光纤激光器(EDFL),采用沉积法制备单壁碳纳米管可饱和吸收体薄膜作为系统中的可饱和吸收体器件。将制成的可饱和吸收体器件以“三明治”结构放入环形腔掺铒光纤激光器中,实现了稳定的调Q脉冲输出。被动调Q掺铒光纤激光器,以980 nm半导体激光器作为泵浦源,掺铒光纤作为增益介质,激光器阈值为70 mW,工作波长为1 557.5 nm。当泵浦功率从80 mW增加到180 mW时,各参量均呈一定趋势发展。调Q脉冲的重复频率从11.14 kHz增加到32.73 kHz,脉冲能量从8.4 nJ增加到36.9 nJ,脉冲宽度从16.6μs减小到4.62μs。