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单纵模多波长掺铥光纤激光器研究

【摘要】:单纵模(SLM)窄线宽掺铥光纤激光器(TDFL)的研究对于在2μm波段对线宽有严格特性要求的领域是意义重大的。该波段的激光可以很好的应用到激光雷达、医疗卫生、大气探测、遥感技术等领域中且对人眼是安全的。多波长光纤激光器(MWFL)可同时激射多个波长的光信号,具有结构紧凑和光束质量高的特点,因此在宽带光纤通信和光通信网络中有着广泛的应用前景。鉴于此,本论文以SLM、窄线宽和多波长掺铥光纤激光器(MWTDFL)为研究目标,并对多波长和SLM、窄线宽环形腔TDFL分别进行了仿真和实验研究,主要研究内容和创新成果分为以下几点:(1)以掺铒光纤Giles模型为研究背景,进而依据掺铥光纤放大器(TDFA)的理论模型、TDFA的速率方程和掺铥光纤环形激光器(TDFRL)的功率传输方程建立了多波长环形腔TDFL的理论模型,为仿真数值建模奠定了理论基础。在数值仿真中,利用二阶的龙格-库塔法来求解泵浦光和信号光的功率传输方程和速率方程,进而分析多波长的传输特性。(2)对MWTDFL数值分析模拟进行了模块化的解析,包括掺铥光纤增益介质模块和梳状滤波器模块,并具体介绍了这些模块在仿真中的实现方式,利用MATLAB对其进行了数值模拟。仿真了在抽运源功率和腔内损耗固定的情况下,增益光纤长度对多波长输出平坦度和输出功率等特性的影响,对仿真结果进行分析,为实验提供了理论依据。(3)提出并实验验证一种单纵模(SLM)窄线宽环形腔TDFL,通过使用特殊的子环腔和自制的窄线宽光纤布拉格光栅(FBG),室温下实现了稳定的SLM激光信号激射和窄线宽的输出。子环腔由三个互相连接的光耦合器组成,用来抑制密集的多纵模和跳模。自制的FBG,作为窄线宽波长滤波器,最终实现了稳定的SLM激射。在实验中,对提出的2μm波段的TDFL的输出光谱图,光信噪比(OSNR),稳定性,单纵模特性,线宽等做了详细的研究和分析,激光器具有良好的稳定性和较高的OSNR。实验结果表明:该激光器在室温下可获得中心波长为1940.6nm,OSNR为60dB的稳定信号输出。(4)研究了基于频率噪声测线宽的方法。相位噪声由基于3×3光耦合器迈克尔逊非平衡干涉仪法测得,对干涉仪探测数据进行计算机数据处理,得到相位噪声的功率谱特性,并计算出激光线宽。本论文中获得的单纵模,当测量时间是0.05s时,由频率噪声计算线宽大约是8kHz。

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