基于非线性效应的多波长掺铒光纤激光器的研究

摘要

密集波分复用技术是提升光纤通信速率与容量的有效途径，其实现的关键技术是产生多波长激光信号。传统的方法是采用半导体激光器阵列产生多波长激光信号，但这种阵列光源因为系统庞大、结构复杂以及成本较高等缺点，一定程度地限制了通信容量的提升。相比之下，掺铒光纤激光器作为产生多波长激光信号的光源，具有结构简单、体积小、重量轻及成本低等优点，被认为是大容量光纤通信系统中最具潜力的光源，因此对其开展相关研究具有非常重要的意义。然而，一般情况下的掺铒光纤激光器存在剧烈的模式竞争效应，无法实现多波长激光输出。为解决这一问题，本论文围绕非线性光学效应抑制模式竞争的方法，开展了基于受激布里渊散射、四波混频、受激布里渊散射与非线性光学环形镜组合、受激布里渊散射与四波混频组合的多波长掺铒光纤激光器的理论与实验研究。其主要的研究内容如下：
　　（1）通过结合描述掺铒光纤的速率方程与受激布里渊散射耦合方程的解析解，建立了基于受激布里渊散射效应的多波长掺铒光纤激光器的理论模型，数值模拟了掺铒光纤泵浦功率、布里渊泵浦功率及波长对此类多波长掺铒光纤激光器的输出波长数量的影响，并对其进行了相应的实验验证，数值模拟与实验结果吻合较好。
　　（2）提出了利用两注入泵浦光信号的方法，使基于四波混频的多波长掺铒光纤激光器实现波长间隔任意可调。实验观测了这种多波长激光器输出波长数量对注入泵浦波长、功率、波长间隔及掺铒光纤泵浦功率的依赖关系，并数值模拟了这些依赖关系，实验与数值模拟结果具有较好的一致性。
　　（3）针对基于受激布里渊散射的多波长掺铒光纤激光器输出幅度平整性不好、输出数量调节不便利的现象，提出了利用受激布里渊散射与非线性光学环形镜组合的技术方案。在此方案基础上，建立了这种多波长掺铒光纤激光器的理论模型，数值模拟了掺铒光纤泵浦功率、四分之一波片角度和输入偏振状态对此类多波长激光器输出的波长数量与幅度平整性的影响，并进行了实验验证，数值模拟获得的变化规律与实验结果相一致。
　　（4）提出了利用受激布里渊散射与四波混频组合的技术方案，使掺铒光纤激光器获得多波长输出。在此基础上，建立了这种多波长掺铒光纤激光器的理论模型，该模型通过利用受激布里渊散射与四波混频效应组合的非线性极化强度表达式，推导了描述这两种非线性效应的功率与相位耦合方程。根据建立的模型，本论文进行了相应的数值模拟以及实验验证，分析了掺铒光纤泵浦功率、布里渊泵浦功率对输出多波长数量的影响。
　　本论文的研究结果对于完善基于这些非线性效应的多波长掺铒光纤激光器的机理模型、优化此类多波长掺铒光纤激光器设计、促进其实际应用具有重要的指导意义。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外多波长掺铒光纤激光器的研究现状

1.3 非线性效应技术的多波长掺铒光纤激光器的现状分析

1.4 课题主要研究内容

第2章 掺铒光纤模式竞争与非线性效应抑制模式竞争

2.1 引言

2.2 掺铒光纤模式竞争效应

2.3 非线性效应抑制模式竞争的机理与数值仿真

2.4 本章小结

第3章 基于受激布里渊散射的多波长掺铒光纤激光器

3.1 引言

3.2 受激布里渊散射技术的多波长激光器的理论研究

3.3 受激布里渊散射技术的多波长激光器的实验与数值研究

3.4 本章小结

第4章 基于四波混频效应的多波长掺铒光纤激光器

4.1 引言

4.2 四波混频技术的多波长激光器的理论研究

4.3 两注入泵浦四波混频技术的多波长激光器

4.4 本章小结

第5章 基于组合非线性效应的多波长掺铒光纤激光器

5.1 引言

5.2 受激布里渊散射与非线性环形镜组合技术的多波长激光器

5.3 受激布里渊散射与四波混频组合技术的多波长激光器

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录1 缩写词

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