可调谐环形腔光纤光栅激光器.doc

 光 学 学 报 V o l. 19, N o. 6 J une, 1999 第 19 卷 第 6 期 1999 年 6 月 A C TA O P T ICA S IN ICA 可调谐环形腔光纤光栅激光器3 葛春风 赵东晖 杨秀峰 刘志国 吕可诚 董孝义 (南开大学现代光学所, 天津 300071) 郑建成 (香港城市大学电子工程系, 香港) 采用新颖的调谐方式, 实现了可调谐光纤光栅 (F ibe r B ragg G ra t ing, FB G) 环形腔激光器 得到了稳定的可调谐、窄线宽激光输出, 调谐范围为 5. 7 nm , 线宽小于 0. 1 nm。 掺铒光纤, 可调谐光纤光栅激光器, 悬臂梁调谐。 摘 要 的运转, 关键词 1 引 言 在高速大容量光通信系统中, 由于光纤的色散和环境温度漂移对器件的影响, 要求使用 窄线宽可调谐激光作为载波。在分布反馈温度传感系统中, 需要用波长扫描光源, 可调谐激 光恰好能满足这一要求。宽带可调谐激光器是这些系统中的关键部件, 有着重要意义和广泛 的应用前景。 半导体激光二极管 (LD ) 有多种实现调谐的方法。然而各种调谐方法都存在着各自无法 消除的弊端, 在调谐过程中会出现许多问题, 如: 热效应使波长稳定性变差, 导致模牵引等 等。光纤激光器与激光二极管相比, 具有很多优点: 阈值相当低, 效率比较高; 在各种稀土类 掺杂光纤激光器中, 掺铒光纤 (ED F ) 激光器的波长恰好在光通信窗口 1500 nm 波段。在光纤 激光器的诸多优点中, 较宽的增益带宽尤其引人注目, 加之实现调谐的设计和制作工艺都比 较简单, 所以近年来可调谐光纤激光器的研究得到了十分迅速的发展, 并逐渐成为激光器研 制领域的一个热点。 2 调谐方法 近年来国际上有关光纤调谐激光器常用的调谐方法有: 旋转光栅、调节腔内标准具的角 度、利用声光滤波器、电调液晶标准具等等, 调谐范围通常能达到几十纳米。这些调谐方法 都存在着一个无法消除的弊端: 非光纤的调谐器件与光纤的耦合效率通常很低, 从而增大了 插入损耗, 导致激光器的低斜率效率和高阈值。而光纤光栅是光纤器件, 可以弥补这些不足。 众所周知布拉格条件为 3 国家自然科学基金重点项目资助。 收稿日期: 1998202219; 收到修改稿日期: 1998204222 ΚB = 2+neff (1) 其中, ΚB 为光纤光栅的工作波长, + 为光纤光栅的周期, neff 为光纤光栅的有效折射率。欲使 ΚB 发生改变, 必须改变光纤光栅的周期或折射率变化幅度。基于这一理论, 提出了利用应力、 压电陶瓷、铁电体、温度变化等方法提供轴向应力进行光纤光栅拉伸调谐1 或轴向压缩调 谐2 。但进行轴向应力调谐时, 光纤光栅容易发生皱折。如果对其施加垂直压力实现调谐, 在一定程度上可减少对光纤光栅的损伤3 。这里使用了一种简单的悬臂梁调谐方法。 调谐装置如图 1 (a) 所示, 将光纤光栅固定在一长度 L 为 60 mm 的长悬臂梁上, 悬臂梁 是用双螺纹差动调节器进行细微调谐的, ?x 为 0. 1 mm 。 两螺距分别为 0. 4 mm 和 0. 5 mm , 旋转一周推进量 F ig. 1 Sch em a t ic of FB G tun ing dev ice w ith can t ileve r beam. FB G tun ing dev ice, ( b ) T un ing p r incip le of can t ileve r beam ( a ) 根据材料力学原理, 梁弯曲时内侧材料因被压缩而缩短, 外侧被拉伸而伸长, 中性层面 不受力, 长度保持不变。当梁弯曲时, 据文献6 光波相位变化 ? 为 1 n2 [ (p 11 + p 12 ) Ε1 + p 12 Ε3 } ? = nk 0L {Ε3 - (2) 2 式中 Ε1、Ε3 分别为光纤的横向应变和纵向应变, p 11、p 12 为光纤的光弹系数, 纤纤芯的折射率。 由推进量 ?x 在梁上引起的应力 p 为6 k0 为波数, n 为光 3E I ?x (3) p = - L 3 式中 E 为材料的杨氏模量, I 为梁的惯量矩。 把 (2) 式、 (3) 式代入 (1) 式, 整理可得工作波长改变量 ? Κ和推进量 ?x 的关系 2 ? Κ= 6 I + {1 - n Μp 11 + (1 - Μ) p 12 } ?x (4) - L 3 2 式中 Μ为泊松比。 对于某一特定形状的梁, 由于上式中材料的具体参数 (