1、第37卷,增刊 V01.37Supplement紅外與激光工程Infrared and Laser Engineering2008年9月 Sep.2008布里淵光纖環(huán)形激光器技術(shù)發(fā)展張萍萍,楊遠(yuǎn)洪,陳淑英(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 北京100191摘要:把光纖置于諧振腔內(nèi),利用光纖中的布里淵增益就構(gòu)成光纖布里淵激光器。布里淵環(huán)形 激光器由于具有線寬窄、頻率穩(wěn)定、增益方向敏感等優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。介紹了該種激光 器產(chǎn)生的基礎(chǔ)受激布里淵散射理論,對布里淵環(huán)形激光器的研究進(jìn)展情況進(jìn)行了綜述,介紹了 各種布里淵環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),最后探討了該類激光器發(fā)展過程中存在的技術(shù)問題及其發(fā)展

2、前景。 關(guān)鍵詞:布里淵環(huán)形激光器; 受激布里淵散射:進(jìn)展中圖分類號:TN248.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:10072276(2008增(激光探測.005806Technical development of B rillouin fiber ring laserZHANG Ping-ping,YANG Yuanhong,CHEN Shuying(School ofInstrument Science&Opto.electronics Engineering.Beihang University,Beijing 100191,ChinaAbstract:Placing fiber in

3、to resonator,brillouin laser can be implemented by brillouin gain in fiber.Brillouin ring laser attract interest from domestic and abroad because of the advantages of narrow linewidth,stable frequency, directional sensitivity of the stimulated brillouin scattering gain.Firstly,the theory of stimulat

4、ed brillouin scattering which is the basement of the laser was detailed.Furthermore the laser development was summarized and thecharacters of the brillouin ring resonator were showed.At last,thetechnology problemsand the prospects of the brillouin fiber ring laser were discussed.Key words:Brillouin

5、ring laser;Stimulated brillouin scattering(SBS;Development0引言在光纖通信中,受激布里淵散射(SBS通常被 認(rèn)為是不利岡素。近年來,受激布里淵散射有利的一 面被得以應(yīng)用。布里淵光纖激光器是基于光纖中受激 布里淵散射這種非線性效應(yīng)的一種光纖激光器。有環(huán) 形腔和F-P腔兩種結(jié)構(gòu)。環(huán)形腔不需要腔鏡,可以用 光纖定向耦合器構(gòu)成。由于FP腔結(jié)構(gòu)的布里淵光纖 激光器容易通過級聯(lián)SBS產(chǎn)生高階Stokes線,為了 避免通過級聯(lián)SBS產(chǎn)生多條Stokes線。大多數(shù)布里 淵光纖激光器采用環(huán)形腔。布里淵光纖環(huán)形激光器是一種具有極窄線寬的 高相干光源。對于相

6、干光學(xué)通信,相干雷達(dá)檢測及微 波電子學(xué)等需要窄線寬高相干激光光源的領(lǐng)域具有 重要應(yīng)用。因?yàn)榧す夤庠吹南喔商匦詫鈱W(xué)系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)和性能起決定作用,布里淵環(huán)形激光器的研究備受 青睞,環(huán)形腔的結(jié)構(gòu)及參數(shù)不斷優(yōu)化,技術(shù)問題也不 斷得到解決,但對布里淵環(huán)形激光器的研究仍處于實(shí) 驗(yàn)室階段,某些技術(shù)問題仍需要解決。隨著相關(guān)技術(shù) 的發(fā)展布里淵激光器將日趨完善,逐步走向?qū)嵱没?產(chǎn)品化。收麓日期I 2008-06-06作奢筲介l張萍萍(1985一,女.山東濟(jì)南人,碩士生。主要研究方向?yàn)楣饫w激光器技術(shù)。Email:zhangpin90605163.oom 辱膏介l楊遠(yuǎn)洪(1969一,男,湖北武漢人.教授,主要研究

7、方向?yàn)楣饫w傳感器技術(shù)。Email:yhyang增刊 張萍萍等:布里淵光纖環(huán)形激光器技術(shù)發(fā)展 591受激布里淵散射理論布里淵散射,是指入射光波場與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波 場之間相互作用而產(chǎn)生的一種散射現(xiàn)象。其主要特 點(diǎn)是散射光的頻率相對入射光頻率發(fā)生變化,這種頻 移量的大小與散射方向以及介質(zhì)內(nèi)的聲速特性有關(guān)。 激光技術(shù)出現(xiàn)后,當(dāng)以高單色高亮度定向的激光束入 射到為數(shù)相當(dāng)多的不同光學(xué)介質(zhì)中時(shí),不但可以產(chǎn)生 很明顯的布里淵散射效應(yīng),而且在一定條件下,可使 這種散射過程具有一系列嶄新的特點(diǎn)(例如高增益性 閾值性、定向性、可實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩、可調(diào)諧性等, 這就是所謂受激布里淵散射過程。受激布里淵散射過程可經(jīng)典地描述

8、為泵浦波、斯 托克斯波通過聲波進(jìn)行的非線性互作用。泵浦波通過 電致伸縮產(chǎn)生聲波,然后引起介質(zhì)折射率的周期性調(diào) 制。泵浦引起的折射率光柵通過布拉格衍射散射泵浦 光,由于多普勒位移與以聲速移動的光柵有關(guān)(聲速 為屹,散射光產(chǎn)生了頻率下移。同樣,在量子光學(xué) 中,這個(gè)散射過程可看成是一個(gè)泵浦光子的湮滅,同 時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)斯托克斯光子和一個(gè)聲頻聲子。在這個(gè) 由于散射過程中能量和動量必須守恒,則3個(gè)波之間 的頻率和波矢有以下關(guān)系:畔=ms+縱;七p=七。+七A (1式中:q和啦分別為泵浦波和斯托克斯波的頻率, 七,和七。是泵浦波和斯托克斯波的波矢,聲波頻率咄 和波矢k是滿足色散關(guān)系的聲波的頻率和波矢?？v=%

9、I七AI=2VAl露AIsin(0/2 (2式中:p為泵浦波與斯托克斯波之間的夾角。公式(2 表明,斯托克斯波的頻移與散射角有關(guān),更準(zhǔn)確地說, 在后向(秒=7【有最大值,在前向(口=0它為零。在 單模光纖中,只有前、后向?yàn)橄嚓P(guān)方向,因此,SBS 僅發(fā)生在后向,且后向布里淵頻移為:vB=2nv,/五 (3式中用到了kp=2nn/2p,其中,l為在泵浦波長無處 的折射率。若取屹=5.96kln/s,n=1.45,則對于石 英光纖,在乃=1.55p缸附近,=11GHz。 2布里淵環(huán)形激光器的研究進(jìn)展首例連續(xù)波泵浦的環(huán)形光纖Brillouin激光器舊1由mLL K O等人在1976年完成,采用損耗為

10、100dB/km的光纖,構(gòu)成長度為9.5m的環(huán)形激光器, 由于整個(gè)環(huán)形腔的損耗較高,故采用較短的光纖。但 因?yàn)榍粌?nèi)的往返損耗高達(dá)70%,其閾值約為250mW。 布里淵環(huán)形腔的主要優(yōu)點(diǎn)是比以前所報(bào)告的受激布 里淵散射閾值低。且有連續(xù)的高轉(zhuǎn)化效率。他們還將 腔截?cái)嘧C明了反饋可以降低布里淵增益閾值,并提出 用低損耗長光纖可以降低激光器閾值的假設(shè)。STOKES L F等人1982年提出全光纖環(huán)形腔【jJ, 如圖1所示,用耦合器代替了腔鏡,將耦合器的輸入 輸出端相連構(gòu)成全光纖諧振腔。在腔中加入了偏振控 制器,降低了偏振擾動對閾值的影響,閾值功率下降 到了0.56mW,腔內(nèi)的往返損耗僅為3.5%,如此低

11、的損耗使環(huán)形腔內(nèi)的泵浦功率提高了30倍。Polarizationcontrolerl'umplaBcr圖1全光纖環(huán)形腔Fig.1Allfiber ring resonatori 隨后人們對由耦合器組成的全光纖布里淵激光 器的閾值及諧振腔參數(shù)進(jìn)行了理論分析。比較著名的 是Bayel等人提出的理論I 4I,闡述了在抽運(yùn)抽空情況 下受激布里淵散射的閾值功率,環(huán)形腔輸出斯托克斯 光功率及轉(zhuǎn)換效率。在低損耗、高精細(xì)度的光纖諧振 腔中SBS閾值只有幾十微瓦。Stokes波輸出功率隨 光纖諧振腔的腔長變化不大,這是因?yàn)殡m然腔長增加 可以降低閾值,但同時(shí)也降低了光纖諧振腔的精細(xì) 度。轉(zhuǎn)換效率先隨抽運(yùn)光

12、能量的增加而增加,最后趨 于飽和。但這種理論只適用于高精細(xì)度腔的計(jì)算,對 于低精細(xì)度腔的計(jì)算會出現(xiàn)誤差。 . 常規(guī)布里淵環(huán)形激光器諧振腔往往不按圖1所 示,因?yàn)檫@種裝置受光纖消光比的影響較大。Smith 等人闡述了用632.8nm激光泵浦的,線寬2kHz的 常規(guī)結(jié)構(gòu)的受激布里淵散射環(huán)形激光器【5J。原理圖如 圖2所示,抽運(yùn)光(標(biāo)記為尸以逆時(shí)針方向耦合進(jìn)紅外與激光工程:激光探測、制導(dǎo)與對抗技術(shù) 第37卷單模光纖諧振腔。為了使抽運(yùn)光在腔內(nèi)具有最大的傳輸效率,抽運(yùn)光由一個(gè)偏振器控制偏振方向使之與諧振腔的本征偏振態(tài)相匹配。抽運(yùn)光的頻率被一個(gè)反饋環(huán)控制在光纖諧振腔的諧振中心頻率處。SBS激光(標(biāo)記為8在

13、光纖諧振腔內(nèi)沿順時(shí)針方向傳輸,通過 ._一個(gè)方向耦合器從輸出臂中耦合出來。常規(guī)布里淵環(huán)形激光器對泵浦光參數(shù)及光纖參數(shù)(例如泵浦光線寬,光纖消光比等比較敏感,受激布里淵散射閾值將會隨這些參數(shù)的不同發(fā)生顯著變化。圖2常規(guī)布里淵環(huán)形激光器Fig.2Conventional Bdllouin ring laser同時(shí),布里淵增益具有方向性,即只有后向散射光,基于此Smith等人提出了同腔布里淵環(huán)形激光器,采用兩束抽運(yùn)光同時(shí)泵浦,使兩束光在腔內(nèi)沿相反方向傳輸,所產(chǎn)生布里淵散射光同時(shí)耦合輸出。同腔布里淵環(huán)形腔主要應(yīng)用于布里淵光纖陀螺。常規(guī)布里淵環(huán)形激光器需要線寬窄,穩(wěn)定性較高的激光器作為泵浦源,而此類泵浦

14、源價(jià)格較高,使得布里淵環(huán)形激光器性價(jià)比較低。Jae Chul Yong等人提出的用不平衡的馬赫.曾德爾干涉儀作為耦合裝置的布里淵環(huán)形激光器16】解決了這個(gè)問題,原理圖如圖3、圖4所示,這種結(jié)構(gòu)在常規(guī)分布反饋半導(dǎo)體激光器的泵浦下就能產(chǎn)生穩(wěn)定的單頻激光,即可以使用寬線寬的泵浦源,但此種布里淵環(huán)形激光器較常規(guī)的泵浦閾值要高,所以要求泵浦源輸出功率要高。這種使用非平衡馬赫一曾德爾干涉儀作為耦合裝置,能夠滿足抽運(yùn)光只在腔中傳輸一周,而SBS光在腔中傳輸多周并發(fā)生諧振,大大提高了輸出SBS光的穩(wěn)定性,適合于用作受激布里淵光纖陀螺的耦合裝置。二Coupler Coupler圖3泵浦光傳輸Fig.3Propa

15、gation of the pumpPort A 1:11:l Port C Coupler Coupler圖4布里淵散射光傳輸 Fig.4Propagation of the stokes常規(guī)布里淵光纖環(huán)形激光器采用低損耗光纖諧 振腔,抽運(yùn)光的模式要與諧振腔相匹配,輸出激光功率 較小。Cowle等1997年提出了復(fù)合結(jié)構(gòu)布里淵/摻鉺 光纖激光裂¨。其增益是由摻鉺光纖的線性增益以及 光纖中的受激布里淵散射非線性增益的綜合,總增益 表現(xiàn)為非均勻加寬機(jī)制。圖5為布里淵/摻鉺光纖環(huán) 形激光器。當(dāng)一個(gè)窄帶布里淵抽運(yùn)注入到單模光纖 中,在順時(shí)針方向產(chǎn)生一個(gè)很窄的布里淵增益。此時(shí), 由于諧振腔的

16、損耗不能產(chǎn)生SBS激光。摻鉺光纖的 980nm抽運(yùn)光注入后也產(chǎn)生增益,可以補(bǔ)償諧振腔的 損耗,從而產(chǎn)生SBS激光。光隔離器的作用是阻止 布里淵抽運(yùn)光進(jìn)入摻鉺光纖。摻鉺放大布里淵光纖環(huán) 形激光器可以使用高損耗諧振腔,抽運(yùn)光的模式無需 與諧振腔相匹配,而且輸出功率較大。添加一定的裝 置后可以實(shí)現(xiàn)等頻率間隔的多波長輸出。B圖5布里淵,摻鉺光纖環(huán)形激光器Fig.5Brillouin/Erbium fiber ring laser普通光纖的非線性系數(shù)較小,所以布里淵增益較 小,而小模面積PCF具有超強(qiáng)的非線性特性,因此 具有較高的布里淵增益。池灝等人利用了PCF的高 非線性,提出了一種基于小纖芯光子晶體

17、光纖(PCF 的環(huán)形腔布里淵光纖激光器(圖6181。在環(huán)路中加 入了摻鉺光纖放大器和光濾波器,抵消了光纖環(huán)路的 損耗,削減了摻鉺光纖的受激輻射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 應(yīng)用該激光器只需25m的小纖芯PCF就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增刊 張萍萍等:布里淵光纖環(huán)形激光器技術(shù)發(fā)展 61的布里淵激光輸出,并且輸出激光的主要能量來源是環(huán)中的摻鉺光纖放大器。在此結(jié)構(gòu)中,采用可調(diào)諧的光濾波器,可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的布里淵激光輸出。目前PCF的制造技術(shù)還不成熟,隨著PCF的制造工藝改進(jìn),傳輸損耗和融接損耗降低到和現(xiàn)在普通光纖可以比擬的水平,泵浦效率可以得到進(jìn)一步提升。圖6光子晶體光纖環(huán)形激光器Fig.6Photonic crystal f

18、iber ring laser布里淵環(huán)形激光器輸出的穩(wěn)定性一直是布里淵光纖陀螺的致命弱點(diǎn)。Ji Hong Geng等人將PoundDrever.Hall鎖頻技術(shù)使用到布里淵環(huán)形激光器【9】,見圖7,報(bào)道了超窄線寬的單頻布里淵光纖環(huán)形激光器。該激光器由一單頻率窄線寬快速調(diào)諧泵浦光源,一個(gè)溫控的、聲阻尼包層的光纖環(huán)形激光腔和一個(gè)主動穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)新穎的可自動跟蹤反饋電子回路組成。PoundDrever-Hall鎖頻技術(shù)用于保持泵浦光(a調(diào)節(jié)泵浦光穩(wěn)頻裝置(aFrequency stabilization by modulation of the pump laser(b調(diào)節(jié)諧振腔腔長穩(wěn)頻裝置CoFre

19、quency stabilization by modulation of coil length圖7單頻窄線寬布里淵環(huán)形激光器Fig.7Singlefrequency Brillouin ring laser with IIalTOW linewidth頻率與布里淵光纖環(huán)形腔的模式匹配。在a圖結(jié)構(gòu) 中,不用改變布里淵光纖環(huán)形激光器的腔長,泵浦光 頻率在自動跟蹤反饋電子回路中快速調(diào)節(jié)。這使得布 里淵光纖環(huán)形激光器產(chǎn)生極窄線寬輻射光而不需要 延長光纖。在(b環(huán)形諧振腔中采用壓電陶瓷器件PZT 對腔長進(jìn)行調(diào)制。從而補(bǔ)償泵浦光大的頻率波動保持 與腔的某一模式相匹配。使得該激光器可以實(shí)現(xiàn)一定 調(diào)諧范圍

20、內(nèi)的可變波長輸出。同時(shí),也可以起到穩(wěn)頻 的作用。3布里淵環(huán)形激光器主要技術(shù)問題和發(fā)展前景 3.1布里淵環(huán)形激光器的主要技術(shù)問題及解決方法 近年來國外對布里淵環(huán)形激光的技術(shù)研究不斷 發(fā)展,一些基本的技術(shù)問題得到解決,但沒有取得突 破性進(jìn)展。國內(nèi)對于布里淵環(huán)形激光器的研究比較緩 慢。這是因?yàn)閷τ诙坦饫w(1040m,環(huán)形激光 器可以以窄線寬的單縱模的形式穩(wěn)定運(yùn)行。但需要高 穩(wěn)定性(包括工作波長穩(wěn)定和輸出功率穩(wěn)定、窄線 寬、大功率的激光器,才能在長度較短的光纖中產(chǎn)生 SBS效應(yīng)。如果想要在一定長度的普通單模光纖內(nèi)產(chǎn)生 SBS效應(yīng),則需要的抽運(yùn)激光功率要高一倍之多¨叭1I。 相反,長光纖(大于

21、幾百米布里淵環(huán)形激光器一般 運(yùn)行在多縱模方式,這是導(dǎo)致先前布里淵散射激光器 輸出不穩(wěn)定的主要原因。有人指出這種激光器需要主 動腔內(nèi)穩(wěn)定,才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。模式的個(gè)數(shù)隨光纖 長度的增加而增加,且激光輸出會變得具有周期性, 在某些條件甚至是混沌的?？傊?布里淵激光要想成 熟地走向?qū)嵱没?商品化,許多問題尚待深入探討。 (1對光纖中布里淵散射的理論研究基本上處 于對長光纖的研究階段,而為了得到穩(wěn)定的單頻激光 輸出,選取光纖諧振腔的自由光譜范圍應(yīng)大于布里淵 增益,這就要求使用的光纖較短。短光纖中產(chǎn)生受激 布里淵散射比長光纖中要困難,而且諧振腔中光纖的 受激布里淵散射與常規(guī)光纖中的布里淵散射又表現(xiàn) 出不

22、同的特性,所以完善布里淵環(huán)形激光器的理論是 研究中的一個(gè)重要問題。(2開發(fā)大功率的布里淵環(huán)形激光器還存在困 難:布里淵環(huán)形激光器的輸出功率比較低,主要是受 到泵浦源功率和諧振腔特性的限制。高功率、窄線寬 激光光源有利于布里淵激光器高功率輸出,但會提高 布里淵環(huán)形激光器的生產(chǎn)成本。而且由于腔長較短,62紅外與激光:r-hi:激光探測、制導(dǎo)與對抗技術(shù) 第37卷激光輸出功率必然受到限制。(3偏振波動的問題Il 2I:在光纖諧振腔中經(jīng)過 一個(gè)循環(huán)而不改變其偏振狀態(tài)的這種特殊偏振態(tài)稱 為偏振本征狀態(tài)。在一般情況下,光纖環(huán)形諧振腔中 有兩個(gè)偏振本征態(tài),兩者互相垂直。由于環(huán)境溫度等 因素的變化會使光纖中的雙

23、折射發(fā)生變化,因此兩個(gè) 偏振本征態(tài)的傳播常數(shù)發(fā)生變化,引起兩個(gè)諧振峰之 間的間隔變化,而這種變化對于兩個(gè)相反方向傳播光 束波來說不是完全一致的,因此,可能在輸出激光中 造成偏振擾動,且由于相反方向傳輸光的偏振態(tài)變化 的不一致性導(dǎo)致布里淵散射閾值提高一倍。現(xiàn)有的解 決措施主要有:1在光纖的導(dǎo)引部分或是光纖環(huán)中安放兩個(gè)偏 振控制器;2單偏振單模光纖組成的環(huán)形諧振腔;3由銜接處使用90度偏振軸旋轉(zhuǎn)的保偏光纖組 成的環(huán)形諧振腔。在光纖中點(diǎn)處將光纖偏振軸旋轉(zhuǎn) 90度,這樣本來沿慢軸方向的光束在通過“2后進(jìn)入 快軸,在理想情況下諧振峰峰值間隔恰好為7【; 4由寫入光誘導(dǎo)雙折射光柵的保偏光纖組成的 諧振腔;

24、5除了前面提到的方法外,還有采用偏振面補(bǔ) 償裝置、退偏棱鏡等方案?？傊?要消除偏振波動的 影響,最好采取全保偏光纖諧振腔,即使用保偏光纖 和保偏耦合器等。(4添加一定調(diào)諧裝置后的布里淵環(huán)形激光器 是一種特殊的全光纖調(diào)諧激光器,全光纖調(diào)諧激光器 穩(wěn)定性的提高將是未來理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的一大 重點(diǎn)ll引,可調(diào)諧激光器無論是駐波型還是行波型, 激光震蕩的模式和自脈動現(xiàn)象都嚴(yán)重影響激光輸出 的穩(wěn)定性,這涉及激活介質(zhì)的特性和模式競爭等問 題,理論和技術(shù)問題都比較復(fù)雜。未來的研究應(yīng)該搞 清全光纖調(diào)諧激光器輸出穩(wěn)定性的物理機(jī)制,并尋求 相應(yīng)技術(shù)措施在主動穩(wěn)頻技術(shù)方面提出發(fā)展。當(dāng)今應(yīng) 用于布里淵環(huán)形激光器的穩(wěn)

25、頻技術(shù)是 Pound.Drever-Hall鎖頻技術(shù)憎J。(5增大布里淵環(huán)形激光器調(diào)諧范圍的研究:基于布里淵散射的光纖傳感器等許多科學(xué)技術(shù)和實(shí) 際應(yīng)用領(lǐng)域需要更寬調(diào)諧范圍的全光纖調(diào)諧激光器。 布罩淵環(huán)形激光器采用外部光學(xué)反饋的調(diào)諧技術(shù),調(diào) 諧范圍比通過改變工作溫度與工作電流來改變波長 的調(diào)諧技術(shù)有了很大的改善。但為了適應(yīng)實(shí)際需求仍 需要拓寬調(diào)諧范圍:一是通過改變外部光學(xué)反饋裝置 來加寬調(diào)諧范圍。二是利用光譜展寬、溫度、應(yīng)力等 方法拓寬SBS帶寬以適應(yīng)更大調(diào)諧范圍的要求。 3.2布里淵環(huán)形激光器的發(fā)展前景因單頻布里淵環(huán)形激光器具有窄線寬,高穩(wěn)定輸 出的特性,將會受到人們越來越多的重視。光纖通信 相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展,窄帶抽運(yùn)源、特種光纖、新型 高效耦合器等技術(shù)和器件的相繼面世,給受激布里淵 光纖環(huán)形激光器奠定了發(fā)展基礎(chǔ)。其技術(shù)上將會取得 很大進(jìn)展:1通過優(yōu)化腔的參數(shù),改用新型窄線寬、高功 率光纖激光器作為抽運(yùn)源,布里源環(huán)形激光器的輸出 功率和斜率效率會進(jìn)一步提升,線寬會進(jìn)一步壓窄; 2通