980nm非致冷泵浦激光器与光纤耦合封装技术研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.93MB 51 页 15积分

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摘要

980nm非致冷泵浦激光器被广泛应用在掺铒光纤放大器中，其在大功率、高

可靠、小尺寸、低功耗、低成本等方面显现的发展潜力，以及在全固化固体激光

器和光纤放大器领域具有的优势，使非致冷980nm高功率泵浦激光器的封装技术成

为急待突破的核心技术。980nm非致冷泵浦激光器的波长稳定性以及与光纤的高效

耦合日益受到人们的重视。它不仅直接影响光纤传输的中继距离，而且在改善激

光器泵浦掺铒光纤放大器的性能上，在提高性价比方面有着十分重要的意义。

本课题对非致冷高功率980nm泵浦激光器的波长稳定性以及与光纤的高效耦

合封装技术进行研究，提出一种高耦合效率的技术途径，通过在单模光纤前端制

作楔形柱透镜并在单模光纤中置入双光纤光栅来达到高耦合效率和波长稳定。

首先，对非致冷980nm泵浦激光器和透镜光纤耦合进行理论研究。对几种典

型透镜光纤与激光器的耦合特性进行分析，提出用楔形柱透镜光纤与激光器耦合

来达到高耦合效率。楔形柱透镜光纤的作用是修正激光光束波前和从光纤出来光

束之间的相位失配。论文中，根据耦合模型建立方程，并用Matlab软件编程计算。

使楔形柱透镜的楔角和半径得以优化，优化后的耦合效率达到97.38％，并通过实

验证实理论计算的正确性。

另外，本文针对 980nm 激光器在非致冷条件下的稳定性较差，波长漂移严重，

设计了双光纤光栅波长锁定器。运用耦合模理论推导了双布拉格光纤光栅(FBG)

的透射率和反射率的解析表达式，对双 FBG 的反射率，两光栅之间距离，光栅到

激光器前端面距离以及光栅带宽进行优化设计，使激光器得到最佳的锁模特性。

结果表明带双布拉格光纤光栅波长锁定器的非致冷泵浦激光器输出光谱的稳定性

得到了显著改善。在 0℃~70℃温度范围内能稳定工作，波长漂移为 0.2nm，边模

抑制比达 45dB，半峰值宽度小于 1nm。

本文的研究结果对利用光纤光栅稳定半导体激光器的输出特性具有重要的意

义。

关键词：980nm 泵浦激光器非致冷模块双光纤光栅波长锁定器

ABSTRACT

980nm uncooled pump laser is widely used in the erbium doped fiber amplifier.

They are very attractive in diode-pumped solid-state lasers and optical amplifiers,

especially for its advantages of high power, high reliability, small size, low power

consumption, and low cost. The packaging technologies of high power uncooled diode

pump lasers have been becoming the key technology to be solved. The coupling

efficiency with the single mode fiber and the wavelength stability for the uncooled

pump laser become the most fundamental problems for engineers and researchers to

solve. They not only affect fiber communication relay distance, but also affect the

performance of EDFA. So it is very important to improve coupling efficiency and the

output spectral characteristics of the 980nm uncooled pump laser.

In this thesis, we present a robust approach to improve the characteristics of the

980nm uncooled pump laser, which utilizes the wedge-shaped cylindrical lensed fiber

tip to get the high coupling efficiency and the dual Fiber Bragg Grating (FBG) stabilizer

to get the stable output spectral characteristics.

On the one hand, through analyzing the different typical coupling properties of

semiconductor laser to optical fiber based on a theoretical model, the wedge-shaped

cylindrical lensed fiber (CLF) is presented to enhance the coupling efficiency. Such

lensed fiber tip is used to correct the phase front mismatch between the curved laser

beam wave front and the planar fiber beam. Both radius and wedge angle of the

wedge-shaped CLF are optimized for maximal coupling efficiency. It is found that with

proper design by Matlab software, a coupling efficiency up to 97.38% may be obtained

theoretically. And comparisons indicate that theoretical results are in good agreement

with the experimental results.

On the other hand, a new type of wavelength stabilizer for uncooled pump laser

which utilizes two Fiber Bragg Gratings matched in wavelength, bandwidth, and

reflectivity is presented. The characteristics of transmissivity and reflectivity for the

dual FBGs stabilized 980nm pump laser are theoretically modeled and experimentally

studied. Some parameters of the dual FBGs have been optimized to get the best

mode-locking characteristics. The results show that the output spectral characteristics of

the uncooled pump laser with the dual FBGs have been greatly improved. The laser

module can work steadily over a wide temperature range from 0℃ to 70℃, with 0.2nm

wavelength shift, along with more than 45dB side mode suppression ratio, and less than

1nm spectral bandwidth.

The above results can provide an instructive insight into the output spectral

characteristics of the uncooled pump laser with the dual FBGs.

Keywords: 980nm pump laser, uncooled module, dual fiber Bragg

gratings, wavelength stabilizer

III

摘要

ABSTRACT

第一章 ................................................................................................................. 1 绪论

§1.1 研究背景 .......................................................................................................... 1

§1.1.1 980nm泵浦激光器的应用 ...................................................................... 1

§1.1.2 980nm泵浦激光器发展历程和国内外研究现状 .................................. 2

§1.2 研究目的 .......................................................................................................... 3

§1.3 本文的主要研究工作 ...................................................................................... 4

§1.4 论文的内容安排 .............................................................................................. 4

§1.5 本文的主要创新点 .......................................................................................... 5

第二章透镜光纤的设计与制作 .................................................................................... 6

§2.1 980nm半导体激光器光束特性 ........................................................................ 6

§2.1.1 高斯光束的电场表达式 ......................................................................... 6

§2.1.2 980nm半导体激光器的模场特点 .......................................................... 7

§2.2 980nm泵浦激光器与楔形柱透镜光纤的耦合特性 ........................................ 8

§2.2.1 980nm泵浦激光器与楔形柱透镜光纤耦合的理论分析 ...................... 9

§2.2.2 楔形柱透镜的优化 ................................................................................ 9

§2.3 980nm激光器和CLF透镜光纤的耦合实验................................................... 12

§2.4 透镜光纤的制作 ............................................................................................ 13

§2.4.1 光纤研磨系统 ....................................................................................... 13

§2.4.2 光纤熔烧 ............................................................................................... 16

第三章光纤光栅波长锁定器基本原理 ...................................................................... 17

§3.1 激光器理论基础 ............................................................................................ 17

§3.1.1 激光器振荡与热效应 .......................................................................... 17

§3.1.2 速率方程 ............................................................................................... 19

§3.2 光纤光栅理论 ................................................................................................ 20

§3.3 激光器外部反馈原理 .................................................................................... 22

第四章双光纤光栅波长锁定器 .................................................................................. 25

§4.1 双FBG模式理论 ............................................................................................ 25

§4.2 双FBG的优化设计 ........................................................................................ 27

§4.2.1 反射率 ................................................................................................... 27

§4.2.2 两光栅之间的距离L.......................................................................... 27

§4.2.3 距离L.................................................................................................... 28

§4.2.4 带宽 ....................................................................................................... 29

§4.3 双FBG锁定激光器 ........................................................................................ 32

§4.3.1 激光器多模状态下的速率方程 .......................................................... 32

§4.3.2 模拟结果与讨论 ................................................................................... 32

§4.3.3 实验结果与讨论 .................................................................................. 34

第五章非致冷 980nm泵浦激光器的封装 .................................................................. 36

§5.1 激光器总体封装结构设计 ............................................................................. 36

§5.2 激光器测试系统 ............................................................................................. 37

§5.3 激光器测试结果 ............................................................................................. 37

§5.3.1 激光器光谱测量 .................................................................................. 37

§5.3.2 激光器功率-电流分析......................................................................... 39

第六章论文工作总结与展望 .................................................................................... 42

§6.1 工作总结 ........................................................................................................ 42

§6.2 工作展望 ........................................................................................................ 42

........................................................................................................................ 44 参考文献

............................................ 47 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果

致谢............................................................................................................................ 48

第一章绪论

§1.1 研究背景

光纤通讯由于低损耗，高容量，高传输速度，不受电磁波干扰，质量轻，保

密性强等优点，自 1970 年以来便快速发展。光纤通信在通信技术和信息需求的双

重推动下、成为最活跃、最具发展前途的产业。全球光纤、光缆、光有源器件、

光无源器件等方面的市场在 1975 年时仅有 250 万美元，而 2000 年约为 160 亿美

元，到 2025 年预计将达到 7390 亿美元，几乎是 1975 年的 3万倍。光纤通信能在

如些短时间内商用化并在传输上广泛的应用，是与光纤放大器(特别是掺铒光纤放

大器)技术的成熟和成功商用息息相关的。掺铒光纤放大器(EDFA)具有高增益，高

输出光功率，宽光谱频宽，不受光信号性能与调变速率影响等特点，比起传统再

生器，掺铒光纤放大器仅需要更换终端设备，具有系统升级容易，价格低廉等优

点[1~2]。高功率单模 980nm泵浦激光器作为泵浦源是光通信系统中光纤放大器中最

核心的器件。

随着北美长距离通信市场发展放缓，城域网和接入网市场得到了长足发展，

用于该领域的光通信系统和器件正向着更加经济的方向发展。其中要求EDFA具有

更低的成本，低功耗，小尺寸。典型的精简光电子器件封装结构的方法是去除热

电致冷器(TEC)。TEC被用于恒定激光器的工作温度(通常在 25℃)。去除了TEC的

激光器通常被称之为非致冷激光器，它具有更小的体积以及更低的功耗。非致冷

激光器的应用降低了EDFA 复杂性和成本，体积比常规的蝶形封装减小了

20%~30%[3~4]。此类 980nm泵浦激光器的市场前景十分广阔，一方面可以用于中长

距离通信干线DWDM系统中，另一方面又可以在CATV系统中应用[5]。这两个市场

均具有十分巨大的规模。随着光纤到户需求日趋明显，加之工业用固体激光器对

其需求的不断增加，小型化 980nm泵浦激光器的市场规模更是不难想象。

§1.1.1 980nm 泵浦激光器的应用

从掺铒光纤放大器的吸收频谱中可以看到它有几个泵浦频带，而这些频带正

好与高功率的激光源相吻合。其中，在800nm、980nm和1480nm波段，放大器可以

获得很高的泵浦能量。因800nm处的激发态吸收很严重，使980nm和1480nm激光器

成为最常用的泵浦激光器[6~7]。

由于980nm泵浦激光器能向特殊的光纤注入高强度能量，从而激活铒离子，

把传输中的光信号加以放大。而且980nm泵浦激光器在通讯指数及转换效率等方面

皆优于1480nm泵浦激光器，使得980nm泵浦激光器成为最好的泵浦源之一。

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摘要980nm非致冷泵浦激光器被广泛应用在掺铒光纤放大器中，其在大功率、高可靠、小尺寸、低功耗、低成本等方面显现的发展潜力，以及在全固化固体激光器和光纤放大器领域具有的优势，使非致冷980nm高功率泵浦激光器的封装技术成为急待突破的核心技术。980nm非致冷泵浦激光器的波长稳定性以及与光纤的高效耦合日益受到人们的重视。它不仅直接影响光纤传输的中继距离，而且在改善激光器泵浦掺铒光纤放大器的性能上，在提高性价比方面有着十分重要的意义。本课题对非致冷高功率980nm泵浦激光器的波长稳定性以及与光纤的高效耦合封装技术进行研究，提出一种高耦合效率的技术途径，通过在单模光纤前端制作楔形柱透镜并在单模光纤中...

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