基于超大规模集成光学芯片的多通道超宽带可调谐掺铋光纤激光器

The ultra-broadband lasing mechanism and tunable multi-channel laser based on bismuth-doped fiber and Opto-Very-large-Scale-Integration(Opto-VLSI) working at 1100-1500nm will be investigated in this project for the demands of the future ultra-large-capacity and ultra-broadband optical communication system, smart fiber sensor system in the internet of things and optical spectra measurement, which has very important theoretical significance and practical value..In this project, the ultra-broadband, high efficiency infrared luminescence mechanisms and optical spectral characteristics of bismuth-doped fiber will be studied, the effects of characteristic parameters of the fiber on the optical loss, bandwidth, optical gain, light-emitting efficiency and fluorescence lifetime will be analyzed. Then, the gain characteristics and lasing mechanism based on bismuth-doped fiber will be studied and the theoretical model will be established to analyze the effects of the fiber characteristic parameters and pump configuration on the lasing characteristic. The bismuth-doped fiber gain unit with ultra-broadband, high gain will be realized and the low-loss, high- efficiency and multi-channel frequency selecting and tuning scheme based on Opto-VLSI will be designed. Finally, the experimental system of ultra-broadband (>100nm) tunable multi-channel bismuth-doped fiber laser working at 1100-1500nm wavelength range will be set up for high-quality laser output..

为满足未来超大容量超宽带光纤通信系统、面向物联网的智能化光纤传感系统及光谱测量等对光源的需求，项目提出研究掺铋光纤在1100-1500nm波长范围内的超宽带激光激射机理及多通道可调谐激光器，采用基于超大规模集成光学芯片（Opto-VLSI）的选频和调谐技术，具有重要理论意义和实际应用价值。.主要研究内容为：研究掺铋光纤宽带宽、高效率的光辐射机理及光谱特性，分析光纤掺杂浓度、共掺组分等特征参数与光学损耗、带宽、增益强度、发光效率和荧光寿命等的关系；研究掺铋光纤超宽带增益特性和激光激射机理，建立理论分析模型，分析光纤掺杂组分、掺杂浓度、光纤长度、泵浦配置等对激光激射特性的影响；设计超宽带、高增益的掺铋光纤增益模块和基于Opto-VLSI的低损耗、高效率、多通道的选频和调谐方案，搭建工作在1100-1500nm波长范围内的超宽带（>100nm）多通道可调谐激光器实验系统，优化激光输出质量。

研究了掺铋光纤在1100-1600nm波长范围内的超宽带荧光辐射特性及其在超宽带放大器及光源、多通道可调谐激光器方面的应用，可满足未来超大容量超宽带光纤通信系统、智能化光纤传感系统及光谱测量等对光源的需求，具有重要的理论意义和实际应用价值。. 本项目的主要研究内容及取得的成果为：（1）对掺铋光纤的发光机理进行了分析和研究，推测出了基于掺铋光纤材料中铋离子的局域价态和电子结构，确定了以铋离子的发光机理，提出了830/980nm激光器泵浦下铋铒共掺光纤(BEDF)的能级图。（2）深入系统地研究了掺铋光纤（包括BEDF和铋铒镱共掺光纤（BEYDF））的荧光特性，包括：泵浦情况、光纤参数、环境温度、γ辐射、光漂白效应、激光辐照、热效应等的影响；BEDF中铝相关的铋活性中心的光谱特性；BEYDF的超宽带辐射特性；荧光寿命；荧光上转换效应等，为开发掺铋光纤在超宽带放大器和光源等光子学方面的应用奠定了坚实基础。（3）对掺铋光纤的增益特性开展了研究，包括掺铋光纤放大模型的建立及增益特性的仿真分析；搭建了超宽带、高增益的掺铋光纤放大实验系统，实现了总带宽超过200nm的超宽带开关增益；对比研究了830/980nm泵浦下以及不同掺杂浓度下的增益性能，为设计优化增益模块和激光器提供了理论指导。（4）研究了环形腔可调谐激光器工作原理，设计了基于Opto-VLSI的环形腔超宽带可调谐激光器的实现方案;搭建了基于掺铒光纤的三通道可调谐激光器和基于多谐振腔的单纵模可调谐激光器实验系统，研究并优化了激光参数特性。实现了工作在980-1630nm的基于掺铋光纤的超宽带光源，其半峰全宽>500nm。项目取得的研究成果为推动掺铋光纤的超宽带光子学应用奠定了重要基础。（5）项目执行期间，发表高水平学术论文27篇，获授权专利1项，培养副教授1名、博士研究生3名、硕士研究生3名。