（物理电子学专业论文）er3yb3共掺杂的光纤激光器及放大器的研究.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 本论文就光纤激光器做了全面的论述，对e r 3 + ，y b 3 + 共掺杂光纤激光器进行 了理论和实验研究，目的是为了说明这种光纤激光器的可行性及其相对于以往的 e r 3 + 掺杂光纤激光器优越性。文章最后还对e 一y b ”共掺杂光纤放大器进行了 初步的理论分析。 围绕这个中心，做了以下几个方面的工作： 1 首先在第一章中介绍了光纤激光器的基本原理、发展现状及研究热点。 2 论文在第二章中从e r 3 + _ y b 3 + 共掺杂光纤的光谱结构和速率方程出发， 建立了掺杂光纤激光器的理论模型，利用数值方法计算，分析了e r 3 + y b 3 + 共掺杂光纤激光器的运转特性，讨论了激光器的效率、闽值、激射波长 等与光纤长度、掺杂浓度比这些掺杂光纤参数的关系。 3 此外，论文对光纤激光器中普遍存在的自脉冲效应进行了分析讨论，并 把它归结为掺铒光纤中的e ，离子的聚集效应引起的。通过理论计算分 析了共掺杂y b 3 + 后掺铒光纤的有效泵浦速率，证明了e r 3 + y b ”共掺杂可 以提高有效泵浦速率。使用这种光纤，可以使为抑制光纤激光器中离子 对导致的自脉冲效应所需的泵浦功率水平大大降低。说明这种共掺杂光 纤激光器不仅可以提高效率还可以提高激光输出的稳定性。 4 在理论分析的基础上，论文在第三章中通过实验验证了这种e r 3 4 - _ y b 3 + 共 掺杂光纤激光器理论的可行性，首次在国内实现了e r 3 + y 护+ 共掺杂全光 纤环形腔、线形腔结构的激光器运转。采用波长为1 0 6 4 n m 泵浦源，获 得了1 5 3 5 n m 附近的激光发射，输出功率可达g r o w ，斜率效率6 4 ，并 对实验结果进行了分析、比较，提出了进步的改进方案。 5 最后，本文还对e r ”y b 3 + 共掺杂光纤放大器进行了初步的理论分析，说 明这种光纤放大器与以往的掺铒光纤放大器相比具有更高的单位长度上 的增益及较好的增益平坦特性，同时降低了对泵浦源光频率的要求。为 本实验室下一步进行e r 3 + y b 3 + 共掺杂光纤放大器的实验研究提供了一定 的理论依据。 总之，本文对e r “y b 3 + 共掺杂光纤激光器及放大器理论的详细阐述，计算 模拟及实验验证，为今后该技术的推广和应用打下了基础，对今后的实验研究也 有定的参考价值。 关键词：e r 3 + y b 3 + 共掺杂、光纤激光器、自脉动、光纤放大器、光通信 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n ts t u d i e so fe ? + - y b 3 + c o - d o p e d f i b e rl a s e ra r ep r e s e n t i ti sf o rt h ep u r p o s eo fi l l u s t r a t i o no f f e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e o ft h i sk i n do ff i b e rl a s e rc o m p a r e dw i t he r 3 + d o p e df i b e rl a s e r i nt h ee n dt h ep i l o t s t u d ya b o u te r j + - y b ”c o d o p e d f i b e ra m p l i f i e ri sa l s op r e s e n t k e e p t ot h ep o i n t ，s e v e r a lw o r ki sc a r r yo u ta sf o l l o w s ： i i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h eb a s a lt h e o r y , a c t u a l i t ya n dt h er e s e a r c hh o t s p o ta b o u t t h ef i b e rl a s e ri si n t r o d u c e d i i i nt h es e c o n d c h a p t e r , t h et h e s i sf i r s t l ys t a r t sf r o mt h es p e c t r u m s t r u c t u r ea n d r a t ee q u a t i o no ft h ee r j + y b ”c o d o p e df i b e r ；t h et h e o r e t i cm o d e li ss e tu p u s i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，t h e l a s e ro p e r a t i n gp r o p e r t yo ft h i sk i n di s s t u d i e d t h er e l a t i o n sb e t w e e n e f f i c i e n c y , t h r e s h o l dp u m p ，l a s i n g w a v e l e n g t ha n da l lk i n do fp a r a m e t e r ss u c ha st h el e n g t ho f t h ef i b e ra n d c o n c e n t r a t i o nr a t i oo f d o p e di o ni sa l s od i s c u s s e d i i i b e s i d e s ，t h es e l f - p u l s i n g ，w h i c hi sp r e v a l e n ti nt h ef i b e rl a s e r , i sd i s c u s s e d t h ee f f e c t i v ep u m pr a t ef o re f j + - d o p e df i b e r sb y y b j + c o d o p i n gi sa n a l y z e d w es h o wt h a tt h el e v e lo ft h ep u m p p o w e rr e q u i r e dt os u p p r e s st h ei o n - p a i r i n d u c e d s e l f - p u l s i n gi ne ，+ - d o p e df i b e rl a s e r sc a n b es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e d b yu s i n gy b ”e ，+ c o - d o p e df i b e rd u e t ot h ei n c r e a s e de f f e c t i v ep u m pr a t e o u rr e s u l t ss h o wt h a tt h i se r 3 + y b 3 + c o d o p e df i b e rl a s e rn o to n l yi n c r e a s e s t h el a s e re f f i c i e n c yb u ta l s os t a b i l i z e st h el a s e ro u t p u t i v b a s e do nt h ea c a d e m i c a n a l y z e ，i n t h et h i r d c h a p t e r w ev a l i d a t e e x p e r i m e n t a l l yt h ef e a s i b i l i t yo f t h i se r j + 一y b ”c o - d o p e df i b e rr i n ga n dl i n e l a s e rf o rt h ef i r s tt i m ei nc h i n a ，w h i c hi sb u m p e db yl a s e ro f10 6 4 n m l a s i n gw a v e l e n g t hi s 15 3 5 n m t h eo u t p u tp o w e ro f8 r o wi sa c h i e v e da n d t h e s l o p ee f f i c i e n c y a t t a i nt o6 4 w ea l s o a n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a l o u t c o m ea n dp u tf o r w a r ds c h e m e sf o rb e r e ru s e v a tl a s t t h e p i l o ts t u d ya b o u te r ”一y b ”c o - d o p e df i b e ra m p l i f i e r i sa l s o d i s c u s s e d ，w ef i n do u tt h a tt h i sk i n do f f i b e rl a s e rh a sh i g h e rp e a l ( g a i np u 1 a n db e a e rg a i nf l a t n e s sp r o p e r t yt h a np r e v i o u s l yr e p o r t e de d f a a tt h e s a m et i m e ，t h e r e q u k e t o w a r d s p e c t r u mp r o p e r t y o f p u m p r e s o u r c e d e p r e s s e d a sac o n c l u s i o n a l lt h ed e t a i ld i s s e r t a t i o no ft h ee ，+ - y b ”c o - d o p e df i b e rl a s e r , n u m e r i c a ls t i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt e s ts e tu p t h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o po f t h i s t e c h n i q u e a n d p r o v i d e r e f e r e n c et h e o r y k e y w o r d ：e r 3 + _ y b 3 + c o d o p e d ，f i b e rl a s e r , s e l f - p u l s i n g ，f i b e ra m p l i f i e r , o p t i c a l c o m m n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁生盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 裘；以 签字日期： 2p 。；年月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞注态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：五 ；年，月7 日 导师始向彩够 签字日期：二，。；年，月夕日 v 一 随着光通信的迅速发展，人们对通信容量的需求日益增加。为了增大通信容 量，目前人们主要采用时分复用技术( o t d m ) 来增加单信道码率，采用波分复 用技术( w d m ) 来增加原有光纤系统的通信信道。超短光脉冲的产生是实现 o t d m w d m 技术的关键技术，同时也是非线性光学、瞬态光学等研究方向的前 沿课题，具有重要意义。光纤激光器不仅能够产生连续激光输出，而且能够实 现p s f s 超短光脉冲的产生，是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的 通信系统，使之支持更高的传输速度，在未来高码率通信系统中具有不可替代的 重要地位，是目前激光技术领域的研究前沿之一【2 】。 早在1 9 6 1 年，美国光学公司( a m e r i c a no p t i c a lc o m p a n y ) 的es n i t z e r 等就在 光纤激光器领域进行了开创性的工作。但由于当时条件所限，光纤激光器的研究 进展缓慢，而与此同时许多发展光纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟，尤其是 低损耗光纤技术、半导体激光器件和熔锥型定向耦合器的迅猛发展对光纤激光器 的研制起着举足轻重的作用。八十年代，英国s o u t h a m p t o n 大学的s ，b p o o l e 等用 m c v d 法制成了低损耗的掺铒光纤，由于掺铒光纤激光器的激射波长恰好位于 通信光纤的低损耗窗口，很适合用作光纤通信的光源，光纤激光器才又成为研究 的热点。近几年，有关光纤激光器的调q ，锁模，单纵模输出和多波长输出等方 面的报导层出不穷，研究硕果累累。光纤激光器的实用化成为可能，显示出十分 诱人的应用前景，获得了广泛的重视【3 j 。 目前通信用激光器主要是半导体激光器，但它存在着成本高，与系统的传输 光纤耦合困难等缺点。这大大制约了光纤通信系统的迸一步普及。而光纤激光器 作为光纤通信系统中另一种很有前景的光源，与半导体激光器相比，它的优点主 要体现在： 夺对于半导体激光器，当激光器耦合进光纤时具有较大的耦台损耗，且耦合 效率难以确保长期稳定。而光纤激光器克服了这一问题，光纤到光纤的耦 合技术非常成熟，不仅有更高的耦合效率而且非常稳定。 夺由于光纤的几何特点，可以在纤芯中产生较高的功率密度，从而使光纤激 光器容易在低泵浦功率实现连续( c w ) 工作。而其他块状玻璃介质的激光 器一般仅能工作在脉冲状态，常需要相当高的泵浦能量以获撮激光输出。 夺光纤激光器与现有的光纤器件( 如耦合器、偏振器和调制器) 是完全相容 的，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。 冷光纤具有相当多的可调参数和选择性，因此可获得的激光谱线相当多，加 之光纡基质有很宽的荧光谱，插入适当的波长选择器可获得相当宽的可调 谐范围和相当好的单色性和稳定性1 4 】。因而光纤激光器很适合用于多信道光 通信系统( w d m 系统) 。w d m 系统要求激光器的波长能够被精确控制。 光纤激光器能设计成以单纵模连续工作，其波长可调谐范围达5 0 n m 且维持 线宽远大于0 1 m h z 且波长可调谐范围低于1 0 n m 。 夺 锁模光纤激光器能够产生脉宽短至1 0 0 f s 、重复频率达1 0 g h z 的近似变换 极限的超短光脉冲，是高速光时分复用o t d m 系统的关键技术p 】。 夺 不必经过光电转换可直接对光信号放大。在不改变原有的噪声特性和误码 率的前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。因此， 对于既有数字格式又有模拟格式的网络( 即同时传送语音、图象和数据的 网络) 特别适宜使用光纤激光器。 夺 光纤激光器可以作为光孤子源，是因为掺铒光纤锁模激光器能够直接产生 足够功率的变换极限超短光脉冲，同时由于光脉冲在光纤谐振腔中传输时 的非线形效应，在适当条件下，可产生脉宽为数十或数百飞秒的变换极限 双曲正割形光脉冲，是光孤子通信的理想光源。 夺 光纤激光器还可广泛用作随环境温度和压力变化的传感器以及偏振传感 器。 光纤激光器的强大功能表明了光纤激光器已经成为l d 的有力竞争对手将 在未来光通信中发挥越来越大的作用，成为一颖璀璨的新星。现有的光纤激光器 基本上可分为四类：稀土掺杂光纤激光器：光纤非线性效应激光器；单晶光纤激 光器和塑科光纤激光器 2 l 。目前，光纤激光器仍处于实验室研制阶段，光纤激光 器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。主要体现在以下几个方面 i 研制全光纤激光器，实现与光纤通信系统高效率地连接： 2 光纤布拉格光栅的性能进步提高，以便更加有效的应用于光纤激光器 中； 3 光纤激光器性能进一步提高，如脉宽、谱宽更窄，重复频率输出功率更 高，调谐范围更宽，稳定性更高等。 现在通信上用的光纤激光器普遍采用的为掺铒光纤激光器扣j ，因为它的运转 波长( 1 5 5 9 i n ) 与光纤通信的第三窗口相一致，可采用9 8 0 r i m 和1 4 8 0 n m 高功 率半导体激光器泵浦，增益带宽可支持小于1 0 0 f s 产生变换极限高重复率和n j ，心 量级的超短光脉冲。目前，这种光纤构成的激光器面临的主要问题是：对泵浦的 吸收效率低和斜率效率低，增益有待进一步提高；三能级系统固体激光器普遍存 在的自脉动现象在光纤激光器中也存在。为解决这些问题，我们利用实验室的现 有条件，提出一个改进措施：采用e r 3 + y b 3 + 共掺杂光纤作增益介质研制光纤激 光器，将会使1 5 5 p r n 掺铒光纤激光器的性能得以大大的提高，实现高效率且输 出稳定的激光运转，进一步提高了实用性。 第一章光纤激光器的基本原理与分类 第一章 光纤激光器的基本原理与分类 第一节光纤激光器的运转基理 长期以来，光纤只作为被动的传输介质使用，后来人们逐渐发现光纤具有非 线性光学效应，可用来产生自相位调制、光孤子、受激喇曼和布里渊散射等，从 而使其成为主动介质，并得到广泛应用。近年来人们又进一步发现，当光纤中掺 杂某种稀土元素后可使之激活，成为激光介质，当使用适当泵浦源对其激励时即 可形成激光放大和振荡器。利用这种方法制作的激光器或激光放大器，波长可处 于光纤通信最佳窗口，而且又能与通信光纤兼容，加之它又具有结构小巧、造价 便宜、频带宽响应快、效率极高等一系列优点，因此这种新颖器件一经问世便引 起了人们的广泛关注。 利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命 性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成激光器，所以早期的 光纤激光器就是基于光纤放大器的基础上研制开发的。 光纤激光器实际上是一个波长转换器。在泵浦波长上的光子被介质吸收，由 于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光作用下光纤内极易形成高功率密度，造 成激光工作物质的激光能级“粒子束反转”。当加入正反馈回路( 构成谐振腔) 便形成激光振荡【7 l 。图1 1 为一个纵向泵浦的光纤激光器的基本结构图。和一般 激光器大体相同，它也是由激光介质和光学谐振腔组成。此时激光介质为掺杂光 纤，谐振腔是由介质镜组成的法珀腔。当泵浦光通过掺杂光纤时，光纤被激活随 之出现受激辐射过程。为使这一过程持续发生以形成稳定的激光振荡则要求：第 一，必须造成“粒子数反转”，为此要求参与过程的能级应超过两个，而且泵浦 光提供的能量应在数值上超过激光上能级的能量，或者说泵浦光光子的波长应短 于激光光子的波长：第二，应有适宜的正反馈以保证形成激光振荡，或者说应提 供合适的光学谐振腔。 图1 - 1 光纤激光器的基本结构图 由于光纤基质具有很宽的荧光谱，光纤激光器一般都可做成可调谐的，以用 于w d m 系统中。 第一章光纤激光器的基本原理与分类 第二节掺杂光纤激光介质 掺杂光纤是由掺杂物和作为掺杂物宿主的基质组成的。大多数光纤激光器是 以化学汽相沉积法生产的高纯度石英为基础，并经汽相或溶液掺杂工艺掺入稀土 元素。 2 1 稀土元素及离子 目前用于光纤激光器并产生实际意义的掺杂物主要是稀土元素的离子。稀土 元素即镧系元素一共有1 5 个，在周期表中占据倒数第二行的位置。它们具有相 同的外电子结构5 s 2 5 p 6 6 s 2 。4 f 壳层内占据的电子数决定着元素的光学性质，光 学吸收和发射引起的跃迁均发生在4 f 层内。稀土元素的离子多以三价状态出现， 如n d 3 + ，e ，等，它们逸出二个6 s 和一个4 f 电子，而5 s 和5 p 层的电子却保持 不变。因此4 f 层的剩余电子被部分屏蔽而不易受到外场的微扰，因此它们的荧 光波长和吸收波长也对外场的依赖性较小。这一点与其它跃迁元素离子不同，因 为它们不具有这种电子屏蔽。 2 2 玻璃基质中稀土离子的光谱 由于掺钕和掺铒的光纤激光器与放大器对光纤通信等应用领域已显示有重 大意义，因此我们以钕、铒的掺杂情况为例来讨论。图1 - 2 给出了玻璃基质内掺 杂钕离子及铒离子的荧光谱和吸收谱。同时按照常规电子能级的光谱命名的能级 图在图1 3 中给出i ”。 囊 姑 f 芝 l d l dl d 图1 - 2 玻璃基体内掺杂钕离子 及铒离子的荧光谱和吸收谱 4 e e e 四能级系统 三能级系统 图1 - 3 按照常规电子能级 的光谱命名的能级图 第一章光纤激光器的基本原理与分类 n d 卜的重要吸收带是： 从4 i 们( 基态)2 h 蚍 4 f 5 n 4 f 】n n d p 的重要荧光带是： 从4 f 3 n 中心波长 o 8 pm 中心波长08 m 中心波长- - o9un l 4 | 1 1 2 ，中心波长一10 6um 4 i l ”中心波长i 3 5um e r 的重要吸收带是： 4 l ，中心波长加8 0pm 从4 i i 讥( 基态) 4 i ，中心波长加9 8 um 4 i m ，中心波长一15 5u 1 1 e 一+ 的重要荧光带是： 从4 1 1 3 n ( 激发态) 4 i j 蛐中心波长15 5 l am 产生激光和激光放大的原则是，在其吸收带对应的波长上提供必要的泵浦， 在其荧光谱对应的波长上提供形成增益和振荡的条件。以上所述都属石英玻璃基 质情况。实际上还可以变化基质种类或成分，以促使掺杂离子所处环境发生改变， 进而使光谱产生变化，即吸收和荧光的峰值位置( 中心波长) 和相对高度产生相应 的改变。这样，我们即可人为地选择适宜的泵浦波长，并在有实际意义的波长上 产生激光和激光放大，在这点上充分显示出光纤激光器具有得天独厚的优越性。 从图中我们可以得知( 1 ) 钕的荧光带对应的中心波长分别为0 9 0 、1 0 6 和 1 3 5 9 m ，因此可在这三个波长上获得激光，其中o 9 0 9 i n 处荧光带与吸收带交叠， 该波长上的激光为三能级系统，而在t 0 6 u , m 和1 3 5 “m 处没有这种交叠，因此 为四能级系统；( 2 ) 对应铒的情况也可作出类似推论，铒在1 5 5 1 a m 处可形成激光， 它属于三能级系统；( 3 ) 由于在- - o 8 9 m 有吸收带，因此这两种掺杂激光器均可使 用半导体激光二极管( l d ) 泵浦；( 4 ) - - 能级与四能级系统的区别在于激光下能级， 前者的下能级是基态，而后者则不是。因此要实现激光上下能级的“粒子数反转”， 三能级较四能级系统需要更多的泵光功率，或者说三能级较四能级系统有更高的 闽值。进而可推论出以下重要结论：在不计光纤损耗的情况下，作为光纤激光器， 四能级的激光阈值与掺杂光纤长度成反比，而三能级则不是这样，考虑到光纤对 激光光子的再吸收，自然存在一最佳长度，在这个长度上激光阈值方为最低值。 2 3 稀土离子的掺杂浓度 对于光纤激光器来说，存在一最佳掺杂浓度。浓度过低过高均不利于产生 激光。如掺杂过低，在掺杂离子总有效数少于入射光子的数量，受激态将可能被 耗尽，信号放大则受限于可被利用的离子数；若过高，则会出现两个问题：一是 所谓浓度抑制问题，即高掺杂时，相邻离子问将出现非辐射交叉弛豫，致使激光 上能级的有效粒子数减少；另一是，高掺杂将导致玻璃基质出现结晶效应，对激 光的形成也是不利的。显然，可不致使出现结晶的最大掺杂浓度与光纤的基质类 别有关。至今的实验报道表明，对于硅玻璃基质的光纤激光器，其最佳掺杂浓度 均为几百个p p m p j 。 第一章光纤激光器的基本原理与分类 2 4 掺杂光纤的基质材料 掺杂光纤的基质材料为玻璃，由大量的共价键分子组成，形成一个无规则的 矩阵。稀土离子的掺入，实质上是作为这个矩阵的改善粒子存在或填隙于玻璃网 格之中。玻璃基质对稀土离子的光谱能级施加两种影响，一是导致斯塔克分裂， 即能级中的任何简并均因基质原子键的非均匀电场作用而退简并，因此使光谱出 现亚结构，其二是导致能级展宽。展宽的机制有声子展宽和基质电场扰动展宽。 前者展宽是均匀的，与温度有关，温度提高声子数增加，展宽变大，反之亦然： 第二种展宽是非均匀的，与温度无关。光谱展宽的性质及幅度对于光纤激光器是 至关重要的。对于确定的泵浦功率，激光增益反比于谱宽。因此作为一个原则， 由于稀土元素离子具有电子屏蔽层，因此作为激光介质较之无屏蔽层的跃迁元素 优越。展宽的性质，即均匀或非均匀展宽将对激光阈值、激光光谱结构等产生影 响。尽管目前尚不清楚对光纤激光器影响的程度究竟如何，但可以较肯定的认为 加宽机制与玻璃组分有关。 最近，使用氟化物玻璃基质研制成各种掺杂光纤激光器。这些工作显示了光 纤基质材料的影响，由于使用氟化物基质，不但可提高掺杂稀土离子的浓度，而 且可使激光发射移到中红外波段但3 脚) ，这一成果已引起广泛关注。 第三节光纤激光器的结构 3 1f a b r y p e r o t 腔 光纤激光器的谐振腔设计主要有两大类l l ”。一类是激光器中常见的 f a b r y p e r o t 腔。将增益介质放置在两块具有高反射率的镜子中间而组成。图1 1 所示就是这种形式的谐振腔。这种腔体，当其长度为光波波长的半整数倍时则发 生谐振，且谐振频率间隔称为自由光谱范m ( r s r ) 。由于激活的光纤介质有很宽 的增益曲线，引起的激光振荡是多谱线的，谱线的间距即为f s r 。由于介质镜对 光纤端面的缺陷非常敏感且镜子的覆盖层容易被损坏，目前光纤激光器的谐振腔 设计中均不采用含介质镜的腔型结构。现最常见的f p 腔是用光纤w d m 耦合器 或光纤环路镜代替介质镜。法珀腔是激光器最基本的谐振胶，但是作为光纤激光 器，由于其特殊性又提出了另一类新颖的光纤谐振腔。 3 2 环形腔 另一类是环型谐振腔。环型腔中不需使 用反射镜，因而可做成全光纤谐振腔。最简 单的设计是把w d m 耦合器的两端连在一 起形成包括掺杂光纤在内的环型腔，实现激 泵光 熔锥耦合 图1 4 环型腔光纤激光器示意闰 第一章光纤激光器的基本原理与分类 光输出，如图1 4 所示。显然，耦合器起到了腔镜的反馈作用，耦合器的分柬比 与腔镜的反射率具有类似功能，它们决定着谐振腔的精细度，要求精细度高则应 选择低的耦合比，反之亦然。 采用不同的器件构成谐振腔反射镜时，激光器便有不同的输出特性。如利用 波长选择器或滤波器可获得单一所需的激光波长：利用阵列波导光栅( a w g ) 口- q - 获 得多信道的激光输出。这是d w d m 技术所希望的光源具有的能力。另外，由于 光纤的非线性效应，振荡脉冲在光纤内传输时因非线性效应与色散效应的相互作 用而被压缩，可输出皮秒乃至飞秒的超短光脉冲。这些在激光器内部压缩的光脉 冲能满足高码率o t d m 系统要求激光器输出超短光脉冲的技术要求。同时由于 超短光脉冲的宽频谱带宽可分成众多的信道，使w d m 技术向d w d m 技术发展。 第四节光纤激光器发展现状 4 1 掺铒光纤激光器 当前发展最迅速也最成熟的是用于通讯的波长为1 5 5 1 m a 的掺铒光纤激光器 。e d f l 存在多个泵清带，如图1 2 所示，辐射跃迁发生在能级4 i m 和4 i 雠 之间，对应的激光发射中心波长为1 5 3 p m 。其中，某些泵浦带( 如8 0 0 眦附近) 存在强烈的激发态吸收，降低了泵浦效率。而9 8 0n n l 和1 4 8 01 1 1 1 2 两个泵浦带有 较高的泵浦效率，光子的跃迁过程分别为三能级系统和两能级系统。9 8 0 n m 可由 应力漂移带隙g a a i a s g a a s 或g a a i a s s b g a a s s b 半导体激光器提供，而 1 4 8 0 n m 则可方便地由i n g a a s p i r , p 半导体激光器提供。考虑到实用化要求，泵 浦源只能选择半导体激光器。 4 2 几种形式的光纤激光器简介 迄今为止，光纤激光器已经设计出了多种结构，各有其特点。光纤激光器 可工作于连续方式，也可工作于脉冲方式。很宽的铒离子增益谱使可调谐和锁模 光纤激光器的设计成为可能。 目前，高性能的光纾激光器技术发展已比较成熟，根据实用要求，几种光 纤激光器被受瞩目： 4 2 1 单波长光纤激光器 幕浦骗) 耋( 器舟栅掺铒兜纤光栅输 图i - 5 d b r 光纤激光器 泵浦隔离器光纤光栅输出 围i 6 d f b 光纤激光器 第一章光纤激光器的基本原理与分类 常见的光纤激光器有d b r 光纤激光器和d f b 光纤激光器，其典型结构分别 如图1 5 和图1 - 6 。d b r 光纤激光器使用两个高反射率的光纤光栅来增强模式选 择，可以直接把光纤光栅写到掺铒光纤上，也可以把光纤光栅熔接到掺铒光纤上。 d f b 光纤激光器则是利用直接在稀土掺杂光纡写人的光栅构成谐振腔，有 源区和反馈区同为一体，只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，因而频率稳定 性较好，边模抑制比高。但因为b r a g g 波长区存在禁带，均匀光栅d f b 光纤激 光器不能实现单频输出，为了实现稳定的单频输出，可以采用啁啾光栅d f b 光 纤激光器，或是在b r a g g 光栅中引人2 相移。但由于纤芯掺锗较少，光敏性 差。所以d f b 光纤激光器难于制作，而d b r 光纤激光器可以直接把光纤光栅熔 接到掺铒光纤的两端，容易制作【l 2 1 。 但是，要采用两个波长一致的高反射率窄波长的光纤光栅，制作比较困难。 可以利用环形器、光纤环等构成反射 镜来代替谐振腔一端的光栅，另一端 仍可采用光栅选择激射波长，这样就 可以减少个光栅，减小了制作的难 度并增加了稳定性。口型光纤激光器 基本结构如图1 7 所示l i ”。一 图1 ，7 o 型光纤激光器 4 2 ，2 锁模光纤激光器 高重复率超短脉冲的产生是实现超高速光时分复用( o t d m ) 和光孤子传输 的关键技术之一。相对于主动锁模半导体激光器来说，主动锁模光纤激光器由于 具有较高的平均输出功率，更短的输出脉冲且脉冲啁啾小，与光纤系统的兼容性 好，几乎可以覆盖整个e d f a 增益谱的波长调谐范围等优点，近年来成为了人们 的研究热点。目前，直接调制的主动锁模光纤激光器输出脉冲的重复率最高达到 了4 0 g h z ，脉冲宽度为3 5 p s 。借助于有理谐波锁模技术，y o s h n a 等实现了重复 率为8 0 - - 2 0 0 g h z 的脉冲输出。利用梳形波调制、主被动锁模相结合及色散渐减 光纤压缩等技术可以获得亚皮秒级的超短脉冲i i ”。 图1 - 8 8 字腔锁模光纤激光器 第章光纤激光器的基本原理与分类 目前，锁模光纤激光器的稳定性和输出超短脉冲质量问题仍然是其实用化的 主要障碍。一种8 字形腔在短脉冲光纤激光器中表现出十分优越的性能。如图 1 - 8 ，通过在主动锁模光纤激光器中接入一个非线性光学环形镜来构成附腔，形 成主被动锁模掺饵光纤激光器，利用有理数谐波锁模调制技术和非线性光学环形 镜非线性调制特性，产生了幅度相当均衡的有理数谐波锁模脉冲序列。理论分析 与实验结果表明在主被动锁模掺饵光纤激光器中采用非线性光学环形镜不仅可 以有效地抑制多种噪声，以较大地改善激光器处于高阶有理数谐波锁模运转时， 输出脉冲幅度大幅度涨落的不足，而且还对腔内循环脉冲具有压缩整形和滤波的 功能。 4 3 3 可调谐多波长光纤激光器 为了满足波分复用技术要求，多波长光纤激光器亦成为研究的重点，目前， 关于多波长光纤激光器方面的报道非常多，从产生多波长的机理来分主要有四 种：利用机械斩波的方法调节腔的损耗；激光腔中含有滤波装置，如内置的f - p 标准具；选择性反馈，如多级光栅串接；光纤中传导模式的差异和偏振态的变化。 在贝尔实验室的n a m k y o op a r k 和p a u le w y s o e k i 等提出的实验装置中，以简单 图1 - 9 可调谐多 波长光纤激光器 的环形腔结构实现了2 4 个波长的同时激射【l “。这个结果主要是通过采用低损耗 腔和可控的偏振态变化以及液氮制冷来增强光谱烧孔和偏振烧孔效应来实现的。 该装置中不含有任何波长选择性器件，而是利用腔中的偏振变化来实现对波长的 选择。由于液氮的作用，使得掺铒光纤在低温下以非均匀加宽为主。这样大大增 加了激射波长的数目。j o n gc h o w 和g r a h a m t o w n 等人也提出了实验装置，在该 装置中存在着滤波结构一以光纤光栅为主体所构成的梳状滤波器。激射的波长数 目和线宽由梳状滤波器的性质决定( 如图1 9 ) 。英国电信实验室的a l i s t a i ri p o u s t i e 和n e i lf i n l a y s o n 提出的多波长激光器结构，其特点是在由单模光纤所 构成的环形腔中加入一段多模光纤，利用泵浦源特性所产生的宽带光源以及l p o l 和l p i l 之间传播常数的差异产生的空间模式差拍效应，实现多个波长的输出。 从以上的几个实验装置我们可以发现：多波长振荡现象是否能够出现和稳定，与 激光器增益介质的加宽特性有着密切的关系。室温多波长振荡的数目一般只能达 第一章光纤激光器的基本原理与分类 到五至七个。但如果将掺铒光纤浸没在液氮中，则此时输出的波长数目将大大增 加，因为低温时，均匀展宽的线宽变窄减小了不同波长之间的竞争。另外偏振态 的变化对振荡波长的数目和腔的损耗也有着明显的作用。 4 3 4 喇曼光纤激光器 石英光纤具有很宽的受激喇曼散射增益谱，并在1 3 t h z 附近有一较宽的主 峰。如果一个弱信号与一强泵浦光同时在光纤中传输时，并使弱信号处于泵浦光 的喇曼增益带宽范围内，弱信号光即可得到放大。基于这种r a m a n 放大特性， 引发了r a m a n 光纤激光器的研制。从相关的报道看，各种r a m a n 光纤激光器的 结构大体相似，都采用布拉格光栅作为谐振腔的反射镜，并根据输出需要用布拉 格光栅对组成几级s t o c k s 分量的谐振腔。增益介质可以是掺稀土光纤，也可以 是一般的石英光纤。r a m a n 光纤激光器工作原理图见图1 1 0 。在掺镱光纤激光 器的泵浦下，以掺镨光纤为工作物质输出激光【i5 1 。泵浦光为1 0 6 4 r i m ，输出脉冲 1 4 8 3 4 r i m 的激光 二级s t o c k s ) 。还可以实现泵浦光的作用下产生四级s t o c k s 分 量的r a m a n 光纤激光器( 其原理图与图1 1 0 相似) 。在1 1 0 0 r i m 泵浦光作用下， l 玉& 日l z j 2 瓣lz j 2 嘲1 4 8 3 4 m n 图1 1 0 喇曼光纤激光器 首先得到1 3 4 7 n m 的一级s t o c k s 分量，在一级s t o c k s 分量泵浦下输出1 4 2 7 n m 的 激光。只要泵浦信号强度足够大就可实现前一级的s t o c k s 光泵浦下几级的s t o c k s 光。这种激光器输出了1 4 2 7 n m 、1 4 5 5 n m 和1 4 8 0 n m 的三个二级、三级和四级 s t o c k s 分量的激光波长。所需激光波长的输出靠调节构成的不问激光波长谐振腔 的布拉格光栅。其优点在于高的饱和吸收功率以及没有泵浦源限制。 4 3 5 光纤孤子激光器 由于光孤子通信的美好前景，掺铒光纤孤子激光器的研究已经成为e d f l 领 域中最热点的课题。当掺铒光纤中的s p m 效应和g v d 效应捐互平衡时，就可 以产生双曲正割形状的孤子波，在反常 色散区稳定地传输。实现1 5 5 1 m a 光纤 孤子激光器有两条途径：一是利用掺铒 光纤激光器的锁模或频移技术；二是利 用光纤中的受激拉曼散射。图1 1 l 为 一光纤孤子激光器示意图。其频域损耗 i o 图1 1 1 光纤孤子激光器 膏嚣 第一章光纤激光器的基本原理与分类 调制元件为6 r i m 的可调介电滤波器和声光频移器，使得启动时具有较低阐值， 时域损耗调制元件为非线性光学环形镜( n a l m ) ，利用掺e r + 光纤放大器来维持 光孤子，其启动阈值为2 9 0 m w ，输出1 4 p s 的激光脉冲”。 总结 掺铒光纤激光器从1 9 8 5 年开始，一直是光纤通信中的热点，其间经历了从 连续运转到单纵模输出以至超短脉冲的产生等发展阶段，已经取得了令人鼓舞的 成果，光纤孤子激光器更展示了作为未来光孤子通信的孤子源的巨大潜力。光纤 激光器的基本特性已为人们所明了，但是在理论上和实验上都还有许多工作要 做，有待于人们更进一步地探索。 第二章y b e r 共掺杂光纤激光器特性理论分析 第二章 y b ”- e r 3 + 共掺杂光纤激光器特性理论分析 第一节e r ”- y b 3 + 共掺杂光纤激光器的基本思想 掺铒光纤激光器与放大器由于其运转波长与光通讯的第三窗口( 1 5 5um ) 相一致，近年来得到了迅速发展 1 e - 2 4 ，技术较为成熟。但随着实用要求的进一步 提高，e r3 + 离予系统表现出其自身难以克服的局限性。 1 e 一的吸收带稀疏且相对较弱，不能更好的吸收泵浦功率，提高增益。 2 一种提高增益的有效方法是提高掺杂铒离子的浓度，但过高的掺杂也会 导致浓度猝灭、激光自脉冲等问题，存在个最佳掺杂比。以至于不足 以提供足够的泵浦吸收，激光斜率效率小于1 ，输出功率仅l m w 。 为了获得一个实际的应用，掺铒光纤激光器必须由激光二级管泵浦，即使使 用激光二级管阵列，输出激光功率也只在i o m w 量级。在掺铒光纤激光器后利 用一个e d f a 对光信号进行放大并不能得到一个较好的效果，因为在光信号被放 大的同时，噪声也被放大，这对于大容量长距离光纤传输是非常不利的。 所以提高泵浦吸收效率成为增加输出功率这一问题所关注的焦点。 对这个问题的一个解决方法就是在铒光纤中共掺杂y b 如离子【2 s , 2 s ，这就提 供了一条对激光器进行泵浦的新途径。如图2 - t 所示，与铒离子的泵浦方式不同， 泵浦光并不直接激发粒子到e r 3 + 上能级。泵浦光主要被y b 3 + 离子系统吸收，而相 邻的e r 3 + 和y b 3 + 之间的交叉驰豫使y b h 吸收的能量转移到e r ”系统中。 y b 3 e r 3 + 4 1 9 ，1 4 1 l l j ! ( a )嘞 m 2 1 铒离子系统( a ) 与铒镱离子系统( b ) 能级比较 此外，从图2 - 2 所示的吸收谱中可以看出【2 7 】y b ”离子提供了一个从8 0 0 r i m 到l l o o m 的宽带吸收，具有很大的峰值吸收截面，在9 7 5r 1 1 1 1 处吸收可达几个 d b 瑚- i n ，比非敏化的掺铒光纤高出两个数量级。此外，与e r 3 + 系统相比，y b 3 + 离子 不易产生浓度猝灭，可以达到较高的y b 3 + 离子浓度，不会出现不利的边缘效应。 e 一离子低掺杂浓度也避免了激光器的自脉冲效应，使激光输出更加稳定。 第二章y b e r 共掺杂光纤激光器特性理论分析 e r 3 + y b 3 + 双掺光纤的这些特点使我们看到了很大的希望，用这种光纤制成的光纤 激光器和放大器在运转特性上将会有一个显著的提高。 i i 副n - 日o “ “田m w 舢帕m 如吣 图2 - 2 两种掺杂光纤的吸收谱 在掺杂光纤的制作过程中。无论是使用改进的化学气相沉积 j 2 i ( m c v d ) i 丕是 溶液掺杂技术( s d t ) ，都希望e 一在基质玻璃中的分布是均匀的。但是总会出现 掺杂离子的聚集( 成对或多个聚集) 。而导致浓度猝灭。这种猝灭过程引起自脉 冲行为和快速上转换过程的发生。为了防止这种离子对的产生可以采用低温掺杂 技术如等离子腐蚀化学气相沉积法( p e c v d ) ，或共掺杂进无机物a 1 ，p 降低制 作温度，或共掺杂y b 3 + 减少e ，+ 离子对的形成 2 8 】。 y b ”具有一些固有特性使其成为对e r 3 + 十分有利的共掺杂。首先。y b 为二 能级系统，这保证了y b 3 + 之间不会发生能量上转换。1 n 3 + 和e r 3 + 能级系统之间的 相对失配量不会超过o 5 ，所以y b ”到e ，的能量转移效率很高，可以认为这 种转移是准谐振的。y b ”的离子半径与e r 3 + 离子半径近似相等，因此使得每一个 e r h 周围可以围绕几个y b ”离子来产生高效的能量转移。象e r 3 + 一样，y b h 往往 也会产生聚集效应，尤其当两种离子掺杂浓度比n y c n e ，较高时( 如，2 0 ) 。但由 于离子大小相近似，如果这种聚集发生的话，也往往发生在一个e r 3 + 离子和几个 y b p 之间而不是在两个或更多个e r 3 + 离予之间。y b h 的这些特点既可以提高能量 转移传输效率，又可以使e f 3 + 呈近似均匀分布状态，减少e r 3 + 之间的上转换过程 2 9 1 。因此在掺铒光纤中共掺杂镱不仅可以提高