光通信系统光源光纤激光器.ppt

1、1,第三章光通信系统光源-光纤激光器,第三章 光纤激光器,3.1 光纤激光器简介 什么是光纤激光器 光纤激光器的发展及分类 3.2 光纤激光器的基本理论 光纤激光器的基本结构 掺杂离子的能级结构 谐振腔结构 3.3 光纤激光器的特点及应用,光纤激光器的简介,光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输；涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性。,光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激

2、光器，可在光纤放大器的基础上开发出来。在泵浦光的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“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。,20世纪60年代初：美国光学公司的Snitzer（斯尼泽）首次提出光纤激光器的概念。 20世纪70年代初：美国、苏联等国的研究机构开展初步研究工作。 1975年至1985年：由于半导体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞。英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的NTT、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果显著。,光纤激光器的发展,3.1 光纤激光

3、器的简介,1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩： 用 MCVD方法制作成功单模光纤激光器 光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的研究工作。 英国通信研究实验室(BTRL )： 1987年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置 在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作 在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。 20世纪80年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。,光纤激光器的发展,1988年 , E. Snitzer等提出了双包层光纤 ,从而使一直被认为只能是小功率器件

4、的光纤激光器可以向高功率方向突破。 90年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功率水平提高了45个数量级，是光纤激光器发展史上的又一个里程碑。 进入 21世纪后 ,高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进 ,最高输出功率记录在短时间内接连被打破 ,目前单纤输出功率 (连续 )已达到 2000W 以上。,光纤激光器的发展,光纤激光器的发展,近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展示S、C、L Bands 的各种光纤放大器，高功率的EDFA，Raman光纤激光器和双波长Raman光纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束

5、质量非常好。,光纤激光器的分类,按谐振腔结构分类：F-P 腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔DBR 光纤激光器、DFB 光纤激光器 按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器 按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器 按掺杂元素分类：掺铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镨（Pr3+）、铥（Tm3+）镱（Yb3+）、钬（Ho3+） 按输出波长分类：S-波段（12801350nm）、C-波段（15281565nm）L-波段（15611620nm） 按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器,第三章 光纤激光器,3.1 光纤激光器简介 什么是光纤激光器 光纤激光器的

6、发展及分类 3.2 光纤激光器的基本理论 光纤激光器的基本结构 掺杂离子的能级结构 谐振腔结构 3.3 光纤激光器的特点及应用,激光器原理,激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以叫作构成激光器的三要素。 1. 产生粒子数反转 任何材料处于平衡态时部是低能态电子数远大于高能态电子数。 当外来光子将低能态电子激发到高能态后，由于高能态的电子寿命很短，处于高能态电子又很快回到低能态，这种向上和向下的跃迁几乎是同时进行的。 为了获得粒子数反转，就需要极大的激发强度，能够一下子把低能态电子大部分激发到高能态上去。具有这样大激发强度的光源是很

7、难得到的，因而也限制了激光器的使用；同时，很大的激发功率也可能损坏材料。,3.2 光纤激光器的基本结构,2谐振腔,激光器谐振腔一般为F-P干涉共振腔结构，它是由两个反射率很高的相互平行的端面组成的腔体，激光材料产生的受激光发射就是在共振腔里形成的。 如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么共振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出受激辐射，由受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生受激跃迁的光场越来越强。,虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，但自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余

8、的自发跃迁受到抑制；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔共振频率的限制，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有特定频率的足够强的激发光场。 另一个作用：在共振腔内形成的受激光一部分通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的受激光发射。,2谐振腔,3功率源,为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中激光材料的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子数反转达到一定的程度，称为阈值反转密度。 因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源

9、，它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。在半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发功率的。,光纤激光器基本结构,光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。,激光输出,未转换的泵浦光,稀土掺杂光纤,泵浦光,稀土类掺杂光纤激光器,稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、 Nd3+ 、Pr3+、 Tm3+、 Yb3+。 掺铒(Er3+)光纤在1.55m波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激

10、光器发展十分迅速。 掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带(8001064nm)以及相当宽的激发带(9701200nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。 掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。TKomukai等人获得了输出功率100mw、斜率效率59的1.47m掺Tm3+光纤激光器。,掺杂离子的能级结构,1. 三能级系统的能级结构,2. 四能级系统的能级结构,钕离子（Nd3+）能级结构,4G7/2,4F5/2,4F3/2,4I15/2,4I13/2,4I11/2,4I9/2,800nm 泵

11、浦,920nm,1060nm,1350nm,激发态吸收 1330nm,无辐射跃迁,下能级,高能态,亚稳态,激发态吸收是指处于上能级的粒子吸收泵浦能量向更高能级跃迁的过程，是一种能量的无效损耗，降低泵浦效率。,3.上转换能级的结构 可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自同一（或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃迁到能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高于泵浦光频率的过程。,对于通讯应用，目前认为掺Er光纤激光器最适宜，因为它能工作在石英光纤最低损耗波长1.51m处，调谐范围50nm，可供多路光频复用。它的泵浦波长可在0.807m、0.980

12、m和1.490m，但目前最易得到的是0.980m的激光二极管，它能提供连续输出几百mw，Q开关15ns脉冲功率100w。理论上有可能获得1kw。 世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的L. Reekie教授于1987年实现。,稀土类掺杂光纤激光器,其他的掺杂光纤激光器，如2.1m工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在2.0m附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。 世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的R.J. Mears教授于1985年实现。,稀土类掺杂光纤激光器,光纤激

13、光器的谐振腔结构,1.线形腔,A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。 B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘镀层损坏，降低激光器的性能。,M1全反 M2部分反射,为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Brag

14、g光栅可取代F-P腔两端的高反射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。 下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光器 。,EDF,FBG,FBG1,FBG2,DBR光纤激光器,DFB光纤激光器,2. 环形腔,环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点）连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜”的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。,简单的光纤环形谐振腔结构,波分复用（WDM）耦合器

15、的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还需要使用偏振控制器（PC：Polarization Controller）。,波长选择器件,3.其它腔型结构,光纤圈反射器（光纤环形镜），结构如下图所示，包含一个定向耦合器和该耦合器两输出端口连接在一起形成的一个光纤圈。 工作原理：假设耦合器耦合系数为0.5，若光波从端口1进入耦合器，耦合器将一半光功率耦合到端口3，将另一半耦合到端口4，即有一半输入光沿光纤圈顺时针方向传播，另一半沿逆时针传播。当它们再次在输入端相遇时经历了相同的相移，干涉相长的结果

16、使其完全反射回腔内。实际中有部分光从2端口输出。,光纤圈谐振腔，与环形谐振腔结构类似，基于定向耦合器。不同的是进入光纤圈的光波可以通过另一端输出，还可以再次通过输入端输出，成为向后传播的光波，这两种波分别为透射波和反射波。这个装置本质上来说是一个干涉仪。,两个光纤圈串联的激光器结构,光纤Fox-Smith谐振腔 一般地，14段及13段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为： 选择适当的l3、l4以致于在 整个荧光线宽内只有一个 纵模在振荡。则可以实现 单纵模运转。,复合腔结构,泵浦,环形器,EDF,FBG,FBG,FBG,泵浦,WDM,EDF,可调谐光纤激光器 光纤激光器有较宽的波长调节范围，

17、比染料激光器的化学性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著。 1、反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔 使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为M级，闪耀角为，光栅常数为d，则光栅方程为：,只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的入射角在 附近变化，就能实现调节波长。,可调谐激光器 采用这种结构，利用氩离子激光器的514nm的光作为泵浦光，分别激励掺铒光纤及掺钕光纤,可调谐的波长范围分别为25nm和80nm。 由于分束器与光学元器件带来了腔内损耗，导致阈值功率提高。,14 nm,11 nm,窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用： 达到窄带输出。B是布拉格波长， d是光栅周期，ne是有效折射

18、率。,激光线宽0.06 nm,Littrow结构外腔调谐激光器,调谐范围：1040nm1107.6nm ，功率：34mW,可调谐掺Yb光纤激光器,输出功率随激光波长的变化关系,可调谐掺Yb光纤激光器,重要参数,斜率效率： 输出激光功率的变化量/泵浦功率的变化量 也就是输出激光功率随泵浦功率变化曲线线性部分的斜率，一般用百分数表示,窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用： 达到窄带输出。B是布拉格波长， d是光栅周期，ne是有效折射率。,激光线宽0.06 nm,单包层光纤激光器以其诸多的优良特点受到普遍关注，得到了长足发展。但是，由于泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内，光光

19、转换效率较低；同时，常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这也限制了其输出功率的水平。所以一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级，研究工作和开发应用大都集中在光通信和光传感领域。,双包层光纤激光器,双包层光纤激光器有许多的优点,（1）高功率激光输出，多个多模半导体激光二极管并行泵浦，可设计出极高功率输出的光纤激光器。 （ 2）由于光纤的表面积与体积之比很大，高功率光纤激光器工作时一般无需复杂的冷却装置。 （3）由于光纤掺稀土元素离子，有一个宽而平坦的吸收光谱区，因此有很宽的泵浦波长范围。 （4）多模二极管泵浦源的稳定性(其可靠运转寿命超过l00万小时)决定了这种激光器具有高可靠性

20、。 （5）具有极高的光束质量，这是其他高功率激光器无法相比的。 （6）电光转换效率高，插头效率高达20以上。 （7）结构紧凑、牢固、不需精密的光学平台，能够适应恶劣的工作环境。,双包层光纤激光器,双包层掺杂光纤的结构 光纤芯：由掺稀土元素的SiO2构成，它作为激光振荡的通道，对相关波长为单模； 内包层：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯SiO2构成，它是泵光通道，对泵光波长是多模的； 外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成； 保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。,双包层光纤激光器,双包层光纤结构,双包层光纤激光器的泵浦耦合技术,端面泵浦耦合技术,双包

21、层光纤激光器的泵浦耦合技术,端面泵浦耦合技术,双包层光纤激光器的泵浦耦合技术,侧面泵浦耦合技术,圆形内包层的掺Yb3+双包层光纤。内包层直径：125m, 数值孔径（NA)：0.38；芯径：5.5m，NA：0.11；在976nm出的吸收系数：64dB/km； 矩形内包层的掺Yb双包层光纤。内包层尺寸：100m70m；NA：0.38；芯径：5.5m；NA：0.11；在976nm出的吸收系数为73dB/km。,双包层光纤激光器,双包层光纤激光器结构,美国IPG公司的掺Yb双包层高功率激光器的输出功率水平超过700瓦，几百瓦几千瓦的双包层光纤激光器的商品也已问世。,高功率掺Yb光纤激光器,瓦级全光纤掺

22、Yb双包层光纤激光器 高功率的光纤激光器一般仍采用二色镜等传统的体器件构成谐振腔，未能实现全光纤化，这不仅极大地限制了光纤激光器的结构紧凑性和工作可靠性，也增加了抽运光的耦合难度，同时不利于光纤激光器与后续光纤光学系统的匹配兼容。为解决上述问题，采用光纤Bragg光栅（FBG）作为腔镜的全光纤高功率激光器。,高功率掺Yb光纤激光器,光纤：掺Yb双包层光纤的内包层形状为正方形，截面尺寸为125m125m，数值孔径约为0.38。单模纤芯的模场半径为7m，数值孔径为0.11。纤芯中掺杂有较高浓度的Yb离子，对976nm抽运光的吸收损耗约为1.7dB/m。光纤长度为20m。 谐振腔：一对中心反射波长为

23、1060nm的FBG作为选频反馈腔镜，构成驻波腔，相应的峰值反射率分别为99%和5%。,图3-5,高功率掺Yb光纤激光器,泵浦源：为一台带有输出尾纤的LD模块，中心波长为976nm。在LD模块与光纤激光器注入端之间专门设计了一个taper型光纤耦合器，以提高抽运光的注入效率。 性能指标： 阈值功率： 300mW 输出功率 ：1.18W 光光转换效率：53.1% 斜率效率：68 中心波长： 1060nm 光谱半宽 ： 0.1nm,高功率掺Yb光纤激光器,IPG万瓦级光纤激光器,（一）调Q光纤激光器基本结构及特点 声 光 调Q A.非光纤型Q开关 电 光 调Q 机械转镜调Q 可饱和吸收体调Q 光纤

24、马赫-曾特尔干涉仪 B.光纤型Q开关 光纤迈克尔逊干涉仪 基于光纤中的SBS调Q,调Q光纤激光器,调Q光纤激光器,通过改变激光共振腔Q值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度的技术。共振腔的Q值（也称腔的品质因子）是描述激光器共振腔损耗大小的量。光学损耗低的腔，其Q值高。 Q值定义：Q腔内存储的能量每秒损失的能量 当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振荡阈值时，激光器便产生激光振荡。如果泵浦源继续泵浦，维持激光器在阈值以上，它就连续输出激光。激光振荡阈值与共振腔的光学损耗（值）有关。如果激光器的工作物质在受泵浦的期间，让共振腔的值保持很低，则激光器因振荡阈值很高而不能发生激光振荡，大

25、 量的泵浦能量继续存在工作物质内。当工作物质已“吸饱”能量时，突然升高值，相应地，激光振荡阈值也突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间内发 射出来，形成功率很高的激光脉冲。用这个方法得到的能量虽然比自由振荡时得到的激光能量低一个数量级，但是，自由振荡激光器输出的脉冲宽度是毫秒级，而采 用开关后得到的激光脉冲宽度是几十纳秒量级。使激光器输出功率增加104倍达到105106KW。,A. 非光纤型：声光（AOM）调Q,特点：开关时间较快，消光比大，脉冲宽度一般十几到几 十ns，但插入损耗大，稳定性较差。, 调Q光纤激光器,A.非光纤型：电光（EOM）调Q,特点：开关时间快（几ns），消光比大（

26、95），但插 入损 耗大，稳定性较差，需要几千伏的高压，产生 的电子干扰大。, 调Q光纤激光器,A.非光纤型：可饱和吸收体被动调Q,特点：在1.53mm得到0.1mJ能量，开关速度慢，插入损耗大, 调Q光纤激光器,B. 光纤型Q开关：光纤迈克尔逊干涉仪调Q,特点：开关速度较慢，能产生ms量级脉冲，要求两臂光纤 光栅完全相同，这样的两个光纤光栅比较难制作， 消光比不高, 调Q光纤激光器,B.光纤型Q开关：光纤马赫曾特干涉仪调Q,特点：全光纤型主动调Q，可产生ms脉冲，低插入损耗 ， 但开关时间较慢, 调Q光纤激光器,锁模光纤激光器可作为高速通信系统的光源，有着光明的前途。 高速光纤通信要求超短脉

27、冲光源的脉宽为ps，重复频率1GHz100GHz，同时输出波长可调谐，因此研究工作集中在：高重复频率锁模技术；多波长和可调谐锁模光纤激光器；锁模光纤激光稳频技术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光器。, 锁模光纤激光器,锁模光纤激光器,所谓锁模就是相位锁定，光纤激光器同时运转在位于增益带宽内的大量纵模上，当各纵模相位同步，任意相邻纵模相位差恒定为一常数值时，就实现了锁模。,如图所示，腔长为L的普通光纤激光器在未经锁模时，同时运转在位于增益带宽范围内超过阈值的大量纵模上，各个纵模的等频率间隔为:,基于Bragg光纤光栅调谐的锁模光纤激光器,实验结果: 波长：1558.4nm, 脉宽：50ps 调谐范

28、围：1553.92nm1561.27nm, 锁模光纤激光器,基于啁啾光栅色散的锁模光纤激光器,实验结果： 波长：1555.12nm, 脉宽：60ps, 啁啾度： 5.2, 锁模光纤激光器,实验结果： 波长：1552.24nm，1559.32nm； 脉宽：60.0ps,RF driver, 锁模光纤激光器,双波长主动锁模光纤激光器,第三章 光纤激光器,3.1 光纤激光器简介 什么是光纤激光器 光纤激光器的发展及分类 3.2 光纤激光器的基本理论 光纤激光器的基本结构 掺杂离子的能级结构 谐振腔结构 3.3 光纤激光器的特点及应用,光纤激光器的特点,1.光束质量好，具有非常好的单色性、方向性和稳定

29、性。 2.成本低。硅光纤的工艺现在已经非常成熟，并使用相对廉价的半导体激光二极管作为泵浦源，降低了成本。 3.转换效率高。光纤既是激光增益介质又是光的导波介质，因此泵浦光的耦合效率非常高；纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，加上光纤激光器能方便地延长增益长度，使泵浦光充分吸收，转换效率较高。 4.输出波长多，调谐方便。作为激光介质的掺杂光纤，稀土离子拥有极为丰富的能级结构，能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段，可实现激光振荡的跃迁能级很多。由于稀土离子能级宽加上玻璃光纤的荧光谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范围宽。,5.温度稳定性好。基质材料是SiO2，具有极好的温度稳定性；而且光纤结构具有较高的面积体积比，所以其散热效果很好。 6.结构简单，小型化。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合到系统中，采用光纤光栅、耦合器等光纤元件极大地简化了激光器的设计和制作，加上光纤极好的柔韧性，可设计得小巧灵活。 7.谐振腔内无光学镜片，腔镜可直接制作在光纤截面上，或采用光纤耦合器方式构成谐振腔，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。 8.兼容性好。与常规传输光纤在材料和几何尺寸上具有自然的通融性和兼容性，因此易于进行光纤集成，耦合损耗低，使用方便。 9.可在恶劣的环境条件下工作