掺杂稀土光纤激光器与激光放大器

掺 杂光纤 即为激光介质， 由于光纤又是光 的导 波介质 ， 在单模状态下泵光 与激光 可充分耦台 ，
致 使 转 换 效 率 相 当 高 ， 加 之光 纤 韵 几 何 形状 具 有 很 低 的 体 积／ 表 面积 ］ 比 ，散 热 快 损 耗 小 ， 因 此 这 种激 光 器 的激 光 阈 值 相 当 低 。 这 是 光 纤 激光 器 的第 一 个优 点 。 图 ｌ所 示 的谐 振 腔 是 两 个 介 质 镜 构 成 的 ， 实 际 上 可 将 介质 膜 直接 镀在 光 纤 端 面 上， 也 可 采 用方 向耦 台器 方 式 构 成 谐 振
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量 子 电子 学
第 六 喜 第 四期
掺 杂稀 土 光纤 激 光 器 与激 光放 大 器
董孝义
（ 南 开大 学 现代光 学研 究所 ，３ ０ ０ ０ ７ １ ）
本 文对 掺杂 稀 土光 纤激光 器 与放 大器 进行 了较全面 的综 述。 文 中简要 阐明 了光纤 激光 器 的基 本 结 构 及工作 原理 。对 掺杂光 纤中的 激光 过程 以及有 关掺 杂离子种 类 与浓 度、 光 纤基质 等 因素的影 响
一
、
引
言
光 纤 激 光 器 及放 大 器 是一 种新 颖 的 有源 光 纤 器 件 属 于 这 类 器 件 的 太 体 上 有 三 类： 一 是
利用光纤 的非线性效应 ，例如利 用受激 喇曼散射效应制 做的光纤喇曼激光器与放 大器… ＝
是 利 用 晶体 光 纤 ， 例 如 利 用 ＹＡＧ、 Ｂ Ｓ Ｏ等 晶体 光 纤 作激 活介 质 制 做 的光 纤 激 光 器 与 放 大 器
器在泵光波长上 有很高的 耦台 率，而在信号光波长上有 很低的 耦合率。根据泵光在输入 端还
是 在 输 出端 更容 易被 滤 除， 来 确 定 耦 合 器 的耦 合 方 向是 同 向 的还 是 反 向的 。 未 掺 杂 的传 输 光
纤 和 掺 杂 的放 大 光 纤 其 最 佳 芯径 值 无 须 相 同， 对 于 前 者 ， 我 们 主要 考 虑 它 的波 导 色散 要求 Ｊ 对 于 后 者 则 主 要应 致力 于设 法使 泵光 与信 光 模 场 得 到 最 大 交 叠 ， 以便 充 分 交 换 能 量。
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但 是 所 有 这 些 仅 仅 限 于一 般 性 研究 ， 因 为 当 时光 纤 的 损 耗 、 半导体激光器 （ ＬＤ） 的 室 温 下工 作 等 问题 尚未 得 到 解 决 ， 光 纤 通 信 尚 处 于 探 索 阶段 ， 因 此光 纤激 光 器 与放 大器 的研 究 不 可 能 有
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之玻璃 光纤的荧光谱相当宽，插 入适 当的波长选择 器等 即可 得到很宽 的调谐 范围（ 已达８ ０ ０ ＾
以上） 和 相 当好 的单 色 性 （ 已达 ２ ＭＨｚ） ， 这 是 光 纤 激 光 器 的第 三 个优 点 。纵 观 上 述 三 个 优
以 形成 相 干 性 极好 的 激 光 ， 因此 可 以说 ， 激 光 发 射 是 一 种 在 比例 上 受激 辐射 远远 超过 自发 辐 射 的物 理 过 程 ， 为 了 使 这一 过程 持续 发 生 ， 必 须 造 成 “ 粒 子数 反 转 ” ， 因此 要求 ；第 一 ， 参 与 过程 的能 级 应 超 过 两 个 第 二 应 有 泵浦 源 提 供 能 量 ， 而 且 在 数值 上要 超 过 激 光 上能 级 的能 量 ，或 者 说 泵 浦 光 子 的波 长 应短 于 激 光 光子 的 波 长 。 由于 存 在 这 些 条 件 ，所 以激 光 过程 有 明
，
，第 三 类则 是利 用 掺 杂 光 纤 （ 包 括 对 石 英玻 璃 光 纤 、 卤化 物光 纤及 晶体 光 纤 等 的掺 杂 ） ， 例
如 向光 纤 掺杂 稀 土 离子 即 可使 之 被 激 活， 进 而 制 做 成 掺 杂 光 纤 激 光 器 与 放 大 器 。 利 用 特 镧 的光 纤 包 层 ，借 助 其 中消 逝 波 导致 的激 光放 大 也 应归 属 于此 类 。 在 这三 类 器 件 中， 掺 杂 光 纤 ，尤 其 是稀 土掺 杂 石 英 玻 璃 光 纤制 做 的激 光 器 与放 大 器 ， 发 展 极 为 迅 速 。 追究 其 原 因 ， 主 要是 因为 这 种 激光 器 与放 大 器 的 工 作 波 长 可 覆 盖 光 纤 通 信 的 最
光 纤放 大 器 有 三 种结 构 形式 ， 如 图 ２所 示 ， 其 中 （ ａ ） 是 作 为激 光功 率 放 大 的结 构 形式 ， （ ｂ ） 是 作 为 全 光 中继 器 使 用 的 结 构 形 式 ， （ ｃ ） 则 是 作 为 光 前 置 放 大 器 使 用 的 结 构 形式 。 在这些结构形 式 中 均使 用 了光 纤 定 向耦 合 器 ， 以便使 泵 光 功率 恰 当 地注 入 到 掺 杂 光 纤 之 中， 因 此 要 求 耦 合
分别作 了分 析 ，并 给 出了必 要 的结 论 。在 对光 纤谐 振 腔的评 述 中重 点介 绍了光 纤环 形腔 、 光纤环 瞎
反射 器 及福克 斯一 史密斯 腔 。在此 基 础上 给出 了光 纤激 光 器及放 方器 的重 要实例 ， 给 出 了有 关光 纤
嫩光 器 日 调谐 、调 Ｑ、 锁模及带 宽压 缩等 重要技 术 的发展 状 况．
成 著 的工 作 ，他 们 验 证 了激 光 二 极 管 泵浦 的 光纤 激光 器 与放 大 器 ， 为 这种 器件 的实 用 化 奠
定 了基 础 此 外 ， 在 该 领 域 做 出过 贡 献 的还 有 西 德 的汉 堡 大 学 、 日本 的ＮＴＴｎ 、 美 国 的 偏
振 公 司 ”、 斯 坦 福 大 学 和 Ｂ ｅ ｌ ｌ 、 ＧＩ Ｅ等 。我 国 对 光 纤 激 光 器 与 放 大 器 的研 究 工 作 颇 为 重 视 。 作 为 国家 “ 七五 ” 科 技攻 关 和 国家 高技 术 项 目， 北 京 邮 电学 院 和 清 华 大 学 已分 别成 功地 完 成 了掺 钕 （ Ｎｄ ）光 纤 激 光 器 的有 关 实 验 “ ， 上 海 硅 酸 盐 研 究 所 、 天 津 电子材 料 研 究 所 等 已拉 制 出符 合 要 求 的 掺钕 和掺 铒 （ Ｅｒ “） 光 纤 ， 南 京工 学 院 、南 开 大 学、天 津 大 学 、 北 京 玻 璃 研 究 所 等 也 都做 了大 量 有 益 的 研 究 工 作 。 最近 ， 国 家 自然科 学基 金 支 持 了这 方 面 的一 些 研 究 项 目。 总 的来 看 ， 我 们 在 该 领 域 的 研 究 水 平并 不 低 ， 与 国际 先 进 水 平 相 比没 有 太 大 的差 距 。
此 不但 结 构 简 单 造 价低 廉 ， 而 且 具 有 很 高 的可 靠性 。 据 日本 最近 报 道 ，他 们 使 用 掺 饵 光 纤 放 大 器（ 具有２ ０ ｄ Ｂ 以上 的增 益 ） ， 成 功地 完 成 了 长迭 ２ ０ ０ 公 里 的光 纤 通信 实验 ， 这 一 结果 无 疑 地 给 光纤 放 大 器 的 研 制 以 巨 大 鼓舞 。 因此 近 几 年 来该 方 面 的研 究工 作极 为 活跃 。 我 们 在 下 面有
佳窗 口，并有望很快在光通信领 域得到广泛应 用， 因此倍受青睐， 已引起有关方 面的极大关
注 ， 鉴 于此 情 况 ， 本文 仅对 这 类 器件 拟 以综 述 。
１ 光 纤 激 光 器 的 基 本 结 构
光 纤 激 毙 器 的基 本 结 构 与 一般 激光 器大 体 相 同， 也是 由激 光 介 质 与 谐 振 腔 组 成 的 ， 如 图 １所 示 ， 前 者 在 泵 浦 作 用 下 吸 收 泵 光 波 长 的光 子 ，并 产生 粒 子 数 反 转 ， 成 为 激 活 介质 ， 因而 具 有 了激 光 放 大 能 力 后 者 则 提 供适 宜 的 正反 馈 ， 以形 成 激 光 振 荡 在 光 纤 激 光 器 的情 况 下 ，
点 ，就 不 难 理 解 ， 为 什 么 人 们对 光纤 激 光 器 寄 于极 大 的研 究 热 情 和 希 望 ・
轴 ＾舟 后 魄
辅 出 曦镜 封 舟桑盅
＝ ＝ ８
图 －１
２ 光 纤激 光放 大器 的 结 构形 式
光纤放 大器 与激光器 的实质性 区别在于无反馈环路， 即无谐 振腔结构。根 据实际应用，
图
２
在 上 述 三 种结 构模 式 中 ，全 光 中继 器 的发展 前 景 最 引人 注 目。 在 现行 的 光纤 通 信系 统 中 ，
为 了扩 展 通 信 距 离 ， 均 需使 用庞 大且 较 为 昂贵 的光 一 电一 光 中继 系 统 ， 在 光 转换 为 电，然 后 再 由 电转 换 为 光 的 过程 中难 免 有 信 息遗 失 。而 使 用 光纤 放 大 器 作 中继 器 则 无 需 这 种 转换 ， 因
大器 的研 究 打 下 了坚 实 的基 础 ， 因而 使 最近 几年 里研 究成 果 累 累 ， 其 中姣 姣 者 当 属 英 国南 安 普 顿 大 学 的 研究 者们 ，他 们 在 短 短 的几 年里 除对 光 纤 激 光 器 与 放 大 器 进 行 了大 量 基 础 性 研 究 外 ，还 出色 地 完 成 了 光纤 激光 器 的调 Ｑ、锁 模 和 单纵 模 运 转等 ” 。 英 国 的ＴＲＬ 也 进行 了有 效
实 质 性 进展 ， 这 种情 况持 续 到 七十 年 代 初。 特 别 是 在 ’ ７ ５ Ｎ’ ８ ５ 十 年 间光 纤 技 术 与半 导体 激 光
技 术 得 到突 破 性 进 展 ，例 如 单 模 低 损 耗 光 纤 以及 光 纤 耦 合 技术 进 入 实 用 化 、 稀 土 掺 杂 光 纤 工 艺 开始 成 熟、 供 泵浦 用 的 大 功 率 半 导体 激 光 器 已研 制 成 功 等 等 ， 这 些 工 作 为 光 纤 激 光 器 与 放
关 部分 中将 专 门 介绍 这 方 面情 况 。 ３． 光 纤 激 光 普 与 放大 器 的发 展 严 格讲 ， 光 纤 激 光 器 与 放 大 器并 非 是 最 近 才 提 出来 的， 只 是 近 年 来才 得 到迅 速 的 有 实质
性 的 进 展而 已 。最 早 可 以追 朔 到 １ ９ ６ ３ ￣１ ９ ６ ４ 年 ，法 国 的 斯尼 基 尔 首 次 提 出 光纤 激 光 与 放 大 的 概 念 ， 并 使 用 多组 分 玻 璃 光 纤 进 行 了实验 尝试 ， 其 后 还 有一 些 人进 行 过 类 似 的研 究 工 作 。
腔 ，加 之 光 纤 具 有 可 挠 性 ， 因 此 光 纤 激 光 器 可设 计 得相 当小 巧灵 活， 这是 光 纤 激 光 器 的第 二
个优 点 。 作 为激 光 介质 的掺 杂 光 纤 ， 掺 杂 稀 土 离子 （ 如 Ｎｄ Ｅｒ “等 ） 和 承受 掺 杂 的基 质 （ 如 硅 化 物玻 璃 、 卤化 物 玻 璃 光 纤 等 ） 具 有 相 当 多 的 可调 参 数 和 选 择 性 ， 因此 可获 得激 光 输 出的 谱 线 相 当多 ， 其 中最 引 人 关 注 的 波 长 是光 纤 通信 窗 口 的１ ． ５ ｍ和 中红 外 通 信 窗 口的２ ～ ｍ等 。 加
二 、 光 纤 中 的 激 光 过 程 及 诸 影 响 因素
１ ． 光 的吸 收 与 发射 当光 通 过 光 纤 介质 时 其 部 分 光子 将 被 介质 吸收 ， 这 些 光子 的 能 量促 使 介质 的 电子 跃 迁 到
激 发态 ， 其 后处 于激 发 态 的 电子 可 以 通 过 辐射 或非 辐 射 弛豫 过程 将 能 量 释 放 出来 ， 并 随 之 回到 基 态 ， 其 中辐 射 过 程 有 两类 ，一 类 是 自发 辐 射 ， 一 类 是受 激辐 射， 后者 是 一 种 同步 辐 射 ， 可