波导光学第三章

3.4.1 双包层掺杂光纤
内包层
光纤芯
保护层
激光输出
泵浦光
外包层
图3.12 双包层掺杂光纤的构形
一、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。
国内，清华大学、北京大学、中国科技大学、 南开大学、上海科技大学、南京理工大学、天 津大学、电子部和邮电部等单位的研究工作也 取得了很大进展。 4. 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。 5. 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4－5个数 量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个里程 碑。
以实现1.5 m区的放大器，对泵光的吸收能力 可提高2个数量级。其原理如图2-2所示：
2F 5/2 4I 4I
11/2 13/2
2F 7/2
4I
15/2
Yb3＋
图3.4
Er3＋
3.2.2 光纤光栅激光器
一、光纤光栅
利用光纤在紫外光照射下产生的光折变效
应，在纤芯上形成周期性折射率调制分布，从
而对入射光产生相干反射的一种光纤无源器件
斜率效率 37.3％（1555nm处) 信噪比 >60dB
3.3
3 ＋ 掺Yb 光纤激光器
掺 Yb3+ 光纤有很宽的吸收谱和发射谱， 可以采用不同波长的抽运源，在 970 ～ 1200nm 波段获得激光，并可进行宽带调谐；同时，这 种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭、 多声子跃迁等消激发过程，能够获得很高的能 量转化效率。由于以上优点及其广阔的应用前 景，掺Yb3+光纤激光器受到越来越多研究者的 关注。
3.4.2 高功率掺Yb光纤激光器
在双包层光纤和高功率多模 LD 的制造工艺 的日趋完善的基础上，高功率光纤激光器发展 极为迅速。 美 国 宝 丽 来 公 司 的 M.Muendel 等 人 在 ‘ 97 CLEO会议上报道，用916nm、54.4W的激光二 极管条泵浦内包层为矩形的双包层光纤，在 1100nm波长上获得35.5W的激光输出。 美国朗讯公司的D.Inniss等在‘97 CLEO会议 上，采用一个 915nm 波长、 1cm 宽的高功率半 导体激光二极管条作泵源，使系统的输出功率 在1065nm波长处为16.4W，在1101nm波长处为 20.4W。
3.2.1 F-P线性腔掺Er3＋光纤激光器 掺 Er3 ＋ 光纤激光器的激射波段（ 1.55m ） 正好在硅光纤的最低损耗窗口，因此对光纤 通信有特别重要的意义，是目前研究最彻底、 应用最广泛的一种光纤激光器。
掺Er3＋石英光纤
泵光
激光输出 剩余泵光
图 3.3
激光是由 Er3 ＋ 能级的 4I13/2 至 4I15/2 的跃迁产 生，属三能级系统。器件效率较低，同时存在 激光态吸收的问题，研究工作围绕如何提高器 件的效率展开。 Er3＋光纤光栅激光器的缺点是对泵浦光的 吸收效率和斜率效率低、频率不太稳定（跳模 现象）。为解决这些问题，采用Er3＋－ Yb3＋ 共掺的光纤作为增益介质。 Yb3＋离子起着吸 收泵光（980nm），然后迅速转移给Er3＋离子，
图 3.6 Tapered光纤光栅的透射光谱
图 3.7 Tapered光纤光栅光纤激光器激光输出光谱
3、宽带可调谐Er3＋光纤激光器
Output FFP filter Output coupler
PC controllerБайду номын сангаасIsolato r WDM
EDF
1480nm LD
图 3.8 实验结果：阈值 7mW 调谐范围 106nm 功率 14dBm
美 国 朗 讯 公 司 S.Kosinki 和 D.Inniss 在 ‘ 98 CLEO 会议上报导，用一种内包层为星形的双 包层单模Yb3+光纤激光器得到20W的激光输出 加州圣何塞光谱二极管实验室工程师 V.Dominic等人在‘99年CLEO会议上报道在一 个掺Yb3+的双包层光纤激光器上，实现了连续 输出功率大于110W的单模输出。其光——光 转换效率为58.3%。实验装置如图所示：
图3.13
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，几十瓦几百瓦的双包 层光纤激光器的商品也已问世。
国内上海光机所用大于10瓦的915nm LD泵 浦 内 包 层 为 矩 形 的 掺 Yb 双 包 层 光 纤 获 得 1060nm、 4.9 瓦的激光输出。光 - 光转换效率为 43.6%。
二、双包层光纤内包层的作用： 1.包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤芯内；
2.多模导管作为泵光的传输通道，把多模泵光 转换为单模激光输出。泵光的能量不能直接耦 合到光纤芯内，而是将泵光耦合到内包层，光 在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单 模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光 是单模激光，而且可对光纤的全长度泵浦，因 此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源 ，将约 70% 以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯 内，大大提高了泵浦效率。
976nm LD YDF 976/1550 WDM Coupler 2 PC (twined by MMFG.652 fiber) Output
1
OSA
图3.10
图3.11 实验结果：
波长个数：2～6个（1025.6～1046.6nm） 边模抑制比：40dB 单信道功率：3mW
线宽： 0.16nm
3.4
包层泵浦光纤激光器
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
。由于它易于制造、插入损耗小、选频稳定、
使用灵活、易于同光纤系统集成等。
光纤光栅的优点: 稳定准确的选频特性 易于集成，使全光纤一维光子集成成为可能 制作方法： 全息法 相位掩模法 点－点写入法
光纤光栅的种类： 均匀周期光纤布拉格光栅（PFBG） 啾光纤光栅 闪耀光纤光栅 相移光纤光栅 长周期光纤光栅 取样光纤光栅 交叉型的相移啁啾光纤光栅 相移长周期光纤光栅 啁啾长周期光纤光栅
谐振腔：二色镜（对 976nm 泵光高透、对 1060nm 激光高反）和光纤端面（费涅尔反射 3.5%）构成驻波腔。 泵浦源：采用输出尾纤直径为 800µ m 、数 值孔径小于0.22、输出波 长 976nm的多模大功 率LD作泵源。用精心设计光束耦合系统从右端 面泵入腔内。 性能指标： 阈值功率： 570mW 输出功率： 6.8W 耦合效率： 40％ 斜率效率： 86.5％ 中心波长： 1098nm 光谱半宽： 1.6nm
3.3.1 单波长、窄线宽Yb3+光纤激光器
Yb- doped SMF
LD 978nm
FBG1
FBG2
图3.9 实验结果：
阈值：15mW , 功率：2.3mW 波长：1060nm, 线宽：0.2nm
3.3.2单一偏振多波长Yb光纤激光器
多波长激光器可以同时为多个信道提供所 需光源，在密集波分复用系统、光谱测量、光 纤传感等领域有着广泛的用途。目前已有很多 研究者报道了掺铒多波长激光器的实现方案。
三、双包层光纤的研究进展 俄罗斯普物所研制的内包层为方形的掺Yb双包层
光纤。
美国宝丽来公司研制的内包层为矩形的掺Yb双包 层光纤。 美国朗讯公司研制的内包层为星形的掺Yb双包层 光纤。 德国研制的内包层为D形的掺Yb和Nd双包层光纤， 中国武汉邮电科学研究院研制了掺Yb双包层光纤。 中国天津46所和南开大学合作研制成功掺Yb双包层 光纤。
波导光学讲座（二）
第三章 光纤激光器
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4
光纤激光器
光纤激光器谐振腔 掺Er3＋光纤激光器 掺Yb3＋光纤激光器 包层泵浦光纤激光器
3.5
3.6
调Q光纤激光器
锁模光纤激光器
光纤激光器的特点及其应用前景
优点： 波导式结构、效率高、阈值低、窄线宽、可 调谐、结构小巧、性能价格比高、易于与光纤通 信系统连接。 应用前景： 光通信、光传感、航天航空、生命科学、精 密机械加工、广告显示、印刷技术等领域都有广 阔的应用前景。
● ●
南开大学对高功率光纤激光器进行了研究。
激光器的结构：如图3-14 所示。
350m
Coupler
LDs
D-shaped double clad fiber Dichroic mirror (HT(976nm)，HR(1064nm))
400m
Output
图3.14 实验装置示意图 光纤：选用了内包层形状为D形的掺Yb3+双包层 光纤，几何尺寸为400µ m×340µ m，数值孔径 0.38。掺杂浓度0.65mol%（Yb2O3）。光纤长度 20米。
output
FBG IMG
图 3.5
性能指标： 输出功率：>1mW 功率稳定性优于3％ >18dB 输出线宽：<0.01nm 波长稳定性：1.610-5 偏振性能：消光比 斜率效率：>10%
2、 多波长Er3＋光纤光栅激光器
光纤光栅提供反馈和波长选择的多波长光纤光栅激光器； 滤波机制的多波长光纤光栅激光器； 锁模机制的多波长光纤光栅激光器； 非线性效应的多波长光纤光栅激光器。
光纤激光器的发展
1. 20世纪60年代初，法国的Smitzer首次 提出光纤激光器的概念。 2. 70年代初美国、苏联等国的研究机关 开展了一般性研究工作。 3. 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，成果累累。
圆形内包层的掺 Yb3+ 双包层光纤。内包层 直径：125μm, 数值孔径（NA)：0.38；芯径： 5.5μm ， 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： 100μm×70μm ； NA ： 0.38 ；芯径： 5.5μm ； NA ： 0.11 ； 在 976nm 出 的 吸 收 系 数 为 73dB/km。
应用大都集中在光通信和光传感领域。 80年代后期，美国宝丽来公司的研究者们 作出了开创性的工作，发展了一种包层泵浦技 术，大大促进了高功率光纤激光器的发展。在 特种光纤生产技术和半导体激光器制造工艺高 速发展的基础上，包层泵浦技术发展迅猛，激 光器的能量转换效率高达70%以上、连续输出 功率高达几十瓦、乃至几百瓦。同时，利用纤 芯内的超高功率密度所产生的诸如受激布里渊 散射、受激喇曼散射和频率上转换等非线性效
3.1
光纤激光器谐振腔
泵光
掺Er3＋石英光纤
激光输出 剩余泵光
图 3.1 F-P 线形腔掺铒光纤激光器
PC controller
Output FFP filter Output coupler
Isolator
WDM
EDF
1480nm LD
图3.2 环形 腔掺铒激光器
3.2 掺Er光纤激光器
掺杂硅光纤激光器以其掺杂的稀土元素不同 而形成不同激射波长的各类光纤激光器，例如： Nd3＋和Yb3＋光纤激光器 激射波段 1.06m Er3＋光纤激光器 激射波段 1.55m Tm3＋光纤激光器 激射波段 1.4m Ho3＋光纤激光器 激射波段 2.0m
应，大大拓宽了光纤激光器的输出频率范围， 并使超短脉冲技术、喇曼光纤激光器和放大器 技术的发展上了一个新的台阶。预计此类大功 率、宽波段、高模式质量、结构紧凑、运转可 靠、高性能价格比的双包层光纤激光器将在光 通信（特别是高速长距离和孤子通信）、遥感 、航天航空、生命科学、机械精密加工等领域 获得广泛应用。
性能指标： Bragg光纤光栅 简支梁调谐 悬臂梁
反射率 带宽 调谐范围 线性度 调谐范围 线性度
95％～99％ 0.1～0.12nm 7nm 0.999 5.6nm 0.996
二、光纤光栅激光器的基本结构
1、 单波长、窄线宽Er3＋光纤光栅激光器
LD 980nm WDM1 POL
EDF
WDM2 PI-ISO