光纤激光器

什么是光纤激光器

光纤激光器的原理

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。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。由于光纤激光器中光纤纤芯很细，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”。当加入正反馈回路（构成谐振腔）便形成激光振荡。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WDM 系统中。

光纤激光器的谐振腔[1]设计主要有两大类。一类是激光器中常见的Fabry-Perot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。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腔是用光纤光栅、WDM耦合器或光纤环路镜代替介质镜。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WDM 耦合器的两端连在一起形成包括掺杂光纤在内的环型腔，输出连续激光脉冲（图1a）。图1b为锁模光纤激光器常用的特殊设计—8字型光纤激光器。激光器由两个环型腔通过耦合器连接组成。右边的环型腔为带增益的非线性环路镜腔，具有放大作用和快的开关特性。在脉冲低功率部分，环内透射率小。当脉冲的峰值功率达到一临界值时，环对脉冲的透射达100%，和锁模操作一样。左腔为含有单向光隔离器的光纤环。

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。例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（AWG）可获得多信道的激光输出[2~3]，这是DWDM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（主要是自相位调制效应）与色散效应的相互作用而被压缩，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TDM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WDM技术向DWDM技术发展。

光纤激光器的特点

光纤激光器为高码率光纤通信系统提供较理想的光源，它较半导体激光器具有许多无可比拟的优点：

对于半导体激光器，当激光器耦合进光纤时具有较大的耦合损耗，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。

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，加之光纤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。因而光纤激光器很适合用于多信道光通信系统（WDM系统）。WDM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

50nm且维持线宽低于10KHz。而半导体激光器的线宽远大于0.1MHz且波长可调范围低于10nm。

锁模光纤激光器能够产生脉宽短至100fs、重复率达10GHz的近似变换极限的超短光脉冲，这适合用于理想光孤子通信系统。

光纤激光器可用作随环境温度和压力变化的传感器和偏振传感器。

几种光纤激光器研究的最新进展

1、连续光纤激光器

基于Raman放大的光纤激光器：产生特定光波波长

石英光纤具有很宽的受激喇曼散射增益谱，并在13THz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Raman放大特性，OFC2001国际会议上报道了Raman 光纤激光器的研制。从相关的报道看，各种Raman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Stocks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。会议中有一篇论文报道了以二级Stocks输出的Raman光纤激光器作为泵浦源激励单模光纤产生超连续谱的实验[4]。其中Raman光纤激光器工作原理图见图2。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。泵浦光为1064nm，输出脉冲1483.4nm的激光（二级Stocks）。而另一篇论文报道了在泵浦光的作用下产生四级Stocks分量的Raman光纤激光器（其原理图与图1相似）[5]。在1100nm泵浦光作用下，首先得到1347nm的一级Stocks分量，在一级Stocks分量泵浦下输出1427nm的激光。只要泵浦信号强度足够大就可实现前一级的Stocks光泵浦下几级的Stocks光。这种激光器输出了1427nm、1455nm和1480nm的三个二级、三级和四级Stocks分量的激光波长。所需激光波长的输出*调节构成的不同激光波长谐振腔的布拉格光栅。其中1427nm的谱线谱宽为0.8nm，1455nm 和1480nm的谱线谱宽为0.4nm。

具有超连续谱的超短光脉冲在TDM/WDM系统中有着重要的意义。超短光脉冲不但能提高TMD系统中的单信道码率，同时其宽大的连续谱也能为WDM系统提供众多的波长信道。大部分超连续谱的产生主要有以下两种方法：压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。

目前除利用NOLM在激光器中压缩脉冲产生超短光脉冲的方法外，会议上还有报道了主动锁模色散管理光纤激光器[6]产生超短光脉冲，这种激光器基于色散管理光纤压缩光脉冲的方法，把色散管理光纤放入谐振腔以达到压缩脉冲产生宽连续谱的目的。

现在最流行的也报道得最多的是利用光纤或光放大器的非线性产生超连续谱。其中利用光纤产生宽连续谱最为经济实用。据报道，所采用的光纤类型不同，产生连续谱带宽也不同。比如在两头粗中间拉细的特种光纤中（见图3）[7]，产生的连续谱就很宽，可调谐波长范围为500nm~1600nm。泵浦源端的光纤长为3cm，拉细光纤长度为15cm，尾纤输出端为15cm。该连续谱在后段标准电信光纤中输出Raman脉冲，可调谐波长幅度达

200nm ，Raman脉冲波长调谐范围为1400nm~1600nm。脉冲频谱带宽为20nm，相当于脉宽130fs的边带极限脉冲。当改变输入入射功率，则Raman孤子波长也发生改变。这种激光器就是以改变泵浦功率来改变波长。而以图1的Raman光纤激光器为泵浦源，在常规单模光纤产生的连续谱[4]，0dBm的波长调谐范围才93nm，输出波长范围为1434~1527nm，远小于特种光纤产生的连续谱。

2、锁模光纤激光器

基于非线性光环路镜的光纤激光器：产生高重复率超短压缩脉冲和亮暗脉冲转换

通常情况下，从超短光脉冲源如主动锁模激光器、增益开关半导体激光器外等直接出射的光脉冲脉宽比较宽，而利用光纤在激光器外部压缩输出脉冲则使压缩后的光脉冲有明显的底座。然而这些有底座的压缩脉冲是不适合进行长距离传输的。因而产生无底座低噪声的超短光脉冲是TDM系统的核心技术。谐振腔采用非线性光环路镜（NOLM）则可实现输出无底座高质量的压缩脉冲。图4是基于NOLM的锁模光纤激光器的工作原理图[8]。平常常见的基于NOLM光纤激光器只由NOLM环组成，没有图4的3dB耦合器上的两个支路，主要是用来产生压缩后的超短激光脉冲，不具有锁模功能。图4所示的是改进的NOLM光纤激光器，能进行亮暗脉冲转换，能选择脉冲波长，能产生高重复率的信号。调节PC1使B端输出最大功率时，在A端可得到亮脉冲；调节PC1使环内形成反射模时在A端就形成暗脉冲。在耦合器2支路上可以通过滤波器选择输出激光波长，并通过EDFA对选定波长进行放大。当控制脉冲与主环频率失谐时，当产生控制脉冲的DFB激光器的驱动频率是主环的频率f的n分之一时，可得到是控制脉冲n倍重复率的输出脉冲。例如主环频率f为19.4kHz时，控制脉冲调制频率为1145MHz，DFB激光器驱动频率失谐在1/4f，则可得