多波长光纤激光器

（1）掺饵光纤激光器（EDFL）的激射原理 • 由于掺饵光纤激光器的激射波段正好位于 常用的1550nm通信波段，具有较低的闭值 和较高的增益，使其成为了光纤通信系统 的重要光源而得到广泛的应用。 • 一般情况下，光纤激光器按照掺杂离子能 级结构不同可可分为三能级系统和四能级 系统
掺饵光纤激光器的能级 系统可视为三能级系 统，掺饵光纤（EDF） 经过980nm或1480nm 的泵浦激光器泵浦之 后可以激射出中心波 段为1550nm左右的激 光。
按激光输出波长数 目分类为单波长光 纤激光器和多波长 光纤激光器。
按光纤结构分类为单 包层光纤激光器、双 包层光纤激光器、光 子晶体光纤激光器、 特种光纤激光器。
多波长掺饵光纤激光器
• • • • • • 1.掺饵光纤激光器（EDFL）的激射原理 2.环形腔掺饵光纤激光器的结构设计 3.均匀展宽与非均匀展宽 4.多波长激光稳定输出条件 5.抑制多波长掺饵光纤激光器的模式竞争 6.多波长掺铒光纤激光器发展趋势
掺铒光纤激光器( EDFL) 是目前研究 最多和 已经商品化的光纤激光器。
多波长EDFL研究 发展需解决的问题
多波长EDFL都具 有较窄的增益频谱， 因此限制了更多波 长的激光振荡。
密集波分复用 ( DWDM) 技术的成 熟对多波长激光器 的性能也提出了更 高的要求。
多波长 EDFL中 E D F过长而 产生的 对环境敏感等因素 和使得 输 出波长 更加稳定且易于调 节
图5.普通谐振微腔a、多波 长谐振微腔b
泵浦源
• 就泵浦源而言，一旦选定了激光增 益介质，其泵浦源一般也基本确定。 如果选用掺饵光纤作为增益介质， 泵浦源一般选用980nln或 1480nm 的激光源 如果选用半导体光放大器作为增益 介质，大多采用电泵浦方式完成 如果选用拉曼光纤放大器作为增益 介质，根据所采用拉曼光纤的拉曼 频移量大小及目标激射波长，其拉 曼泵浦波长也是基本确定的。
多波长光纤激光器基本原理
多波长光纤激光器与其他各种激光器 类似，其基本构成同样离不开激光器 三要素，即激光增益介质、谐振腔及 泵浦源。
多波长光纤激光器基本结构
多波长光纤激光器可以分为环形腔多 波长光纤激光器和线性腔多波长光纤 激光器。
图2：光纤激光器： 按谐振腔结构分类为 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光纤激光器等。 根据所采用的激光增益介质不同，多波长光纤 激光器通常可分为四类:多波长 掺饵光纤激光器，多波长拉曼光纤激光器，多 波长半导体光纤激光器，多波长混合 增益光纤激光器。 按输出激光特性 分类为连续光纤 激光器和脉冲光 纤激光器，其中 脉冲光纤激光器 根据其脉冲形成 原理又可分为调 Q光纤激光器(脉 冲宽度为ns量级) 和锁模光纤激光 器(脉冲宽度为ps 或fs量级)。
线性腔多波长光纤激光器
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环形腔多波长光纤激光器
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1、利用DSF中四波混频抑制模式竞争
隔离器 可变延迟线 光耦合器 色散位移光纤
图3.利用DSF中四波混频抑制模式竞争的多波长掺饵光纤激光器
2、利用偏振烧孔(PHB)效应
在多波长EDFL中，通过采用与 偏振有关的滤波器可增强PHB效 应，从而减少室温下EDF的均匀 线宽，以获得稳定的多波长输 出。
图3.3环形腔掺饵光纤激光器结构图
（3）均匀展宽与非均匀展宽
相比单波长的掺饵光纤激光器，多波长掺饵光纤激 光器的发展相对缓慢，主要是因为掺饵光纤的均匀 非均匀展宽： 在非均匀展宽的情况下，由于不同运动速 展宽导致了不能实现多波长的激射。一般来说光谱 度的粒子对谱线展宽范围内的各个 展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽两种。 频率的贡献均不相同，只有特定的粒子才能在某个频率 处受激辐射，其它的粒子 均匀展宽： 由于原子自发辐射产生的谱线并不是单一频 不会与之相互作用。与均匀展宽相比，非均匀展宽的最 率的，而是会占据一定的频谱宽度，如果这种频谱展宽是 大区别就是各个粒子在受 由于受激态的有限寿命引起的，则称之为均匀展宽。均匀 激辐射时只对特定的频率有贡献，表现为相对的独立性。 展宽是由增益介质中的各粒子对于某一确定的能级跃迁具 有相同的光谱线展宽造成的。均匀展宽的最大特点就是各 个粒子在每个频率强度上都有相同的贡献，而且这些贡献 的几率分布也是相同的。
增益介质
• 就增益介质而言，多波长光纤激光器通常采用光纤放大器(如掺稀土 光纤放大器和拉曼光纤放大器作为增益介质，这将使得其具有结构紧 凑、灵活方便等优点。值得注意的是，多个波长同时共用同一增益介 质将导致较强的模式竞争，要获得多波长同时稳定振荡，这是首先必 须考虑的问题。然而，大多掺稀土光纤放大器(如ED队)为均匀展宽 的增益介质，对实现稳定的多波长运转是非常不利的，必须采用一些 辅助手段来抑制或削弱它们的均匀展宽特性。 • EDFA多波长光纤激光器常采用液氮制冷光纤至77k、声光频移位调 制和非线性光学效应等辅助技术来抑制掺饵光纤的均匀展宽。
（4）多波长激光稳定输出条件
假设在激光腔内同时有两个频率分别为vl和叭的参在本征 模式形成振荡，则增益饱和时两个频率的光的增益系数分 别为:
其中G0（v1）和G0（v2）分别为两信号光的小信号增益系数，I1和I2分 别为两光的光强，k11、k12、k21、k22为饱和系数，其中k11、k12为自 增益饱和系数，表示了各模式的光强对自身增益的影响，k21、k22为交 叉增益饱和系数，表示每个模式对另一个模式的增益的影响。
图3.1三能级系统能级图
（2）环形腔掺饵光纤激光器的结构设计
环形腔是光纤激光器中常 用的一种谐振腔。由于环 形腔可以有效的避免空间 烧孔效应，所以在激光器 的设计中经常被用到。图 3.3给出了一个简单的环形 腔 光纤激光器的示意图。 WDM祸合器将泵浦光藕 合进入环形腔，掺饵光纤 作为增 益介质提供增益，隔离器 保证激光的单向运转，偏 振控制器用来调节腔内的 偏振 态。
多量子阱（MQW）的各向异性使得其参数依赖于入射光的偏 振态，同会产生非线性双折射以增强 PHB效应。波长范 在 1 5 5 9 ～ 1 5 6 9 n m、 波长间隔为 0 ． 9 r i m 的 7个波长的激光 获得了输出。通过调节MQW的参数可以获得不同波长数目的 激光输出。
（6）多波长掺铒光纤激光器发展趋势
谐振腔
• 在多波长光纤激光器中，谐振腔起 到至关重要的作用—完成多波长选 模。在大多实际情况下，多波长激 光器要求相等波长间隔(ITU叮标准 通信间隔 200GHz、100GHz、 50GHz和 25GHz)激射。为实现这一 目的，通常需要借助梳状滤波器才 能满足要求 • 目前，常用于多波长激光器的梳状 滤波器有如下几种:法布里一拍罗标 准具，马赫一泽德干涉仪，特殊的 光纤光栅及保偏光纤sagnac环滤波 器。
（5）抑制多波长掺饵光纤激光器的模式竞争
要获得稳定的激光谐振，必须使增益交叉饱 和小于自我饱和。而在均匀展宽的增益介质 中，增益交叉饱 和 与自我饱和相 等，导致 了模式竞争。因此，获得稳定的多波长激光 振荡的条件是产生弱光耦合。
许多简洁且适用的技术已被陆续地提出用来抑制多波长掺饵光纤激光器 的模式竞争，常见的有:1)通过特殊设计掺饵光纤(如双芯掺饵光纤、多 模掺饵光纤)并利用它们的空间烧孔效应来削弱其非均匀展宽;2)通过在 激光腔内引入一些非线性光学效应(如四波混频、非线性偏振旋转、布 里渊散射、非线性腔损耗等)来抑制掺饵光纤的均匀展宽。
由增益系数公式我们可以得到双波长激光腔内的速率方程为:
其中a1和a2分别为两波长的腔内损耗，根据常微分方程组的特性我们可以 知道，以上方程组要有稳定解，即是激光腔内两个模式能够稳定振荡必须 足以下条件:
又称为弱光束藕合条件，即当激光腔内的交义增益饱和小于自增益饱和时，激 光腔内才有可能形成稳定的双波长振荡。交叉增益饱和系数反映了一个模式的 光在激活介质中消耗的反转粒子数对另一个模式的光的增益的影响。自增益饱 和系数即为该模式对自身增益的影响
多波长光纤激光器
光纤激光器
• 光纤激光器是指用掺稀土 元素玻璃光纤作为增益介 质的激光器，光纤激光器 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。
图1： 脉冲泵浦光纤激光器