单频DBR和DFB光纤激光器综述

单频DBR和DFB光纤激光器综述

张劲松　裴　丽　魏道平　赵玉成　简水生

(北方交通大学光波所,北京100044)

摘要　综合报导近年来单频DBR,DF B光纤激光器研究进展,并阐述了各种光纤激光器的机理,实验装置和研究结果。

关键词　单频光纤激光器;分布反馈;分布布拉格反射;空间烧孔效应;模式跳跃

The Survey of Single-frequency DBR and DFB Fibre Lasers

Zhang Jing song　Pei Li　W ei Daoping　Zhao Yucheng　Jian Shuisheng

(Inst itute o f Lightw av e T echno lo gy,N o rther n Jiaoto ng U niv ersity,Beijing100044)

Abstract　T he recent dev elo pm ent o f sing le-frequency DBR and DFB fibre la ser s is surv eyed,the pr inci-

ple,the ex per imental arr angem ent a nd the resear ch results o f different fibr e la ser s are also discussed.

Key words　sing le-frequency fibre laser s;distr ibuted feedback(DFB);distr ibuted Br agg r eflecto r

(DBR);spatial ho le burning;mo de ho ps

1　引言

窄带,单频(单纵模)激光光源在光通信,传感,光谱学等领域有着广泛的应用。虽然早在1961年Elias Snitzer就发现了钕掺杂玻璃包层波导中的激光现象[1],但以前人们主要使用半导体激光器。80年代中期,由于英国南安普顿大学对掺铒光纤的研究取得突破性进展,光纤通信系统对直接光放大的迫切需求,以及90年代紫外写入光纤光栅等技术的日益成熟,且因为其与光纤的兼容性好,制作简便,波长选择容易,线宽窄,抗电磁干扰,稳定性高等优点,光纤光栅激光器愈受重视,得到大量研究并取得长足的发展。为了克服增益介质的空间烧孔效应而实现单模运转,一种方案是环形光纤激光器[2,3],但常发生模式跳跃,较DBR, DFB光纤激光器严重,因为所用掺铒光纤较长(几米或几十米),模式间隔小,且需要一些价格昂贵的元件。另一种就是线形光纤光栅激光器,少数落在光栅反射带宽内的纵模由于模竞争而最终实现单模输出。本文仅对结构简单,费用较少但仍有高质量激光输出的线形DBR,DFB光纤激光器(1.5L m)方面的研究工作作一综述,而对相对复杂的环形,Fox-Smith复合腔[4],耦合腔[5]等光纤激光器等不予讨论。2　DBR光纤激光器

DBR光纤激光器的基本结构如图1

所示。

图1　DBR光纤激光器结构示意图

Fig.1　Schematic diagram of DBR f iber laser

1990年R.Kashy ap等首次将光纤光栅应用于光纤激光器以增强模式选择性[6]。1.5L m单频DBR光纤激光器首先由美国联合技术研究中心的G.A.Ball等利用掺铒光纤得以实现[7～9]。文献[7]在掺铒光纤两端紫外写入Bragg光栅构成0.5m的谐振腔,掺铒光纤芯径5L m,$n=0.021,两Brag g光栅的反射率分别为72%,80%(1548nm);用980nmT i:sapphir e激光器作泵浦源,泵浦光与掺铒光纤的耦合效率约为49%;实验观察到1548nm的激光输出;泵浦功率较低时,输出激光与被吸收泵浦光功率之比的斜率效率为27%;当输出激光功率达到4m w时,斜率效率显著下降,输出激

光电子õ激光　第9卷　第4期1998年8月

JOU RN A L O F OP T O EL ECT R ON ICSõLA SER　V o l.9　N o.4　A ug.1998

收稿日期:1997-08-16

光峰值功率约5mw ,且利用Fabr y -Perot 频谱分析仪证实了光纤激光器的单纵模运作,线宽小于47kHz 。文献[8]在掺铒光纤两端紫外写入Brag g 光栅构成10cm 的谐振腔,两Bragg 光栅的反射率相同均为95%,光纤

端面磨成10°角以避免端面反射影响单模激光器运行,同时利用PZT 轴向拉伸光纤光栅实现输出频率的连续调谐,调谐范围约9GHz,在调谐过程中没有模式跳跃发生,但其代价是输出功率仅100L W ,斜率效率低。文献[9]和[10]基于速率方程理论和模耦合理论,经过一些近似处理,得到DBR 光纤激光器单模运转的条件,并对具体参数进行了设计,理论预期与实验符合较好,他们的工作为实际设计制作单模光纤激光器提供了理论指导。

其他一些小组也进行了这方面的研究。为了获得更稳定的单模运行,J .L .Zy skind 等制作成功谐振腔仅2cm 和1cm 长的DBR 光纤激光器[11],输出功率仅分别为181L W,57L W ;线宽由于频谱分析仪分辨率的限制没有精确地测出,还观察到自脉动现象。M.Ibsen

等研制出取样Bragg 光栅DBR 光纤激光器[12]

,利用拉伸光纤光栅实现输出波长的连续调谐,调谐范围达16.7nm 。

3　DFB 光纤激光器

DFB 光纤激光器基本结构如图2

所示。

图2　DFB 光纤激光器结构示意图Fig .2　Schematic diagram of DFB fiber laser

DFB 光纤激光器优越于DBR 光纤激光器之处主要是只用一个光栅来实现光反馈和波长选择,因而频率稳定性更好,还避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。但是,虽然可以直接将光栅紫外写入掺铒光纤,因为纤芯含Ge 少或没有,光敏性差,所以DFB 光纤激光器实际制作并不容易。而DBR 光纤激光器则可以将掺锗光纤光栅熔接在掺铒光纤的两端构成谐振腔,制作更为简便。

众所周知,因为Brag g 波长区域存在禁带,均匀光栅DFB 光纤激光器不能实现单频输出。为了获得稳定的单频运行,一种方法是在均匀光栅中引入P /2相移,另一方法是啁啾光栅DFB 激光器。M .Sejka 等成功地制作了这两种单频DFB 掺铒光纤激光器[13]

。在没有引入P /2相移之前,他们观察到均匀光栅DFB 激光器

双模振荡及模式间的能量交换,模式间隔0.07nm (5.9GHz),与理论一致[14]。3.6cm 长啁啾光栅DFB 激光器输出功率5.4mW,线宽小于15kHz,斜率效率17%,泵浦阈值功率21m W 。W.H.Lo h 等也进行了类似的研究,他们报道了10cm 长1.55L m 单频相移DFB 掺铒光纤激光器[15],线宽小于13kHz,输出功率1m w 。

3　改进方案

DBR,DFB 光纤光栅激光器面临的问题有:由于谐振腔较短,导致对泵浦的吸收效率低及斜率效率低,谱线较环形激光器要宽;三能级系统固态激光器普遍存在的自脉动行为对光纤激光器亦不例外;模式跳跃现象。为了解决这些困难,科研工作者们提出如下改进方案

3.1　采用Er :Yb 光纤作增益介质(但目前国内

不易买到)。Yb 3+

离子起着吸收1L m 附近的泵浦光,然

后迅速将能量转移给Er

3+

离子以实现1.5L m 区域光

放大的作用。由于Yb 3+

离子有较大的吸收截面且可实现高浓度掺杂(与Er 3+离子比较),因而Er :Yb 光纤的对泵浦光吸收能力比普通掺铒光纤高三个数量级。另一优点是Yb 3+

离子在1L m 附近的吸收带较宽,可以吸收0.98L m ～1.06L m 的泵浦光。Er :Yb 光纤激光器于1993年由J .T .Kring lebotn 等[16]第一次展现在人们面前。Er :Yb 光纤一端与光纤光栅(Bragg 波长1544.8nm,反射率40%,带宽0.09nm )熔接,这造成0.6dB 的损耗;另一端与二向色镜(泵浦光的透射率97%,激光的反射率近100%)相对接而构成谐振腔(腔长10cm ),得到了7.6mw 的输出激光(1545nm ),线宽小于1M Hz ,输出激光与入射泵浦光功率之比的斜率效率约为10%,泵浦(980nm )阈值功率为7m w 。实验中没有自脉动行为,但受环境变化的干扰偶有模式跳变。1994年J.T.Kring lebo tn 等[17]

的工作进一步提高。这次采用更有效的Er :Yb 光纤(ND 844),Er :Yb 光纤与光栅的熔接损耗降至0.12dB,腔长约为3cm ,实验结果阈值功率为4mw ,输出激光与入射泵浦光功率之比的斜率效率约为22%。

3.2　W .H .Loh 等[18]提出采用腔内泵浦方式提高输出功率。实验装置如图3所示。T i:sapphire 激光器(924nm )对掺Yb 光纤激光器起一级泵浦作用,掺Yb 光纤激光器(975nm )对DFB 激光器起二级泵浦作用。由于掺Yb 光纤在900nm 附近有一吸收峰[19],能有效地吸收924nm 泵浦光,以及位于975nm 光栅(峰值反射率99.8%)构成的谐振腔内的DFB 能充分地吸收975nm 二级泵浦光,故与通常的泵浦方式相比,实验结果腔内泵浦方式输出功率提高了2倍。

・

353・　第4期 张劲松等:单频DBR 和DFB 光纤激光器综述