掺铒光纤激光器

2003年，董新永等人采用线性腔结构及环 形腔结构研制成功了性能很好的可调谐光纤 激光器,波长调谐范围超过IOOnm，覆盖了整 个C+L波段。一个可调谐窄带F-P滤波器和一 个宽带滤波器分别插入到线形腔两端的环形 镜内，以此减少插入损耗。实验分析并选取 了最佳长度的掺铒光纤及最佳耦合比的输出 耦合器，获得了超宽带连续可调的、高功率 的单频激光。

产生激光的基本条件
在光学谐振腔内,沿轴线方向传播的光在两反射镜之间往复传播。
(这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发 光)往复传播作用,相当于延长了激光工作物质的长度,使其中的光 能密度不断增加 ,也使受激辐射的概率远大于自发辐射的概率 ,从 而使沿光学谐振腔轴线传播的光 ,在粒子数反转分布的条件下 ,受 激辐射占了绝对优势。
AntoineBellemare 等人指出:宽 带可调谐掺铒光纤激光器波长调 谐范围对腔内损耗具有敏感性 ,减 小谐振腔损耗对于宽带可调谐掺 饵光纤激光器至关重要 ; 同时 , 仍 应注意最佳EDF长度的选择。
图9.掺铒光纤的吸收和增益谱
国内的发展
图10.宽带可调谐环形腔掺铒光纤激光器 Schematic diagram of the proposed tunable EDFRL
4
受激吸收
受激辐射
I11/ 2
I13 / 2
激 励 源
3 图2. Er 的主要能级图 3 Eergy-level configuration of Er
亚稳态
4
980nm
1480nm
1530nm
4
I15 / 2
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber)所具有的优势
高功率密度：由于光纤纤芯直径只有几个微米,光纤内易形成更高
早 期
摸 索




中
前 进

产生激光的基本条件
图1.激光器的基本结构 The basic structure of laser
增益介质：要有能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状
态的增益介质；

激励源：在受激辐射过程中，高能级粒子数逐渐减少，低能级粒 子数逐渐增多，所以要通过泵浦不断将粒子激励到高能级，破坏热平 衡,实现粒子数反转；泵浦光必须足够大,在泵浦阈值功率以上； 谐振腔：要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造——光 学谐振腔，利用光学谐振腔提高光子简并度；同时，对于光学谐振腔, 要获得光自激振荡 , 须令光在腔内来回一次所获增益至少能补偿传 播中的损耗。
耦合效率高：光纤激光器中,光纤既是激光介质又是光的波导介质 ,
因此泵浦光的耦合效率很高 , 加之光纤激光器可以方便地延长增益 介质的长度,使泵浦光被充分吸收,使光光转换效率超过60%；
结构紧凑：光纤具有极好的柔绕性,光纤激光器可以设计的相当小
巧灵活,能够采用多种封装方式,使激光器的结构更加紧凑；
可调谐掺铒光纤激光器的发展
始于20世纪八十年代中 期

图5.半导体激光泵浦的可调谐激光器 Tunable diode pumped fiber laser
由于光纤 F-P 滤波器的低损耗及 EDF的低阈值,故采用光纤F-P滤波器 的环形腔结构掺铒光纤激光器比采 用其他滤波元件的光纤激光器有更 低的阈值功率,更高的斜率效率及更 宽的波长调谐范围,并且调谐方式简 单,激光器结构简单紧凑

可以不使用反射镜,构成全光纤谐振腔
图4.环形腔掺铒光纤激光器基本结构 Basic ring cavity EDFL
通过在光纤激光器的环形腔中插入隔离器可以迫使激光器运行在行波工 作状态环形腔，与大多数 F-P腔工作在驻波状态不同 ,行波工作状态可以避 免空间烧孔效应。因此 ,在没有滤波器的情况下 ,通常环形腔结构比线形腔 结构在输出功率及输出激光频率方面更稳定；
散热性能好：光纤结构具有较高的面积体积比,因而散热效果好 ,
光束质量高：掺铒光纤激光器可以实现单模运行 ,具有极窄的线
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宽,良好的单色性和高稳定性；
稳定性高：全光纤的谐振腔结构更加稳定,受机械扰动影响更小 ,
并且具有相当多的可调参数和选择性 ,光学元件接入后不需要光学 准直；
谐振腔的选择

q
2 L 2q，q 1,2,3
2 q 为光在激光工作物质中 传播时的波长， 为光在激光物质中传播 单位长度时的相位变化 。 q
Er3的基本组态： [ Xe]4 f 11 5s 2 5 p 6
2 S 1
LJ
无辐射跃迁
5s和5p层的电子始终保持不变, 可以屏蔽4f层的内层电子，使其不 受外场的干扰，因此4f-4f跃迁的 光谱特性(荧光和吸收特性)不易受 宿主影响，所以 Er3具有很好的稳 定性。
增益介质、泵浦源和光学谐振腔是产生激光输出的先决条件。
除此之外,产生激光器还必须满足阈值条件和相位平衡条件 1 1 l)激光器产生激光的阈值条件即 G ln
0 i
2L
R1R2
G0为小信号增益系数 , i 为损耗系数, L为谐振腔的长度 , R1和R2为两个反射镜的折射率 。
2)在谐振腔中,还要满足相位平衡条件的波 ,才能在往复反射过程 中得到加强,即 2
1991年,美国电话电报公司(AT&T) 贝尔实验室 ( Bell Laboratories ) 的 J.L.zyskind 等人研制了半导体激光器 泵浦的可调谐环形腔掺铒光纤激光器 ( 图 5) ；采用 1480nm 半导体激光器泵 浦,泵浦功率32mW利用30m长的掺铒光 纤作为工作物质 , 最终获得 6Onm 的波 长调谐范围(1525-1586nm)； 90 年代中期 ,G.A.Ball 等人成功研 制第一台单纵模输出可调谐掺饵光纤 激光器,采用线性腔结构,通过光纤光 栅滤波 , 其波长调谐范围可达 32nm ； KevinHsu等人用Er3+/Yb3+共掺光纤制 成可调谐范围25nm的F-P腔激光器。


环形腔结构对掺铒光纤增益的利用效率更高；
环形腔的谐振腔纵模间隔是线形腔的两倍；
谐振腔内可接入多种光纤器件 (光纤光栅 ,光纤滤波器等 ),尽管这些器件 有很高的回光反射,但通过使用光隔离器可以消除反射光的影响。
可调谐光纤激光器（tunable laser）
可调谐光纤激光器 :在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。 这种激光器可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监制、 半导体加工、信息处理与通信等。 近年来，可调谐光纤激光器得到迅速发展,其调谐范围多为C波段(15301565nm)或者L波段(1565-1610nm)，大多采用旋转 F-P滤光片、光纤光栅 的轴向压缩调谐、轴向拉伸调谐和悬臂梁调谐等调谐方式。到目前为止， 窄线宽输出和波长范围宽带可调谐是可调谐光纤激光器的主要研究方向。 目前已制作出温度和应变调谐光纤激光器、可调谐掺铒光纤激光器 （EDFL）、可调谐调 Q 光纤激光器、集成阵列波导光栅（AWG）的可调谐 光纤激光器、高重复率超快光纤激光器、基于光纤放大器的可调谐光纤激 光器以及超连续谱可调谐光纤激光器等。尤其是可调谐环形 EDFL，因其 具有较大的调谐范围及高的输出功率，已然成为可调谐激光器的主流，在 高速大容量、长距离传输的光纤通信系统和 DWDM 通信系统中被广泛应用。 掺铒光纤环形腔激光器是一种以掺铒光纤为增益媒质、环形腔为谐振腔 形式的光纤激光器。
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber)所具有的优势
工作波长合适：由于掺铒 (Er3+)光纤在 1550nm
波长具有很高的 增益，其40nm宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗 口，具有潜在的应用价值，在光纤通信领域获得越来越广泛的应 用，故发展最为迅速。 具有很高的转换效率和闭值功率,能够在室温下连续工作；
镀在光纤端面上也可能存在光纤端面与纤轴不垂直、光纤端面有细 微缺陷等问题;
实际的 F-P 腔光纤激光器通常借助光纤光栅，光纤方向耦合器等 ,
可以构成多种谐振腔。
2、环形腔
空间烧孔效应会破坏均匀加宽激光器的模式竞 争，造成多模振荡，而加了隔离器以后，光在腔 内单向传播，形成行波场，行波场在腔内的场强 分布均匀，避免了空间烧孔，有利于实现窄线宽。
国内从 90 年代初开始了光纤 激光器的研究工作 ,取得了一些 阶段性的成果。在宽带可调谐 掺饵光纤激光器研究领域中 ,较 为突出的是南开大学现代光学 所。 2000年后,董新永等人发表 了多篇关于可调谐掺饵光纤激 光器的研究报道，他们通过理 论模拟着重分析了饵离子团簇 对光纤可调谐掺饵光纤激光器 输出特性的影响 ,指出尽管铒离 子团簇的存在使得激光器的输 出功率及平坦度都下降 ,但其可 帮助环形腔掺铒光纤激光器产 生更长波长的激光输出；此外， 董新永等人仍然强调了减小谐 振腔损耗、掺铒光纤长度优化 及输出耦合比选取的重要性；
1、线形腔(F-P腔)
图3.一般线行腔掺铒光纤激光器结构示意图 General schematic diagram of a linear cavity EDFL
优点：结构简单,而且谐振腔可以设计得很短，因此线形腔结构很
适合单纵模输出激光器;
缺陷：光纤端面与镜面存在间隙或成斜角；即使是将介质镜直接
泵浦功率密度 , 能够降低阈值功率（在泵浦光的作用下光纤内极易 形成高功率密度,造成粒子数反转），这种特性对于三能级系统尤为 重要；
可调谐：具有很宽的荧光谱,光纤可调参数多，选择范围大，因此
可产生多激光谱线，再配以波长选择器，即可获得相当宽的调谐范 围,适合于波分复用(WDM)光纤通信系统应用;
掺铒光纤激光器
目

录
早 期 原 理 现 状

展 望

1961年,美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行 了开创性的工作;1963 年和 1964 年分别发表了多组分玻璃光纤 中的光放大结果,提出了光纤激光器和光纤放大器的构思;
1963年,由美国光学公司的Snitzer和Koester用掺杂钕(Nd3+)的 方法研制出世界上第一台光纤激光器,实现了以光纤作为增益介质 及谐振腔的设想，但由于当时光纤损耗较大; 1966年,英籍华人高馄博士通过分析玻璃纤维损耗的主要原因 , 首次提出只要能设法降低玻璃纤维中的杂质,就有可能使光纤损耗 降低到20dB/km,从而使光导纤维可用于光通信; 1970年 ,美国康宁公司研制出传输损耗仅为 20dB/km 的光纤 , 证 明高馄博士的预言,拉开了光纤通信的新篇章; 在 1975-1985十年间, 光纤通信进入了实用化阶段 , 由于相关条 件的限制,对光纤激光器的研究很少,不过在这十年中许多发展光 纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟; 80年代后期,英国Southhampton大学的S.B.Poole等用化学气相 沉积(MCVD)法制成了低损耗的掺铒光纤; R.J.Mears等人发现掺杂 稀土元素的光纤中存在激光振荡和光放大的现象 ;最终于1986年, 应用该掺铒光纤制作了世界上第一台掺铒光纤激光器；
研究结果证明通过优化EDF长度和采用腔内的光纤 F-P滤波器可以获得覆盖
C+L波段的激光输出,显示出可调谐环形腔掺铒光纤激光器的潜力。

图8.单模光纤损耗谱
2000年后,AntoineBellemare 等 人在宽带可调谐掺铒光纤激光器理 论模拟及实验研究方面取得了许多 进展。他们通过理论模拟及实验研 究了影响掺铒光纤激光器输出特性 的几个因素 , 并通过优化激光器结 构及参数获得了波长调谐范围超过 110nm的激光输出；泵浦采用180mW 的980nm半导体激光器,采用多层薄 膜干涉滤波器实现波长调谐 , 半宽 度(full-with halfmaximum,FWHM)0.15nm,EDF掺杂浓 度6.8xl024m-3。

图6.宽带可调谐环形腔掺铒光纤激光器示意图 Configuration of a widely tumable EDF ring laser
图7.掺杂石英光纤中的 稀土离子的发射光谱覆盖范围.
1999年,东京大学的ShinjiYamashita等人的研究小组采用环形腔结构获得了
波长调谐范围覆盖C+L波段的连续可调激光输出；滤波器件仍用光纤F-P滤波 器，泵浦为1480nm的半导体激光器,输出功率84mw,输出耦合比10:1，最终获 得了80nm(1520一1600nm)的激光输出,波长调谐范围覆盖C+L波段；