杏彩平台登录光纤激光器原理doc光纤激光器原理光纤激光器摘要光纤激光器具有寿命长模式好体积小免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。本文内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。关键词:光纤光纤激光器光纤光栅引言早在1961年美国光学公司了开创性的工作。但由于当时条件所限光纤激光器的研究逐渐停了下来而与此同时半导体激光器件得到了迅猛发展。八十年代英国Southampton大铒光纤由于掺铒光纤激光器的激射波长恰好位于通信光纤的低损耗窗口很适合用作光纤通信的光源纤激光器才又成为研究的热点。目前通信用激光器主要是半导体激光器但它存在着成本高与系统的传输光纤耦合困难等缺点。这大大制约了光纤通信系统的进一步普及。而光纤激光器是光纤通信系统中另一种很有前景的光源与半导体激光器相比它的优点主要体现在:可以是用于稀土离子吸收光谱相对应的相对廉价的短波长半导体激光二极管作为泵浦源成本较低。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸容易耦合到系积比因而散热效果较好。由于光纤激光器可以带宽范围内实现激光输出波长选择系统具有非常重要的意义。5光纤激光器和光纤放大器容易且可调谐这对DWDM与现有的光纤器件是完全相容的故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。光纤激光器的基本结构典型光纤激光器主要由三部分组成:产生光子的增益介质、光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激发增益介质的泵浦源。其中会被所掺杂的稀土离子吸收。吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁实现“粒子数反转”反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态并释放出能量从反射镜输出。稀土离子的吸收和荧光特性由能级结构决定。由下能级至上能级的电子跃迁对应光的吸收过程由上能级至下能级的电子跃迁对应光的荧光过程。EYb共掺光纤也常用来制作光纤激光器。Yb3离子从基态3F激发态4I112。因为Yb离子具有相当宽的吸收带8001064nm可以大大提高掺铒光纤激光器的性能。Yb共掺光纤在980nm波长的典型吸收量是dBcm因此用很短的一段Yb共掺光纤就可以制作出光纤激光器。有多种不同的方法来制作光纤激光器的谐振腔光纤光栅由于使?昧榛畛杀窘系偷忍氐愠晌r3能级结构和跃迁情况包层泵浦器技术双包层的出现是领域的一大突破它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988Snitzer首次描述包层泵浦器以来包层泵浦技术已被广泛地应用到器和放大器等领域成为制作高功率光纤激光器首选途示出一种双包层的截面结构。不难看出包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂。一个纤芯和传统的单模纤芯相似专用于传输信号光并实现对信号光的单模放大。而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光如图1b所示。这样使用多个多模二极管同时耦合至包层上当泵浦光每次横穿过单模纤芯时就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级然后通过跃迁产生自发辐射光通过在内设置的光栅的选频作用特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生输出。目前该技术被称为多模并行包层泵浦技术Claddingpumpedtechnology法国Keopsys公司在该技术上形成了一专利称为“V-GrooveTechnologe”。多模并行包层泵浦技术特性决定了该类光纤激光器有以下几方面的突出性能。1、高功率一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100瓦的光功率多个多模泵浦二极管并行设置即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。2、无需热电冷却器这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作只须简单的风冷成本低。双包层光纤及工作原理3、很宽的泵浦波长范围高功率的光纤激光器内的活性包层掺杂了铒/镱稀土元素有一个宽且又平坦的光波吸收区930-970nm因此泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置效率高泵浦光多次横穿过单模纤芯因此其利用率高。5、高可靠性管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得光纤激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来泵浦二极管其可靠运转寿命超过100万小时。杏彩平台app目前实现包层泵浦器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全环形腔双包层器三大类不同特色的双包层器可由该三种基本类型拓展所示腔体结构实现了输出功率为3.8W、阈值得到。OFC’2002的一篇文献采用如图4为1.7W倾斜效率高达85的新型包层泵浦器。在产品技术方面美国IPG公司异军突起已开发出700W的掺镱双包层光纤激光器并宣称将推出2000W的光纤激光拉曼光纤激光器技术拉曼光放大技术为长距离传输提供了一种新的获取功率预算的手段成为关注焦点。对于拉曼放大泵源方法之一是采用多只14XXnm一种新型的光纤激光器腔体结构偏振复用获得拉曼泵源但其成本相对较高且结构复杂。方法二是采用拉曼器RFL来产生特定波长的大功率目前该技术已得到相当程度的发展并形成了商用产品如美国IPG、法国Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模块并被认为是用于拉曼放大和远泵EDFA放大应用的合理光源。3.1线形腔拉曼光纤激光器若从线形腔拉曼器的输出波长来划分可以分为单波长和多波长拉曼器两大类。不同线形拉曼器的结构基本相似都采用布拉格光栅作为其谐振腔的反射镜。就RFL所采用的有源增益介质来看通常采用掺GeO2的掺杂作为增益介质最近的报道是采用掺P2O5的掺杂作为增益介质两者的区别在于所取得的Stock偏移不同一般掺GeO2的掺杂为440cm-1而掺P2O5的掺杂为1330cm-1因此采用P2O5掺杂所需要的拉曼频率变换的次数要少可以提高效率并降低RFL的复杂度。N.Kurukithoson等在ECOC’2001会议中报道了一个采用二级拉曼变换获得1480nm输出的RFL实验其泵浦光波长为1061nm和采用掺GeO2杂的RFL相比减少了一级拉曼上变换。ECOC’2001的另一篇论文中报道了采用掺制作的1480nm单波长拉曼器实现28dBm输出的EDFA3。OFC’2001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产生超连续谱的实验4。它由拉曼激光器和超连续SC腔体两部分构成其中Raman光纤激光器器工作原理图见图3。在掺镱激光器的泵浦下以掺镨为工作物质输出。泵浦光1064nm输出脉冲为1483.4nm的二级Stocks输出功率为2.22W。近期浮现出的另一种称为多波长拉曼光纤激光器MWRFL引起了广泛的注意其中双波长拉曼光纤激光器2lRFL和三波长拉曼光纤激光器3lRFL已成功演示IPG等已开始形成产品。阿尔卡特公司在OFC’2002会议上报道的一种可重构三波长拉曼器3lRFL所示得到了输采用RFL产生超连续谱实验装置一种三波长拉曼光纤激光器装置出波长分别为1427nm、1455nm 和1480nm 的输出可用于CL 波段的拉曼放大 器中。另外通过调整输出耦合器每个波长 的输出功率可在50mW—400mW 范围内可 调。整个3lRFL 的主体部分由11 栅FBG和300 组成并以输出波长为1117nm的Yb3 包层泵浦器作为泵浦 源。其内部的Stocks 功率迁移如图7 所示。其基本的原理分为以下三步首先在 1117nm 泵浦光的作用下利用P2O5 产生频移得到1312nm 的一级Stocks 分量然后在 一级Stocks 的作用下利用石英的频移得到1375nm 的二级Stocks 分量最后通过再 次利用石英的 频移同时得到1427.0nm、1455.0nm 和1480.0nm 的输出。应当指出 由于各拉曼峰值相距较远因此不同Stocks 之间的交互 作用是不可忽视的。如图5 虚线nm 的Stocks 分量泵浦1455.0nm 和1480.0nm 并使之获得增益同理 1312nm Stocks分量可使1375nm、1427nm、1455nm 和1480nm 获得额外的拉曼增 三波长拉曼光纤激光器Stocks功率迁移 采用和图6 相似的结构 OFC’2002 的另外两 篇论文报道了在泵浦光的作用下产生四级Stocks分量 的可重构Raman 光纤激光器其输出波长均为 1428nm、1445nm 和1466nm。 OFC’2001 的一篇论文报道了一个3lRFL 其输出谱线nm 的谱线 的另一种重要方式。OFC’2001 中的一篇论文报道了一种双波长的环行拉曼光 纤激光器2lRFL 其结构如图8 所示。图中除光栅1480A 射率为90外其他的光 栅的反射率均大于99 是长度分别为120米和220 米的色散补偿DCF。 在工作波长为 1313nm 的Nd:YLF 光纤激光器作为泵浦源作用下该器的二级Stocks 波长为1480nm 的数据表明该光纤激光器在3.2W 的泵浦下可以获得大于400mW 的输1500nm。 报道 出。另外通过调整光栅1480B 的反射率可以对输出波长的功率进行控制和调整 该特性使得该类光 纤器可较好地用到增益平坦的拉曼放大中。 一种双波长环行拉曼光纤激光器结构 新型的光纤激光器技术早期对光纤激光器的研制主要 集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今天密集波分复用DWDM 和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加 速和刺激着多波长器技术、超连续器 等的进步。同时多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现则为低成本地实现 Tb/s 的DWDM OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看采用 EDFA 放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。 4.1 长光纤激光器基于半导体光放大器SOA 的多波长光纤激光器如图9 示。图中SOA1 长度是500mm 在1522nm 处提供的小信号增益为23dBSOA2 的长度是250mm 1530nm处可提供10.5dB 信号增益两只SOA均为InGaAsP/InP 屋脊波导型。 F-P 腔的自由谱线dB。偏振 PC1 和PC2 分别用于补偿SOA1 和SOA2 对TE 轴、TM 轴的偏振相关增益误差。该结 构在1554nm—1574nm 范围内实 现了波长间隔为50GHz、50 通道的多波长DWDM 源在50通道之间最大光功率差异小于1.6dB 消光比大于15dB 器的线GHz。杏彩官网注册 一种基于SOA的环行多波长激光器 为获得平坦的功率输出谱一种改 正型的方案如图10 所示。图中FRM 为法拉第旋转镜VOA 为可调光衰减器。由于光 反馈臂的引入一 个直观的特性是可对其输出的进行反馈监视另外该改正型结构还 可对的输出光性能提供较大程度的改善。据报道该结构在1554.7— 1574.7nm