光纖激光器及技術(shù)進(jìn)展

1、多模并行包層泵浦技術(shù)特性決定了該類激光器有以下幾方面的突出性能。1、高功率一個(gè)多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個(gè)多模泵浦二極管并行設(shè)置，即可允許設(shè)計(jì)出很高功率輸出的光纖激光器。2、無需熱電冷卻器這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡單的風(fēng)冷，成本低。3、很寬的泵浦波長范圍高功率的光纖激光器內(nèi)的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個(gè)寬且又平坦的光波吸收區(qū)(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類型的波長穩(wěn)定裝置4、效率高泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯，因此其利用率高。5、高可靠性多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激光

2、器的斷面上的光功率密度很低且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來，泵浦二極管其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過100萬小時(shí)。目前實(shí)現(xiàn)包層泵浦光纖激光器的技術(shù)概括起來可分為線形腔單端泵浦、線形腔雙端泵浦、全光纖環(huán)形腔雙包層光纖激光器三大類，不同特色的雙包層光纖激光器可由該三種基本類型拓展得到。OFC2002的一篇文獻(xiàn)采用如圖2所示腔體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達(dá)85%的新型包層泵浦光纖激光器1。在產(chǎn)品技術(shù)方面，美國IPG公司異軍突起，已開發(fā)出700W的摻鐿雙包層光纖激光器，并宣稱將推出2000W的光纖激光器。四、拉曼光纖激光器技術(shù)拉曼光放大技術(shù)為長距離傳輸提供了一種新的獲取功率預(yù)

3、算的手段，成為關(guān)注焦點(diǎn)。對(duì)于拉曼放大泵源，方法之一是采用多只14XXnm泵浦激光器通過偏振復(fù)用獲得拉曼泵源，但其成本相對(duì)較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方法二是采用拉曼光纖激光器(RFL)來產(chǎn)生特定波長的大功率激光，目前該技術(shù)已得到相當(dāng)程度的發(fā)展并形成了商用產(chǎn)品(如美國IPG、法國Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模塊)，并被認(rèn)為是用于拉曼放大和遠(yuǎn)泵EDFA放大應(yīng)用的合理光源。4.1 線形腔拉曼光纖激光器若從線形腔拉曼光纖激光器的輸出波長來劃分，可以分為單波長和多波長拉曼光纖激光器兩大類。不同線形拉曼光纖激光器的結(jié)構(gòu)基本相似，都采用布拉格光柵作為其諧振腔的反射鏡。就RFL所采用的有源增益介質(zhì)來看，通

4、常采用摻GeO2的摻雜光纖作為增益介質(zhì)，最近的報(bào)道是采用摻P2O5的摻雜光纖作為增益介質(zhì)，兩者的區(qū)別在于所取得的Stock偏移不同，一般，摻GeO2的摻雜光纖為440cm-1，而摻P2O5的摻雜光纖為1330cm-1，因此采用P2O5摻雜光纖所需要的拉曼頻率變換的次數(shù)要少，可以提高效率并降低RFL的復(fù)雜度。N.Kurukithoson等在ECOC2001會(huì)議中報(bào)道了一個(gè)采用二級(jí)拉曼變換獲得1480nm激光輸出的RFL實(shí)驗(yàn)，其泵浦光波長為1061nm2，和采用摻GeO2的摻雜光纖的RFL相比，減少了一級(jí)拉曼上變換。ECOC2001的另一篇論文中報(bào)道了采用摻P光纖制作的1480nm單波長拉曼光纖激

5、光器實(shí)現(xiàn)+28dBm輸出的EDFA3。OFC2001會(huì)議中有一篇論文報(bào)道了以二級(jí)Stocks輸出的Raman光纖激光器作為泵浦源激勵(lì)單模光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)4。它由拉曼光纖激光器和超連續(xù)(SC)腔體兩部分構(gòu)成，其中Raman光纖激光器工作原理圖見圖3。在摻鐿光纖激光器的泵浦下，以摻鐠光纖為工作物質(zhì)輸出激光。泵浦光為1064nm，輸出脈沖為1483.4nm的激光（二級(jí)Stocks），輸出功率為2.22W。采用和圖4相似的結(jié)構(gòu)，OFC2002的另外兩篇論文報(bào)道了在泵浦光的作用下產(chǎn)生四級(jí)Stocks分量的可重構(gòu)Raman光纖激光器，其輸出波長均為1428nm、1445nm和1466nm67。OFC

6、2001的一篇論文報(bào)道了一個(gè)3lRFL，其輸出譜線分別為：1427nm的譜線譜寬為0.8nm，1455nm和1480nm的譜線譜寬為0.4nm8。 4.2 環(huán)行腔拉曼光纖激光器環(huán)行腔結(jié)構(gòu)在激光技術(shù)中具有重要的地位和作用，也是構(gòu)建拉曼光纖激光器的另一種重要方式。OFC2001中的一篇論文報(bào)道了一種雙波長的環(huán)行拉曼光纖激光器(2lRFL)9，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，除光纖光柵1480A的反射率為90%外，其他的光纖光柵的反射率均大于99%，拉曼光纖A和B是長度分別為120米和220米的色散補(bǔ)償光纖(DCF)。在工作波長為1313nm的Nd:YLF激光器作為泵浦源作用下，該激光器的二級(jí)Stocks波

7、長為1480nm和1500nm。報(bào)道的數(shù)據(jù)表明，該光纖激光器在3.2W的泵浦下，可以獲得大于400mW的激光輸出。另外通過調(diào)整光纖光柵1480B的反射率，可以對(duì)輸出波長的功率進(jìn)行控制和調(diào)整，該特性使得該類光纖激光器可較好地用到增益平坦的拉曼放大中。五、新型的光纖激光器技術(shù)早期對(duì)激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調(diào)諧波長范圍的擴(kuò)展方面。今天，密集波分復(fù)用(DWDM)和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進(jìn)步加速和刺激著多波長光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光器等的進(jìn)步。同時(shí)，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實(shí)現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)

8、途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)均見報(bào)道。 5.1 多波長光纖激光器文獻(xiàn)10提出的一種基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的多波長光纖激光器如圖7所示。圖中SOA1長度是500mm，在1522nm處提供的小信號(hào)增益為23dB，SOA2的長度是250mm，在1530nm處可提供10.5dB的小信號(hào)增益，兩只SOA均為InGaAsP/InP屋脊波導(dǎo)型。光纖F-P腔的自由譜線范圍(FSR)為47.75GHz，精細(xì)度為8.1，損耗為12dB。偏振控制器PC1和PC2分別用于補(bǔ)償SOA1和SOA2對(duì)TE軸、TM軸的偏振相關(guān)增益誤差。該結(jié)構(gòu)在1554nm1574nm范圍內(nèi)，實(shí)

9、現(xiàn)了波長間隔為50GHz、50通道的多波長DWDM光源，在50通道之間最大光功率差異小于1.6dB，消光比大于15dB，激光器的線寬小于5GHz。為獲得平坦的功率輸出譜，文獻(xiàn)11提出了一種改正型的方案如圖8所示。圖中FRM為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，VOA為可調(diào)光衰減器。由于光反饋臂的引入，一個(gè)直觀的特性是可對(duì)其輸出的激光進(jìn)行反饋監(jiān)視，另外該改正型結(jié)構(gòu)還可對(duì)激光的輸出光性能提供較大程度的改善。據(jù)報(bào)道該結(jié)構(gòu)在1554.71574.7nm的波長范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了通道間隔為50GHz、52通道的多波長DWDM光源，且通道之間的最大光功率差異小于0.3dB，消光比達(dá)到32dB，激光器輸出的線寬為500MHz。 經(jīng)典的

10、Sagnac干涉裝置在信息科學(xué)領(lǐng)域的超快速響應(yīng)技術(shù)中有多種應(yīng)用，其中包括：超快速光調(diào)制器的全光開關(guān)、全光解復(fù)用、信號(hào)再生、邏輯運(yùn)算、信號(hào)格式變換以及全光波長變換等。最近，OFC2002的一篇文獻(xiàn)將Sagnac干涉裝置拓寬到光纖激光器的應(yīng)用12。該文獻(xiàn)報(bào)道的基于NOLM的多波長拉曼光源，在四階斯托克斯波內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)20個(gè)波長通道輸出。在OFC2002的另一篇論文中，報(bào)道了一種采用偏振復(fù)用拉曼泵源、F-P可調(diào)濾波器和色散補(bǔ)償光纖組成的去偏振多波長環(huán)行腔體拉曼光纖激光器。在由1428.2、1445.8、1463.4nm泵浦波長的拉曼泵源作用下，3dB帶寬范圍內(nèi)的輸出波長可達(dá)到58個(gè)，通道間隔為50G

11、Hz。目前相關(guān)的會(huì)議報(bào)道已指出用AWG目前最多可輸出400個(gè)信道，每個(gè)信道間隔25GHz（波長間隔0.4nm），輸出波長能覆蓋整個(gè)C波段和L波段。然而這些信道的波長間隔都是固定的，是無法改變的。目前研制的激光器輸出的多波長信號(hào)，其信道間隔也是一定的。OFC2001會(huì)議上報(bào)道了一個(gè)可調(diào)諧波長間隔的多波長輸出的光纖激光器。其原理圖見圖9。法拉弟旋轉(zhuǎn)鏡（FRM）用于補(bǔ)償FRM與偏振分束器（PBS）之間的PMD，并且能穩(wěn)定前后傳輸方向的正交偏振態(tài)。利用在保偏光纖中偏振模的耦合作為可調(diào)波長間隔濾波器。光纖激光器腔內(nèi)的偏振分束器和偏振保持光纖及其相關(guān)器件組成波長濾波器。當(dāng)不對(duì)PMF施加壓力時(shí)，沿偏振快軸的

12、光分量能通過濾波器，傳輸與波長無關(guān)；當(dāng)對(duì)PMF施加壓力時(shí)，在施加壓力處，偏振模產(chǎn)生耦合，波長間隔就由施加壓力的位置不同而不同。施加壓力的方式是用夾子夾住PMF的不同位置。例如在PMF的4m處施加壓力，則可得到9個(gè)信道輸出，波長調(diào)諧范圍為1548.2nm-1559.9nm，波長間隔為1.46nm。峰值功率漂移在6dB內(nèi)。當(dāng)施加壓力的位置在8m處，激光器輸出14個(gè)信道波長，波長間隔為0.73nm。文獻(xiàn)15提出了另一種可調(diào)諧的光纖激光器方案如圖10(a)所示，其主要的特色是波長間隔可調(diào)。圖中具有不同波長峰值的n個(gè)光纖光柵(FBG)采用圖10（b）結(jié)構(gòu)被安裝成FBG陣列，并級(jí)聯(lián)起來以形成多波長激射。波

13、長的調(diào)諧通過改變光纖光柵的周期來實(shí)現(xiàn)。采用四個(gè)FBG制成的FBG陣列，在初始工作波長在1547.64、1549.21、1551.36、1554.1nm的情況下，可調(diào)諧得到波長間隔不同的四個(gè)波長，分別為1547.64、1551.64、1556.60、1561.24nm。 5.2 基于光纖的超連續(xù)光纖激光器具有超連續(xù)譜的超短光脈沖在TDM/WDM系統(tǒng)中有著重要的意義。超短光脈沖不但能提高TMD系統(tǒng)中的單信道碼率，同時(shí)其寬大的連續(xù)譜也能為WDM系統(tǒng)提供眾多的波長信道。大部分超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要有以下兩種方法：壓縮超短光脈沖所得到的寬頻譜和利用器件的非線性展寬脈沖的頻譜。 現(xiàn)在最流行的也報(bào)道得最多的是利

14、用光纖或光放大器的非線性產(chǎn)生超連續(xù)譜。其中利用光纖產(chǎn)生寬連續(xù)譜最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。據(jù)報(bào)道，所采用的光纖類型不同，產(chǎn)生連續(xù)譜帶寬也不同。比如在兩頭粗中間拉細(xì)的特種光纖中（見圖11）16，產(chǎn)生的連續(xù)譜就很寬，可調(diào)諧波長范圍為500nm-1600nm。泵浦源端的光纖長為3cm，拉細(xì)光纖長度為15cm，尾纖輸出端為15cm。該連續(xù)譜在后段標(biāo)準(zhǔn)電信光纖中輸出Raman脈沖，可調(diào)諧波長幅度達(dá)200nm，Raman脈沖波長調(diào)諧范圍為1400nm-1600nm。脈沖頻譜帶寬為20nm，相當(dāng)于脈寬130fs的邊帶極限脈沖。當(dāng)改變輸入入射功率，則Raman孤子波長也發(fā)生改變。這種激光器就是以改變泵浦功率來改變波長。 5

15、.3 鎖模光纖激光器連續(xù)調(diào)諧多波長鎖模激光器一直是激光技術(shù)很活躍的研究領(lǐng)域。OFC2001和OFC2002中多篇論文報(bào)道了該類光纖激光器技術(shù)1718。LI等報(bào)道了利用色散補(bǔ)償光纖（DCF）增加腔內(nèi)色散，在主動(dòng)鎖模光纖環(huán)形激光器中實(shí)現(xiàn)了3個(gè)波長的激光輸出，并通過調(diào)節(jié)調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)了單波長和雙波長的連續(xù)調(diào)諧。現(xiàn)已研制成功線寬窄到2kHz的激光器、調(diào)諧范圍達(dá)到75nm的寬調(diào)諧光纖激光器以及重復(fù)頻率達(dá)到21GHz的高重復(fù)頻率光纖激光器。 圖12是基于NOLM的鎖模光纖激光器的工作原理圖19。平常常見的基于NOLM光纖激光器只由NOLM環(huán)組成，沒有圖12的3dB耦合器上的兩個(gè)支路，主要是用來產(chǎn)生壓縮后的超短激光脈沖，不具有鎖模功能。圖12所示的是改進(jìn)的NOLM光纖激光器，能進(jìn)行亮暗脈沖轉(zhuǎn)換，能選擇脈沖波長，產(chǎn)生高重復(fù)率的