多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器

1、如圖為短脈沖高功率1.5微米光纖激光器平均功率能達(dá)到1W,可調(diào)節(jié)的脈沖寬度達(dá)到ns可調(diào)節(jié)的重復(fù)頻率達(dá)到MHz什么是光纖激光器可以應(yīng)用于激光雷達(dá)/雷達(dá)、遙感、測(cè)距光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放 大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì) 的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。 光纖激光器的特點(diǎn)光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，可方便地與目前的光纖通 信系統(tǒng)高效連接，構(gòu)成的激光器具有高轉(zhuǎn)換效率、低閾值、高增益、輸出光束質(zhì)量好和線寬 窄等特點(diǎn)；由于光纖具有

2、極好的柔繞性，激光器可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易 于系統(tǒng)集成、性能價(jià)格比高；與固體、氣體激光器相比：能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、適合批量生產(chǎn)； 與半導(dǎo)體激光器相比：?jiǎn)紊院?，調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的啁啾和畸變小，與光纖耦合損耗小。光纖激光器的分類按諧振腔結(jié)構(gòu)分類為F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔等。按激光輸出波長(zhǎng)數(shù)目分類為單波長(zhǎng)光纖激光器和多波長(zhǎng)光纖激光器。按輸出激光特性分類為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器按光纖材料分為晶體光纖激光器、非線性光學(xué)型光纖激光器、稀土類（如鉺）摻雜光纖 激光器、塑料光纖激光器等隨著高容量光纖通信網(wǎng)的發(fā)展，波分復(fù)用技術(shù)得以廣泛的采用，

3、它要求多波長(zhǎng)光源 具有波長(zhǎng)間隔小、線寬窄、功率譜平坦等特點(diǎn)。因此滿足波分復(fù)用技術(shù)要求的多波長(zhǎng)光 纖激光器成為研究的重點(diǎn)多波長(zhǎng)光纖激光器基本結(jié)構(gòu)1、增益介質(zhì)就增益介質(zhì)而言，多波長(zhǎng)光纖激光器通常采用光纖放大器（如摻稀土光纖放大器和拉曼光 纖放大器作為增益介質(zhì)，這將使得其具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，多個(gè) 波長(zhǎng)同時(shí)共用同一增益介質(zhì)將導(dǎo)致較強(qiáng)的模式競(jìng)爭(zhēng)，要獲得多波長(zhǎng)同時(shí)穩(wěn)定振蕩，這是首先 必須考慮的問題。然而，大多摻稀土光纖放大器為均勻展寬的增益介質(zhì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多 波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)是非常不利的，必須采用一些輔助手段來抑制或削弱它們的均勻展寬特性。（EDFA）多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器常采用液氮制冷光

4、纖至77k、聲光頻移位調(diào)制和非 線性光學(xué)效應(yīng)等輔助技術(shù)來抑制摻餌光纖的均勻展寬。2、諧振腔在多波長(zhǎng)光纖激光器中，諧振腔起到至關(guān)重要的作用一完成多波長(zhǎng)選模。在大多實(shí)際情 況下，多波長(zhǎng)激光器要求相等波長(zhǎng)間隔（ITU叮標(biāo)準(zhǔn)通信間隔200GHz、100GHz、50GHz 和25GHz）激射。為實(shí)現(xiàn)這一目的，通常需要借助梳狀濾波器才能滿足要求目前，常用于多波長(zhǎng)激光器的梳狀濾波器有如下幾種:法布里一拍羅標(biāo)準(zhǔn)具，馬赫一澤德干 涉儀，特殊的光纖光柵及保偏光纖sagnac環(huán)濾波器。3、泵浦源泵浦激光器使用光源的主要目的是將電能有效地轉(zhuǎn)換成輻射能，并在給定的光譜帶上產(chǎn) 生高的輻射通量。最有效的激光泵浦燈將使激光材

5、料在激發(fā)熒光的波長(zhǎng)上產(chǎn)生最大的發(fā)射，而在有效吸收 帶之外的所有光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生最小的發(fā)射。所以一旦選定了激光增益介質(zhì)，其泵浦源一般 也基本確定。如果選用摻餌光纖作為增益介質(zhì)，泵浦源一般選用980nln或1480nm的激 光源如果選用半導(dǎo)體光放大器作為增益介質(zhì)，大多采用電泵浦方式完成如果選用拉曼光纖放大器作為增益介質(zhì)，根據(jù)所采用拉曼光纖的拉曼頻移量大小及目標(biāo)激 射波長(zhǎng)，其拉曼泵浦波長(zhǎng)也是基本確定的。（1）摻餌光纖激光器（EDFL）的激射原理E由于摻餌光纖激光器的激射波段正好位于常用的1550nm通信波段，具有較低的閉值和較高 的增益，使其成為了光纖通信系統(tǒng)的重要光源而得到廣泛 的應(yīng)用。一般情況下，

6、光纖激光器按照摻雜離子能級(jí)結(jié)構(gòu)不同可可 分為三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)摻餌光纖激光器的能級(jí)系統(tǒng)可視為三能級(jí)系統(tǒng)，摻餌光纖 （EDF）經(jīng)過980nm或1480nm的泵浦激光器泵浦之后可 以激射出中心波段為1550nm左右的激光。如圖3.1所示，三能級(jí)系統(tǒng)的三個(gè)能級(jí)分別為基態(tài)能級(jí)E1， 亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2，高能級(jí)E3。三能級(jí)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式如下，首 先粒子被泵浦從基態(tài)能級(jí)E1抽運(yùn)到高能級(jí)E3,之后粒 子通過無輻射躍遷的方式從高能級(jí)E3快速的轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn) 態(tài)能級(jí)E2上。由于粒子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2上的壽命較長(zhǎng)，因 此粒子將會(huì)在能級(jí)E2上大量的積 累，也就導(dǎo)致了亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2和高能級(jí)E3之間的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。最后粒子會(huì)以受

7、激輻 射的形式躍遷到基態(tài)E1并產(chǎn)生光子，然后經(jīng)過 諧振腔振蕩從而產(chǎn)生激光最后輸 出。（2）環(huán)形腔摻餌光纖激光器的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)形腔是光纖激光器中常用的一種 諧振腔。由于環(huán)形腔可以有效的避 免空間如圖給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)形腔燒孔效應(yīng)，所以在激光器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常被用到。光纖激光器的示意圖。WDM耦合器將泵浦光藕合進(jìn)入環(huán)形腔，摻餌光纖作為增益介質(zhì)提供 增益，隔離器保證激光的單向運(yùn)轉(zhuǎn)，偏振控制器用來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振態(tài)。（3）均勻展寬與非均勻展寬相比單波長(zhǎng)的摻餌光纖激光器，多波長(zhǎng)摻餌光纖激光器的發(fā)展相對(duì)緩慢，主要是因?yàn)閾?餌光纖的均勻展寬導(dǎo)致了不能實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的激射。一般來說光譜展寬的類型分為均勻展寬和 非均勻展

8、寬兩種。非均勻展寬：在非均勻展寬的情況下，由于不同運(yùn)動(dòng)速度的粒子對(duì)譜線展寬范圍內(nèi)0 =】* -GJ%) x (1 -嗎_嗎)i+E+豚的各個(gè)頻率的貢獻(xiàn)均不相同，只有特定的粒子才能在某個(gè)頻率處受激輻射，其它的粒子不會(huì) 與之相互作用。與均勻展寬相比，非均勻展寬的最大區(qū)別就是各個(gè)粒子在受激輻射時(shí)只對(duì) 特定的頻率有貢獻(xiàn)，表現(xiàn)為相對(duì)的 獨(dú)立性。均勻展寬：由于原子自發(fā)爭(zhēng)沖 Wl 匕GW) (1E) Fat* = GJ, - %/廣 I2G. ( (1-寸 J - aat輻射產(chǎn)生的譜線并不是單一頻率 的，而是會(huì)占據(jù)一定的頻譜寬度， 如果這種頻譜展寬是由于受激態(tài)的 有限壽命引起的，則稱之為均勻展 寬。均勻展寬

9、是由增益介質(zhì)中的各粒子對(duì)于某一確定的能級(jí)躍遷具有相同的光譜線展寬造成 的。均勻展寬的最大特點(diǎn)就是各個(gè)粒 子在每個(gè)頻率強(qiáng)度上都有相同的貢 獻(xiàn)，而且這些貢獻(xiàn)的幾率分布也是相 同的。（4）多波長(zhǎng)激光穩(wěn)定輸出條件假設(shè)在激光腔內(nèi)同時(shí)有兩個(gè)頻率 分別為可和叭的參在本征模式形成振蕩，則增益飽和 時(shí)兩個(gè)頻率的光的增益系數(shù)分別為：KnKK.nK由增益系數(shù)公式我們可以得到雙波長(zhǎng)激光腔內(nèi)的速率方程為:其中al和a2分別為兩波長(zhǎng)的腔內(nèi)損耗，根據(jù)常微分方程組的特性我們可以知道，以上方程 組要有穩(wěn)定解，即是激光腔內(nèi)兩個(gè)模式能夠穩(wěn)定振蕩必須足以下條件：又稱為弱光束藕合條件，即當(dāng)激光腔內(nèi)的交義增益飽和小于自增益飽和時(shí)，激光腔

10、內(nèi)才有可 能形成穩(wěn)定的雙波長(zhǎng)振蕩。交叉增益飽和系數(shù)反映了一個(gè)模式的光在激活介質(zhì)中消耗的反 轉(zhuǎn)粒子數(shù)對(duì)另一個(gè)模式的光的增益的影響。自增益飽和系數(shù)即為該模式對(duì)自身增益的影響（5）抑制多波長(zhǎng)摻餌光纖激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)要獲得穩(wěn)定的激光諧振，必須使增益交叉飽和小于自我飽和。而在均勻展寬的增益介質(zhì) 中，增益交叉飽和 與自我飽和相 等，導(dǎo)致了模式競(jìng)爭(zhēng)。因此，獲得穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光振 蕩的條件是產(chǎn)生弱光耦合。許多簡(jiǎn)潔且適用的技術(shù)已被陸續(xù)地提出用來抑制多波長(zhǎng)摻餌光纖激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)，常 見的有：1）通過特殊設(shè)計(jì)摻餌光纖（如雙芯摻餌光纖、多模摻餌光纖）并利用它們的空間燒孔效應(yīng)來削弱其非均勻展寬;2）通過在激光腔內(nèi)引入

11、一些非線性光學(xué)效應(yīng)（如四波混頻、非線性偏 振旋轉(zhuǎn)、布里淵散射、非線性腔損耗等）來抑制摻餌光纖的均勻展寬。（6）多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器發(fā)展趨勢(shì)從以上所討論的各種技術(shù)的多波長(zhǎng)E D F L可以看出，對(duì)多波長(zhǎng)E D F L 的研究旨在減少或消除因E D F的均勻展寬而造成的模式競(jìng)爭(zhēng)和輸出不穩(wěn)定。 目前已經(jīng)報(bào)道的多波長(zhǎng)EDFL都具有較窄的增益頻譜，因此限制了更多波長(zhǎng)的 激光振蕩。密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的成熟對(duì)多波長(zhǎng)激光器的性能也提出了更 高的要求。另外，由于增益介質(zhì)和激光腔的設(shè)計(jì)仍是制作高性能、低成本多波 長(zhǎng)光纖激光器的關(guān)鍵，如何改善目前多波長(zhǎng)E D F L中E D F過長(zhǎng)而產(chǎn)生的 對(duì)環(huán)境敏感等因素和使得輸