5.掺铒光纤激光器的工作原理(2)

收稿日期：2014-4-29；收到修改稿日期：2014-5-15 基金项目：无 作者简介：郭冰清（1993-） ，女，本科生，光电子技术科学 2011 级。E-mail: 导师简介：胡明列（1978-） ，男，博士后，教授，目前研究方向为超短脉冲激光技术和光子晶体光纤 技术。E-mail: *通信联系人。E-mail: 1 掺铒光纤激光器的工作原理 郭冰清 刘昭 韩达明 张红伟 （天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津 300072） 摘要 光纤激光器由于其特有的优点，近些年受到广泛关注和研究，而掺铒光纤 激光器（EDFL）则是几种比较成熟的光纤激光器之一。本文主要介绍了掺铒光 纤激光器的工作原理，包括掺铒光纤激光器铒离子能级结构、泵浦机制和增益 谱线，以及五种常见的谐振腔型，并对可调谐掺铒光纤激光器和多波长掺铒光 纤激光器的工作原理进行了简单介绍。之后简述掺铒光纤激光器的特点，比较 了掺铒光纤激光器与其他激光器的优势所在，并在此基础上详述了掺铒光纤激 光器在光纤通信及光纤传感方面的应用及问题。最后对掺铒光纤激光器的发展 进行了展望。 关键词 激光器；工作原理和应用；掺铒光纤激光器；谐振腔 中图分类号 TN248 文献标识码 A The Working Principle of Doped Fiber Laser GUO Bing-qing, LIU Zhao, HAN Da-ming, ZHANG Hong-wei (College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300072,China) Abstract In recent years, the optic fiber lasers are paid much attention and researched, due to its special advantages. And erbium-doped fiber laser is one of the several mature fiber lasers. This paper mainly introduces the working principle of erbium-doped fiber laser, including energy level structure of erbium ion, pumping mechanism, resonant cavity, gain spectrum, and five common resonant cavity. The principle of tunable erbium-doped fiber laser and multi wavelength erbium-doped fiber laser are introduced. After that, the paper introduces the characteristic of erbium- doped fiber laser, and the advantages comparing with other laser. And on this basis, its application in fiber communication and fiber sensing is elaborated. Finally, the prospects for the future of erbium-doped fiber laser are presented. Key words lasers; working principle and application; erbium-doped fiber lasers; resonator OCIS codes 140.3500; 140.3510; 140.3430 2 1 引 言 掺 稀 土 元 素 光 纤 激 光 器 是 利 用 在 光 纤 中 掺 杂 稀 土 元 素 引 起 的 增 益 机 制 ， 通 过 引 入 反 馈 ， 实 现 激 光 振 荡 的 。 掺 杂 光 纤 激 光 器 具 有 结 构 紧 凑 、 微 型 化 、 全 固 化 以 及 与 传 输 光 纤 的 通 融 性 等 特 点 ， 其 可 调 参 数 多 ， 选 择 范 围 宽 。 另 外 ， 由 于 光 纤 很 细 ， 所 以 在 光 纤 内 可 形 成 高 功 率 密 度 。 特 别 是 掺 铒 光 纤 激 光 器 作 为 一 种 高 性 能 激 光 源 ， 受 到 越 来 越 多 的 关 注 。 掺 铒 光 纤 具 有 80 nm 宽 的 增 益 谱 轮 廓 ， 其 工 作 波 长 恰 好 落 在 光 纤 通 信 的 最 佳 波 长 区 （ 1.311.55 m） ， 增 益 比 较 高 ， 而 且 需 要 的 泵 浦 功 率 也 比 较 低 。 由 于 掺 铒 光 纤 本 身 就 是 增 益 介 质 ， 所 以 与 线 路 的 耦 合 损 耗 很 小 ， 噪 声 低 。 因 此 掺 铒 光 纤 激 光 器 广 泛 应 用 于 大 容 量 长 距 离 光 纤 通 信 和 DWDM 系 统 以 及 光 纤 传 感 中 。 2 掺 铒 光 纤 激 光 器 的 工 作 原 理 2.1 掺铒光纤激光器的基本结构 掺铒光纤激光器最本质的工作原理就是光的受激辐射放大。作为增益介质 的掺铒光纤在泵浦源的作用下，Er 3+受激跃迁到抽运高能级，然后迅速通过无 辐射跃迁到达激光上能级，当泵浦功率足够大时，即可在激光上能级和激光下 能级实现集居数反转。进一步引入各种形式的正反馈，使光在增益介质中往返 通过，即可实现光的受激辐射放大。当光达到极高的强度，即可形成激光输出， 从而构成掺铒光纤激光器。由此可见掺铒光纤激光器包含三个重要的部分：第 一是使光受激辐射放大的增益介质；第二是激发增益介质的泵浦源；第三是使 光子得到反馈并在增益介质中进行放大的谐振腔。下面我们将从这三个方面出 发详述掺铒光纤激光器的工作原理。最后简单介绍两种常用掺铒光纤激光器。 2.2 铒离子的能级结构 掺铒光纤激光器是利用掺入石英光纤或氟化物光纤中的铒离子作为增益介 质。铒(E r)是一种稀土元素(属于镧系元素)，原子序数是68，原子量为167.3。 铒离子的电子能级如图1所示，E r3+的吸收过程主要发生在以下能级之间：从基 3 态 4I15/2到 4I9/2对应800 nm波长，从 4I15/2到 4I11/2对应980 nm波长，从 4I15/2到 4I13/2对应1480 nm波长。E r3+的发射过程主要发生在从 4I13/2到 4I15/2能级，对应 1530 nm波长。 图 1 铒离子的电子能级 Fig. 1 Electronic energy levels of erbium ions 2.3 掺铒光纤激光器的泵浦机制和光谱性质 在光纤中，石英的非晶特性使铒离子的能级展宽为带状。许多跃迁可用来 泵浦铒离子，其中最有效的泵浦波长是 980 nm 和 1480 nm。以 980 nm 的半导 体激光器做泵浦源时，处于基态 4I15/2的 Er3+吸收了泵浦光跃迁到 4I11/2能级， 然后又通过无辐射跃迁到达亚稳态 4I13/2能级，在 4I13/2和基态之间形成了集居 数反转，可产生波长为（15301560 nm）间的激光。上述过程对应于典型 的三能级系统。铒离子的三能级结构如图 2 中的右图。当采用波长为 1480 nm 的泵浦光时，基态（E 1）Er 3+被激励到 4I13/2能带中的高能级（ E3） ，然后通过无 辐射跃迁到达 4I13/2能带中的低能级（E 2） ，在 E2和 E1能级间形成粒子数反转， E2和 E1能级上的 Er3+数分布服从玻尔兹曼分布。由于 E2和 E3能量差较小，E 3 能级上的粒子数不为零，这是和典型的三能级系统不同的，可称之为准三能级 系统 1。其他的能级对应着更为复杂的物理现象，例如激发态吸收（ESA） ，而 对于 980 nm 和 1480 nm 泵浦带而言，不会发生 ESA，因此我们在实验中广泛使 Erbium ion energy level diagram Pump state Metastable Ground state 4 用 980 nm 和 1489 nm 作为掺铒光纤的泵浦光源。 图 2 铒离子的泵浦机制 Fig. 2 pump mechanism of Erbium ion 图 3 为掺铒光纤的荧光光谱。由图我们可以看出，掺铒光纤拥有约 80 nm（1530 nm1610 nm）的增益谱宽，这是实现可调谐掺铒光纤激光器和多波 长掺铒光纤激光器的基础。目前，C 波段（1530 nm1565 nm）的 EDFL 已获 广泛应用。为了充分利用光纤的带宽资源，人们又致力于发展 L 波段（1570 nm1610 nm）的 EDFL。但是由图可见掺铒光纤的增益是不平坦的，而 L 波段 正处于掺铒光纤增益谱的尾部，因此 L 波段的 EDFL 必须采用更长的光纤和更 高的泵浦功率，或采用高掺杂的光纤。 图 3 掺铒光纤的荧光光谱 Ground state Metastable Pump state Wavelength/nm Gain factor/dBm -1 5 Fig. 3 fluorescence spectrum of Erbium-doped fiber 2.4 常见的掺铒光纤激光器的谐振腔 按照谐振腔的结构，可将掺铒光纤激光器分为 F-P 型掺铒光纤激光器、光 纤谐振腔掺铒光纤激光器、光纤光栅掺铒光纤激光器、环形腔掺铒光纤激光器。 现分别对以上腔形介绍如下： 2.4.1 F-P 形腔 图 4 中为 F-P 型腔掺铒光纤激光器。其中二色反射镜使泵浦光完全透过， 使腔内激光完全反射，输出端为部分反射镜。掺铒光纤作为增益介质，光纤在 腔内受激辐射放大后形成激光输出 1。该腔形要求光纤端面与镜面紧密相接， 以减少反射损耗，然而，这种结构常出现以下问题：1）光纤端面与镜面存在间 隙；2）光纤端面成劈形；3）光纤端面与镜面安装成倾角；4）光纤端面形成凹 面 2。所有这些情况将对激光输出产生不好的影响，并且镜面的膜层可能因为 较高的泵浦功率而受到破坏。因此这种激光器很难得到实际应用。 图 4 F-P 型掺铒光纤激光器 Fig. 4 F-P-type erbium-doped fiber laser 2.4.2 光纤谐振腔掺铒光纤激光器 图 5 为光纤谐振腔掺铒光纤激光器。掺铒光纤两端与两个 Sagnac 光纤环镜 相接。Sagnac 光纤环镜由一个光纤耦合器及光纤组成。左端光纤环镜的耦合器 对波长为 的腔内激光的耦合率是 50%，腔内激光入射至耦合器时在光纤环内 形成强度相等的顺时针和逆时针传播的光，当它们再次在输入端相遇时经历了 Pump Dichroic mirror Partial mirror EDF Output 6 相同的相移，干涉相长的结果使其完全反射回腔内。由于此光纤环镜的耦合器 对波长为 p 的泵浦光的耦合率近似为零，因而使泵浦光完全透过，因此，左 端光线环镜相当于二色反射镜。输出端（即右端）Sagnac 光纤环镜耦合器的耦 合率偏离 50%，因此相当于部分反射镜 1。 图 5 光纤谐振腔掺铒光纤激光器 Fig. 5 Fiber resonator erbium-doped fiber laser 2.4.3 光纤光栅激光器 自 Kashyap 首次将光纤光栅应用于光纤激光器以来, 光纤光栅激光器愈受 重视。光纤光栅激光器具有与光纤的兼容性好、结构简单、波长选择容易、窄 线宽、抗电磁干扰能力强、稳定性高等优点 3。 图 6 为 DBR 掺铒光纤激光器。其特点是将光纤光栅直接刻写在掺铒光纤的 两端，与增益区分开。光纤光栅对腔内激光全反射或部分反射，对泵浦光则高 度透射。可见光纤光栅的作用类似一个具有波长选择作用的反射镜面，将位于 光栅最大反射率附近的一定波长的纵模分离出来，所以我们可将 DBR 光纤激光 器理解为反射率与频率有关的端面式 F-P 腔激光器 1,4。 图 6 DBR 掺铒光纤激光器 Fig. 6 DBR erbium-doped fiber laser 图 7 为 DFB 掺铒光纤激光器。其特点是光纤光栅直接刻写在掺杂光纤上。 EDF Pump Output Fiber loop mirror Fiber loop mirror Couple Pump FBG FBG EDF Output 7 衍射光栅使增益介质内的折射率或增益产生周期性变化，通过前向波与反向波 的耦合，实现了分布式的光反馈。如果某一个模式的阈值增益明显小于其他模 的阈值增益，就可以实现这一模式的动态单模工作。和 DBR 光纤激光器相比， DFB 光纤激光器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, 还避免了分布布拉格反射激光器谐振腔中掺铒光纤与光栅的熔接损耗 1,4。 图 7 DFB 掺铒光纤激光器 Fig. 7 DFB erbium-doped fiber laser 2.4.4 环形腔掺铒光纤激光器 图 8 为环形腔掺铒光纤激光器。泵浦光经过波分复用（WDM）耦合器注入 腔内，隔离器保证环内激光单向运行。光在环形腔内循环运行经过受激辐射放 大，最后形成激光输出。其优点是光不是在腔内形成驻波，而是光强沿轴向均 匀分布，不存在空间烧孔现象，因而可以得到单纵模振荡。缺点是因为所用掺 铒光纤较长，模式间隔小, 常发生模式跳跃(较 DBR、DFB 光纤激光器严重) , 且需要一些价格昂贵的元件 1。 图 8 环形腔掺铒光纤激光器 Pump OutputEDF FBG 8 Fig. 8 ring resonator Erbium-doped fiber ring cavity laser 2.5 两种常用的掺铒光纤激光器 2.5.1 多波长掺铒光纤激光器 由上文我们已知掺铒光纤可提供几十纳米左右的增益带宽，如果在谐振腔 内采用梳状滤波器直接进行光谱选择，理论上若在各频率处达到阈值，增益带 宽内的任意一个波长都可能形成激光输出，这就是多波长掺铒光纤激光器的基 本原理。但是常温下，掺铒光纤具有均匀加宽的性质，当多波长激光器输出的 波长间隔小于均匀加宽线宽时，就会产生很严重的模式竞争，无法实现稳定的 多波长输出。可以利用 77 K 液氮使掺铒光纤冷却来抑制均匀加宽效应，但是这 种方法很难实现实用化。因此目前我们还常采用其他机制实现室温下的多波长 输出，例如基于频移反馈技术的多波长产生机制；基于四波混频技术的多波长 产生机制；基于受激布里渊散射的多波长产生机制；基于偏振烧孔效应的多波 长产生机制。 2.5.2 可调谐掺铒光纤激光器 可调谐 EDFL 同样是基于掺铒光纤几十纳米的增益带宽，在回路中加入滤 波元件即可控制激光器的激射波长，实现波长的可调谐性。可调谐滤波器是可 调谐激光器的关键元件，常用的有 F-P 滤波器、光纤布拉格光栅、光纤环形镜、 介质薄膜滤波器、M-Z 干涉仪和声光可调谐滤波器。 3 掺 铒 光 纤 激 光 器 的 特 点 （1）掺铒光纤激光器可以提供光纤通信第三窗口（1550 nm 波段）的宽带 可调谐窄带激光光源，而且具有低阈值、高功率、高信噪比、高温度稳定性、 易与光纤系统集成等优点，是未来高速大容量光纤系统的理想选择 57； （2）掺铒光纤具有很高的抽运和增益效率，其增益谱很宽，可实现在宽频 谱范围调谐和窄线宽输出 710； （3）掺铒光纤激光器易于与光纤元件耦合；可以工作在连续状态下，也可 以脉冲方式工作 11； 9 （4）由于光纤具有较高的光学破坏阈值, 采用调 Q 技术可以在掺铒光纤 激光器中输出高峰值功率的短激光脉冲； （5）采用锁模技术可以在掺铒光纤激光器中产生脉宽更窄、重复频率更高 的脉冲； （6）由于光纤的非线性效应，在锁模掺铒光纤激光器中可以产生飞秒光孤 子脉冲 12； （7）与半导体激光器相比，光束质量较好，噪声较低； （8）由于掺铒光纤放大器(EDFA) 的广泛应用，掺铒光纤激光器相关元 器件的产业化水平高。 4 掺 铒 光 纤 激 光 器 的 应 用 基 于 掺 铒 光 纤 激 光 器 以 上 特 点 ， 掺 铒 光 纤 激 光 器 成 为 未 来 高 速 大 容 量 光 纤 通 信 系 统 的 理 想 选 择 ， 同 时 ， 也 可 为 系 统 测 试 和 光 纤 传 感 提 供 理 想 的 光 源 。 在 此 ， 我 们 将 对 掺 铒 光 纤 激 光 器 在 光 纤 通 信 和 光 纤 传 感 中 的 应 用 进 行 详 细 介 绍 。 4.1 掺 铒 光 纤 激 光 器 在 光 纤 通 信 中 的 应 用 4.1.1 光纤通信系统的发展过程 光纤通信在短短 30 多年中，得到了飞速的发展，可将其大致归纳为五代 13： 1973 年-1976 年为第一代光纤通信系统。其特征是：采用 850 nm 短波长 多模光纤，光纤损耗为 2.5-3 dB/km,光源使用砷化铝镓半导体激光器。以 1977 年美国亚特兰大进行的现场实验为标志，于 1978 年进入现场试用。 1976 年-1982 年为第二代光纤通信系统。通信业对第一代系统进行了升级 改造，采用 1310 nm 长波长多模或单模光纤，光纤损耗为 0.55-1 dB/km，相应 的光源是长波长 InGaAsP/InP 半导体激光器。这一代于 1982 年开始陆续投入 10 使用。 1982 年-1988 年为第三代光纤通信系统，采用 1310 nm 长波长单模光纤， 光纤损耗降至 0.3-0.5 dB/km，传输信号为准同步数字系列（PDH ）的各次群 路信号，于 1983 年以后陆续投入使用，是光纤通信重点推广应用阶段。 1988 年-1996 年为第四代光纤通信系统。光纤通信系统容量得到了迅速扩 充，光纤传输波长转向 1550 nm，光纤损耗进一步降至 0.2 dB/km,主要用于建 设同步数字系列（SDH）同步传送网络，并开始采用掺铒光纤放大器 （EDFA ）和波分复用（WDM）等新型器件。 1996 年至今为第五代光纤通信系统。主要特征是：采用密集波分复用 （DWDM）技术的全光网络开发与应用。充分利用光纤低损耗波段潜在容量实 现传输系统的急剧扩容。可以预见，DWDM 技术的发展将会对现行的光纤网络 带来深刻的变革。 4.1.2 DWDM 系统中存在的问题 随着密集波分复用系统（DWDM）的发展，一根光纤上传输的波长数越来 越多。为了保证光纤通讯系统的可靠性，每个通信波长对应的光源都需要一个 备份，如果使用固定波长激光器作为备份激光器，当波长数很大时，数量庞大 的备份无疑会大大增加成本和系统的复杂度 14。在此，我们考虑用 EDFL 解决 这一问题。 4.1.3 EDFL 在光纤通信中的应用和未来发展方向 由上文知，EDFL 配合可调谐滤波器，如光纤法布里帕罗干涉仪（FFPI） 或者光纤布拉格光栅（FBG ） ，即可组成可调谐激光器，可调谐 EDFL 具有自身 的优点：由于增益介质即掺杂光纤可以做得较长，所以激光器振荡阈值很低， 因此用小功率半导体激光器泵浦就能够实现激光的输出，而且适当选择掺杂光 纤的长度可以使得整个系统得到优化；光纤激光器可以获得很宽的振荡波长范 围，比如用一段掺铒光纤就能同时实现 C 波段和 L 波段的输出 2。光纤激光器 的输出端口本身就是光纤，这使它在耦合效率方面具有其他光源无可比拟的优 11 势。 除此之外，DWDM 技术还对多波长激光器有大量的需求。目前 DWDM 通 信系统中使用的激光器大多是单波长光源，因此每一个信道对应一个光源，不 仅使光源数目庞大，而且给系统扩容带来了困难，因为每增加一个信道就要增 加一个激光器。如果多波长激光器输出的波长间隔能符合 ITU-T 的相关规定， 那么一个多波长激光器就可以代替多个单波长激光器作为发射源，从而大大减 少光源数目。已有报道用 EDFL 成功实现符合 DWDM 信道间隔的多波长输出， 由此可见，EDFL 在这一领域大有可为。总之，可调谐 EDFL 和多波长 EDFL 在 DWDM 系统中有很好地应用前景。 4.2 掺铒光纤激光器在光纤传感中的应用 光纤传感技术是随着光通信技术的发展而逐渐形成的。在实际的光传输过 程中，由于外界温度、电磁场、压力等因素，可能引起光波参数如相位、波长、 偏振等的变化 15。因此，如果检测到光波参数的变化，就能知道造成这种变化 的物理参数的大小，由此产生了光纤传感技术。与传统传感器相比，光纤传感 器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、耐腐蚀、体积小、重量轻等优势。目前 以广泛应用于航天、军事和民用领域 16,17。 4.2.1 光纤传感技术的发展 20 世纪 60 年代，激光的出现使基于光属性的监测技术得到了迅猛的发展。 20 世纪 80 年代，光纤的出现使人们认识到光纤传感器将有广阔的应用前景。 20 世纪 90 年代后期，光通信带动了光纤传感器的发展，形成了五大应用领域。 21 世纪之后，基于复用技术和数据融合模型的传感器网络成为光纤传感技术的 研究热点之一。经过几十年的发展，传感器技术已成为当代科学技术发展的一 个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一 16。 4.2.2 掺铒光纤激光器在光纤传感中的主要应用形式及存在问题 在 EDFA 中，Er 3+放大的自发辐射形成的噪声光源可以为系统提供很宽的 宽带光源，其谱宽可以覆盖 C 波段和 C+L 波段，因此可作为光纤传感器的理想 12 光源 15。可以将掺铒光纤激光器输出的激光经过耦合器进入传感光纤。调谐光 源输出光的中心波长，并扫描传感光栅的反射光谱。当光源的输出光谱发生变 化时，光电探测器接收到的光强也会发生变化。理论上，当输出激光光源与传 感光纤光栅的中心波长完全匹配时，光电探测器接收到的光强达到最大值。因 此，可根据光电探测器接受光强最大时的激光光源输出波长来得到光纤光栅的 反射波长，从而检测到由于温度或压力等外界因素导致传感光栅波长的微小位 移。与半导体激光器相比，EDFL 体积小，重量轻；可以很容易的耦合到光纤 传感系统中，损耗很低；光纤直径较小，散热率较高，因此 EDFL 转化效率高， 且能在不进行主动冷却的条件下保证连续工作；EDFL 在高频调制情况下啁啾 效应较小，抗电磁干扰能力强，线宽窄。但是 EDFL 光源的价格相对较高，在 今后的发展中，一方面要改善光纤激光器的性能结构，另一方面也要提升光纤 传感器自身的品质。两种技术更加深度的融合，将使其在高精度，长距离传感 领域有更大的应用潜力 8,18。 5 结论 由于掺铒光纤激光器可以提供光纤通信第三窗口（1550 nm 波段）的宽带 可调谐窄带激光光源，而且具有低阈值、高功率、高信噪比、高温度稳定性、 易于与光纤系统集成等优点。且掺铒光纤具有很高的抽运和增益效率，其增益 谱很宽，可实现在宽频谱范围调谐和窄线宽输出等优点，掺铒光纤激光器能广 泛的应用于光纤通信中以及光纤传感中。相信随着日后科研更加深入，掺铒激 光器在光纤通信和光纤传感中应用过程中所遇到的问题都可以找到有效解决办 法，使其得到更好的应用。 参考文献： 1 Zhou Bingkun, Gao Yizhi, Chen Tirong. 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