（光学专业论文）多波长与包层泵浦er3yb3共掺光纤激光器的研究.pdf

摘要 在新一代超高速光纤通信系统中，波分复用( w d m ) 系统因其具有的可重 构性、透明性、兼容性等突出优点而成为光纤通信领域的研究热点和前沿。w d m 通信技术的发展对光纤器件提出了新的要求，各种新型光纤无源器件和有源器 件小断涌现出来。作为w d m 通信系统中的关键技术，掺铒光纤激光器和放大 器由于本身所具有的一系列优越性，受到越来越多的关注。 本论文以多波长掺铒光纤激光器和包层泵浦e r “y b 3 + 共掺光纤激光器为主 要研究对象，进行的研究工作如下： 1 多波长掺铒光纤激光器的实验研究： 1 )对基于保偏光纤光栅的可开哭双波长掺铒光纤激光器进行了实验研 究，使用刻写在保偏光纤上的光纤布喇格光栅作波长选择器件，通过调整偏振 控制器的状态，在室温下得到了稳定的双波长激光输出，波长间隔0 5 2 n m ，1 6 次重复扫描对应于每一波长的振幅变化及波长间振幅差异均小于0 2 d b 。 2 )对基于保偏光纤摩尔布喇格光栅的多波氏掺铒光纤激光器进行了实 验研究，利用一块均匀模板，通过对光纡拉伸及二次和三次紫外曝光的方法在 保偏光纤中写制出摩尔布喇格光栅，两光栅分别具有四个和六个透射峰。将光 栅作为波长选择器件及输出耦合器应用于线形腔掺铒光纤激光器中，液氮冷却 条件下得到了四个和六个波长的激光输出，波长最小间隔0 5 n r n 。 2 掺铒光纤激光器输出特性的实验研究： 1 )利用光滤波器实现了町调谐环形腔掺饵光纤激光器，并研究了输出 耦合比对激光输出功率和调谐带宽内功率波动的影响，以此来优化环形腔激光 器的输出特性。激光输出功率随输出耦合比变化，当输出耦合比在8 0 一9 0 之 间时，激光输出功率具有最大值。并且此时带宽范围内，激光的峰值功率波动 较小，具有较好的平坦度。 2 )提出了一种基于双折射光纤环镜的输出功率可控的掺铒光纤激光 器。利用双折射光纤环镜的滤波特性，将其作为对固定波长反射率可调的输出 腔镜应用在光纤激光器中，达到输山功率可控的目的，其动态变化范嗣超过 3 3 d b 。通过这种方法可以容易晌找到腔镜反射率的鼹佳值，以此来优化线形腔 光纤激光器的输出特性。 3 包层泵浦e r 3 + y b 3 + 共掺光纤激光器与放大器的实验研究： 1 ) 对基丁锥形光纤束( t a p e r e d f i b e rb u n d l e ，t f b ) 作为耦合装置的全 光纤化的e r 3 + y b 3 十共掺双包层光纤激光器进行了实验研究，分别利用光纤端面 及不同反射率的f b g 作为输出腔镜，得到了稳定的瞽波长激光输出。最大泵浦 功率为6 w 时，端面输出条件下激光器输出功率可达1 6 w ，斜率效率2 7 5 8 。 2 ) 研究了基于t f b 泵浦耦合器的全光纤化的e r 3 + 厂y 护+ 共掺舣包层光纤 放大器。当最大泵浦功率约为6 w 时，在1 5 5 0 n m 波长处得到了最大2 1 l w 的高 功率输出，功率转化效率达3 4 4 4 ，1 5 4 1 n m 波长附近得到了最大2 1 8 2 w 的饱 和输出功率，功率转化效率高达3 5 6 3 。在1 5 3 9 1 5 6 5 n m 波长范围内，当功率 为2 0 m w 的单信号输入时，信号经放大后的输出功率均大于2 w ，放大器的平均 增益大于2 0 d b ，增益不平坦度小于0 3 d b ，1 5 5 0 n m 附近噪声指数小丁6 d b 。 关键词：光纤激光器光纤放大器多波长双折身j 。光纤光栅偏振烧孔 输出特件光纤环镜e r 3 + ，y b 3 + 共掺包层泵浦全光纤 i i a b s t r a c t i nt h en e wg e n e r a t i o no fu l t r a s p e e df i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m )s y s t e mh a sb e c o m et h es u b j e c t o f n u m e r o u ss t u d i e sf o ri t sr e c o n f i g u r a t i o n ，t r a n s p a r e n c ya n d c o m p a t i b i l i t y t h e d e v e l o p m e n to fw d mt e c h n o l o g yc a l l sf o rn e wd e m a n d sf o ro p t i c a ld e v i c e s ，w h i c h a c c e l e r a t e st h ee m e r g e n c eo fv a r i o u sn o v e l p a s s i v ea n d a c t i v e o p t i c a l f i b e r c o m p o n e n t s a st h ek e yt e c h n o l o g yi nw d ms y s t e m ，e r b i u m d o p e df i b e rl a s e r sa n d a m p l i f i e r s h a v e a c q u i r e d m o r ea t t e n t i o n sf o rt h e i ri n h e r e n t a d v a n t a g e s m u l t i - w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rl a s e r sa n dc l a d d i n gp u m p e de r b i u m y t t e r b i u m c o d o p e df i b e rl a s e r s a r et h em a i nr e s e a r c hs u b j e c t si n t h i sp a p e r , a n dt h em a i n c o n t e n ii sl i s t e da sb e l o w ： 1 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm u l t i - w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rl a s e r s ： 1 ) t h ep r o p e r t yo fd u a l - w a v e l e n g t hs w i t c h a b l ee r b i u m d o p e df i b e r l a s e ri s e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d b yu t i l i z i n gb i r e f r i n g e n c e f i b e r b r a g gg r a t i n g a st h e w a v e l e n g t hs e l e c t i v ec o m p o n e n ta n dd i f f e r e n ts e t t i n g so ft h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r , s t a b l ed u a l w a v e l e n g t hl a s e ro u t p u ti so b t a i n e da tr o o mt e m p e r a t u r e t h ew a v e l e n g t h s p a c i n gb e t w e e na d j a c c n tl a s e r si s0 5 2 n m ，a n dt h el a s e ra m p l i t u d ev a r i a t i o n sa r eb o t h l e s st h a n0 2 d b 2 ) w e h a v e e x p e r i m e n t a l l y s t u d i e dt h e p r o p e r t y o f m u l t i w a v e l e n g t h e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rb a s e do nm o i r eg r a t i n g s t h em o i r eg r a t i n g sa l ef a b r i c a t e d b yu t i l i z i n gt h ep h a s em a s ka n du l t r av i o l e te x p o s u r et e c h n i q u e t h et w og r a t i n g s h a v ef o u ra n ds i xt r a n s m i s s i o nv a l l e y s ，r e s p e c t i v e l y b yu s i n gt h e s eg r a t i n g sa s w a v e l e n g t h s e l e c t i v ec o m p o n e n t sa n do u t p u tc o u p l e ri nal i n e a rc a v i t ye r b i u m - d o p e d f i b e rl a s er f o u ra n ds i xo u t p u tl a s e r sa r eo b t a i n e d t h em i n i m u m w a v e l e n g t hs p a c i n g i s0 5 r i m 2 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fe r b i u m - d o p e df i b e rl a s e r ： 1 ) t u n a b l er i n g c a v i t ye r b i u m d o p e df i b e rl a s e ri sa c h i e v e dw i t ha no p t i c a l f i l t e r w eh a v es t u d i e dt h ee f f e c to fc o u p l i n gr a t i oo no u t p u tl a s e rp o w e r , a c c o r d i n gt o w h i c ht h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fr i n gc a v i t yl a s e ri so p t i m i z e d t h co u t p u tl a s e r p o w e rc h a n g e sw i t hc o u p l i n gr a t i oo ft h eo u t p u tc o u p l e r m a x i m u mo u t p u tl a s e r p o w e re x i s t sw i t h i nc o u p l i n gr a t i oo f8 0 一9 0 f u r t h e r m o r e ，t h ef l a t n e s so fo u t p u t l a s e ri sf a i r l yg o o d 2 1a p o w e rc o n t r o l l a b l ee r b i u m d o p e df i b e rl a s e rb a s e do nb i r c f r i n g e n c ef i b e r l o o pm i r r o ri sp r e s e n t e d b yu t i l i z i n gb i r e f r i n g e n c ef i b e rl o o pm i r r o rt oa d j u s tt h e c a v i t yr e f l e c t i v i t y , t h eo u t p u tl a s e rp o w e ri sc o n t r o l l e dw i t h i nad y n a m i cr a n g eo f 3 3 d b m o r e o v e r , i ti se a s yt of i n dt h eo p t i m a lr e f l e c t i v i t yb yu s i n gt h ea b o v em e t h o d a c c o r d i n g l y , t h eo u t p u tf e a t u r eo fl i n e a rc a v i t yl a s e ri si m p r o v e d 3 s t u d yo nt h ec l a d d i n g p u m p e de r b i u m y t t e r b i u mc o d o p e df i b e rd e v i c e s ： 1 、w eh a v ep r e s e n t e da na l l - f i b e re r b i u m y t t e r b i u md o u b l e c l a d d i n gl a s e rw i t h t a p e r e df i b e rb u n d l ea st h ec o u p l i n gc o m p o n e n t i no u re x p e r i m e n t ，b yu s i n gt h ef i b e r f a c e ta n df b gw i t hd i f f e r e n t r e f l e c t i v i t y a sb a c k c a v i t ym i r r o r , s t a b l e s i n g l e w a v e l e n g t hl a s e ro u t p u ti sa c h i e v e d a st h ep u m p i n gp o w e ri sm a x i m i z e dt o 6 w , t h el a s e ro u t p u tp o w e ri nt h ec a s eo ff a c e tr e f l e c t i o nr e a c h e s1 6 w a n dt h es l o p e e f f i c i e n c yc o m e su pt o2 7 5 8 2 ) w eh a v e s t u d i e dt h ep r o p e r t yo fa l l - f i b e r e r b i u m y t t e r b i u mc o d o p e d d o u b l e - c l a d d i n ga m p l i f i e rw i t ht a p e r e df i b e rb u n d l ea st h ep u m p i n gc o u p l e r w i t h m a x i m u mp u m pp o w e ro f6w t h eh i g i l e s to u t p u tp o w e ra t1 5 5 0 n mi s2 1 l ww i t h p o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f3 4 4 4 am a x i m u ms a t u r a t e do u t p u tp o w e ro f 2 18 2 wa ta r o u n d15 4 1n mi sa c q u i r e d a n dt h ep o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr e a c h e s 3 5 6 3 f r o m1 5 3 9 n m 一1 5 6 5 n m ，w h e ns i n g l ec h a n n e li n p u tp o w e ri ss e tt o2 0 m w j t h ea m p l i f i e ds i g n a lp o w e ri sm o r et h a n2 wa n dt h ea v e r a g ee d f ag a i na c h i e v e s m o r et h a n2 0 d bw i t hg a i nf l a t n e s so fl e s st h a no 3 d b t h en o i s ef i g u r ea r o u n d 15 5 0 n mi sk e p t1 0 w e rt h a n6 d b k e y w o r d s ：f i b e rl a s e r ，f i b e ra m p l i f i e r , m u l t i w a v e l e n g t h s ，b i r e f r i n g e n c e ，f i b e rg r a t i n g ， p o l a r i z a t i o nh o l eb u r n i n g ，o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，f i b e rl o o pm i r r o r ，e r b i u m y t t e r b i u m c o - d o p e d ，c l a d d i n g ，p u m p e d ，a l l f i b e r 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 木学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 2 0 0 f 年5 月弓。日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月曰 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少f1 0 年) 机密2 0 年( 最氏2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导卜- ，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：李花 加口5 年5 月多d 日 第一章绪论 第一节光纤通信与w o n 系统 1 1 1 光纤通信发展概况 以光波载送信息，在光纤中进行信息传输，就形成了光纤通信方式。光纤 通信以其带宽资源丰富、抗干扰能力强、传输损耗低、保密性好等诸多优点， 给通信领域的发展带来了革命性变化。 光纤通信的发展是以1 9 6 0 年美国thm a i m a n 发明的激光器和1 9 6 6 年英籍 华人高琨等提出，1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司首先研制成功的低损耗石英光纤为 物质基础的【”。在这之后，随着通信业务需求的飞速增长，光纤通信朝着网络化、 智能化、超高速、大容量的方向发展。 光纤通信的发展主要经历了以下四个阶段： 第一阶段( 1 9 6 6 1 9 7 7 年) ：这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这 个时期，实现了短波长( o 8 5 v m ) 、低速率( 4 5 或3 4 m b s ) 、多模光纤通信系统， 无中继传输距离约1 0 k m 。 第二阶段( 1 9 7 6 1 9 8 6 年) ：这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目 标，大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，：r 作 波长从短波长( o 8 5 i _ t m ) 发展到长波长( 1 3 1 9 m 和1 5 5 v t m ) ，实现了工作波长 为1 3 l l x m ，传输速率为1 4 0 - 5 6 5 i v i b s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离为 5 0 1 0 0 k m 。 第三阶段( 1 9 8 6 1 9 9 6 年) ：这是以大容量长距离为目标、全面深入开展新 技术研究的时期。在这个时期，实现了1 5 5 i _ t m 色散位移单模光纤通信系统。采 用外调制技术，传输速率可达2 5 1 0 g b s ，无中继传输距离达1 0 0 1 5 0 k m 。掺铒 光纤放大器( e d f a ) 成熟并商业化，光孤子( s o l i t o n ) 通信被广泛研究。 第四阶段( 1 9 9 6 一) ：这个时期是以密集波分复用( d w d m ) 技术为主要研 究对象，追求的目标是超= 人容量、超高速率、超长距离。利用光放大器延长传 输距离，利用电时分复用( e t d m ) 提高单波k 的传输速率，利用d w d m 提高 第一辛绪论 单根光纤的传输容量，不断改进光纤的设计，采用一些新技术( 如新型调制格 式、纠错编码和各种色散管理技术等) 来克服传输损伤，利用光电集成( o e i c ) 和光子集成( p i c ) 来提高设备的性能并使之小型化，有力地推动了各种光纤通 信系统的更新换代。与此同时，传输容量的飞速增长带来的是对交换系统发展 的压力和动力，基f 波长路由概念而发展起来的全光网正是适应这种需要而诞 生的。 1 1 2 w d m 技术的出现及发展概况 2 0 世纪9 0 年代中期以前推出的光纤通信系统主要是以电时分复用( e t d m ) 为基础的单信道系统，借助于这样的系统，速率每五年提高9 倍。但随着电信网 对传输容量要求的急剧提高，利用e t d m 方式己日益接近硅和砷化镓技术的极 限，并且传输设备的价格也很高，光纤色度色散和极化模色散的影响也日益加 重。这样人们逐渐开始把兴趣转移到光波复用，从光域上用波长复用方式来改 进传输效率，提高复用速率。因此，9 0 年代中期以后，波分复用技术( w d m ) 开始迅速发展。 w d m 是在一根光纤中同时传输多波长信号的一项技术。其基本原理是在发 送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光纤线路上的同一根光 纤巾进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开( 解复用) ，并做进一步 处理，恢复出原信号后送入不同的终端 2 1 。w d m 技术的突出优点是能在一根光 纤上同时传输不同波长的几个甚至几百个光载波信号，充分利用了光纤的巨大 带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长增加几倍甚至几十倍，从而增加光 纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。采用该技术，l u c e n t 公司率先推出一根光纤中同时传送8 路、每路速率为2 1 5 g b s ( 8 x 2 1 5 g b s ) 的波 分复用系统，c i e n a 推出了1 6 路、每路速率为2 1 5 g b s ( 1 6 x 2 1 5 g b s ) 的波分复用 系统【3 】。世界上各大设备生产厂商和运营公司都对这一技术的商用化表现出极大 的兴趣，w d m 系统在全球范围内有了广泛的应用。l u c e n t 和北电网络提供的该 类产品都采用1 6 0 x 1 0 g b s 方案。日本n e c 和法国a l c a t e l 公司分别在l o o k m 距离上 实现了总容量为i 0 v i b s ( 2 7 3 x 4 0 g b s ) 和总容量为1 0 2 t h i s ( 2 5 6 x 4 0 0 b s ) 的传 输容量【4 1 。 由此可见，w d m 已经成为现代光纤通信迅速发展的关键技术。从世界范围 看，目前正在建设的商用光纤系统，基本上都是w d m 光纤通信系统。 1 1 3 w d m 系统中的关键技术 w d m 作为一种有效的扩容手段，在一根光纤中能够同时传输多个波长的光 信号，充分利用光纤的带宽，随着技术的成熟已越来越锓示出强大的生命力。 要实现w i ) m 传输，需要许多与其作用相适应的高新技术和器件，其中包括光源、 光放大器、光分波合波器、光纤传输技术以及监控技术等等。 1 w d m 传输系统所用光源 光源要应用于w d m 系统，其发光波长必须精确、稳定、便于集成，有与之 配套的波长监测与稳定技术，可靠性高，成本低。在高速、大容量的光纤通信 系统中主要采用半导体激光器( l d ) 作光源，主要包括d f b 激光器、d b r 激光 器和量子阱( o w ) 激光器。d f b 激光器是通过沿纵向等问隔分布的光栅来实现 的；d b r 激光器的结构与d f b 激光器基本相同，不同之处在于光栅在有源区两 端的外面，这样便于制作并减少在制作时因晶格损伤而引起的损耗。d f b 激光器 和d b r 激光器的优点有：波长稳定性好，动态单纵模窄线宽。q w 激光器是一神 窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长的半导体激光器。具 有阈值电流低，频率啁啾小等优点。不过对于半导体激光器来说，它在温度稳 定性、可靠性以及与光纤的耦合特性等方面却存在天然的弊病，为解决这些问 题则必须采取多种复杂的控制措施和插入各种必备的辅助设置。 与半导体激光器相比，光纤激光器是一种新兴的有源器件。光纤激光器的 优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，具有高增益、转换效率高、闽 值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光 纤的耦合。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介 质。由于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功 率密度，造成激光工作物质的激光能级粒予数反转。因此，适当加入正反馈回 路( 构成谐振腔) 后便可形成激光振荡。另外由于光纤基质具有很宽的荧光谱， 光纤激光器易于实现波长的宽带可凋谐，非常适合于w d m 系统和全光网络的 应用。另外，多波长光纤激光器的出现，为w d m 系统提供了一种有重要意义 的新光源。 2 光放大器技术 光纤放人器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有高增益、宽带宽、 低噪声的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。这项 技术不仪解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了 1 5 5 0 n m 频段的波分复用，从而使超高速、超大容量、超长距离的w d m 、d w d m 、 全光传输、光孤子传输等成为现实，成为光纤通信发展史上一个划时代的里程 碑。 在日前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器( e d f a ) 、半导体光 放大器( s o a ) 和光纤喇曼放大器( f r a ) 。其中e d f a 以其优越的性能已经被 广泛用于长距离的光传输。e d f a 的最大优点是不需使用电中继器就能直接放大 1 5 5 0 n m 波段内多个波长的信号，增益可达2 0 至3 0 d b ，并町提供3 0 n m 左右的平坦 的增益带宽，如采用增益平坦技术联合增益位移技术b j 扩大至7 0 n m 一8 0 a m 的带 宽，因此成为实现w d m 的重要技术之一。另外还有s b a n d 放大器、喇曼放大器 等多项光纤放大技术。 3 光分波合波技术 光合波器用于传输系统的发送端，具有多个输入端口和个输出端口。它 的每个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一个 输出端口输出。光分波器用于传输系统的接收端，作用与合波器相反，将多个 不同波长光信号分离开来。常用的光分波合波器件有光栅型、干涉滤波型、集 成光波导型等。器件的性能通常要求插入损耗低且各通道的损耗偏差小，通带 内损耗平坦，通路间的隔离度高，偏振相关性小，温度稳定性好。 第二节光纤激光器 光纤激光器一般采用掺杂光纤作为增益介质，以光纤光栅、光纤环形镜或光 纤端面等作为反射镜来构成反馈腔。在泵浦光的作用下，造成增益介质的上能 级粒子数反转，以此产生激光振荡。 光纤激光器的研究工作最早开始于1 9 6 1 年，由美国光学公司的es n i t z e r 等 人最先提出l “。但由于受当时条件所限，实验j 7 作没自多大的进展。直到八十年 代，用改进化学汽相沉积法( m c v d ) 成功制成低损耗的掺铒光纤( e d f ) 后，光 纤激光器的发展才出现了新的前景阳1 。光纤激光器是光纤通信系统中一种很有前 景的光源，与半导体激光器相比，它的优点主要体现在：( 1 ) 可以用与稀土离 子吸收光谱相对应的相对廉价的短波长半导体激光一极管作为泵浦源，成本较 低。( 2 ) 光纤激光器的圆柱形几何尺寸容易耦合到系统的传输光纤中。 ( 3 ) 光纤结构具有较高的面积体积比，散热效果较好。( 4 ) 光纤激光器可以通过 掺杂不同的稀土离子，在3 8 0 3 9 0 0 r i m 的带宽范围内实现激光输出，波长选择容 易且可调谐，这对d w d m 系统具有非常重要的意义。( 5 ) 光纤激光器和光纤放 大器与现有的光纤器件完全相容，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤 传输系统。 1 2 1 ，光纤激光器的分类 光纤激光器可以分别按照增益介质、谐振腔结构、光纤结构、输出波长和 输出激光等进行分类。按照增益介质划分，光纤激光器主要有两大类：掺稀土元 素激光器和非线性效应激光器( 受激拉曼散射激光器和受激布里渊散射激光 器) ；按照谐振腔结构划分，光纤激光器有线形腔、环行腔和8 宁形腔等：按照 光纤内部结构划分，可分为单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；按照输出波 陵数目的多少划分，有单波长和多波长光纤激光器；按照输出激光的时域特性划 分，可分为连续和脉冲光纤激光器等等。 1 2 2 多波长掺铒光纤激光器的发展现状 随着光通信网络向大容量和高速率发展，特别是w d m 和d w d m 技术的日益 成熟，多波长且波长间隔可调的激光光源的发展逐渐提上日程。多波长激光器 可以同时为多个信道提供所需光源，使光发射端的设计更为紧凑、经济，因而 在d w d m 系统中有很重要的用途。同时，性能优良的多波长光源在光纤陀螺、 光谱分析和分布光纤传感等领域中也有极大的应用价值。所以，多波长激光器 的研制无疑具有重要的意义。 多波长激光器可以用半导体激光器阵列来实现，也可以用掺稀土元素的光 纤激光器来实现。w d m 系统对多波长光源的要求是输出波长密集、光谱范围宽、 功率谱平担。光纤激光器有潜在的能力满足以上这些要求，另外它还有应用于 光纤通信系统中的独特优点，囚此成为多波长激光器领域研究的重点。当前的 研究目标是分布在宽频带上的波峰多，线宽窄，输出功率商，功率谱平坦的，能在 常温下稳定工作的多波长光纤激光器。就增益介质来讲，以多波长掺铒光纤激光 器( m w e d f l ) 的研究最为集中，就分布波段来讲，c b a n d 的研究较为集中。 多波长掺铒光纤激光器的实现方法多种多样。按照多波长的实现机制，可 将其实现方法分为以下几类：第一类是在腔内放置滤波装置，如内置的f - p 标准 具，利用其多波长滤波特性选择波长实现多波长；第二类是利用选择性反馈器 件( 如光纤光栅) ，来提供反馈和选择波长实现多波长；第三类是利用非线性 效应布里渊散射和受激拉曼散射( b r i l l o u i n e r b i u m ) 实现多波长。还有一类 为利用光纤中传导模式的差异和偏振态的变化来实现多波长。 早期的研究是在腔内放置f p 标准具或马赫一曾德尔干涉仪作为梳状滤波器 进行选模 7 8 j ，另外还有幂用高双折射光纤环镜、光纤光栅、s a g n a c 环镜等作为梳 状滤波器实现多波长输出的报道【啦”i 。2 0 0 0 年南开大学的赵东辉等人提出一种新 型掺铒光纤环形腔激光器f 川，选取全光纤马赫一曾德尔干涉仪作为选频元件，并 将掺铒光纤浸入液氮中冷却，得到了稳定的7 波长激光输出，波长问隔0 6 5 n m 。 但是这种液氮冷却的方法不利于实用。2 0 0 2 年，rs l a v i k 等人报道了一种在腔内 放置声光频移器的多波长掺铒光纤环形腔激光器，在室温情况_ f 实现了c b a n d ， 1 5 3 8 1 5 4 8 n m 之间1 3 条谱线输出或1 5 4 3 1 5 6 0 n m 之间1 8 条谱线输出1 1 5 j 。2 0 0 3 年清 华大学kc h e n g 等人报道了一种室温下超低损耗的全光纤多频率激光器，实现了 1 8 通道输出1 1 6 l 。在谐振腔中插入相位调制器，通过对激光产生相位调制，起到 类似于频移器的作用，也能产生室温下多波长的输出i ”。2 0 1 。 2 0 0 0 年，孙军强等人采用在两段单模光纤中间连接一段少模或多模光纤的 方法，在室温下得到了线宽为0 0 9 n m ，波长间隔0 6 8 n m 的双波长或三波长激光 输出【2 1 1 。后来，又利用多量子阱波导在谐振腔中产生的偏振烧孔效应，在室温 下刚5 0 r o w 的9 8 0 n m 泵浦光获得了问隔为0 9 a m 的1 1 个波长输出t 8 j 。 将光纤光栅作为选择性反馈器件，可以通过串接多个不同波长的光纤光栅， 也可以只接一个多反射峰光纤光栅实现多波长输出【2 3 。2 8 】。在s 形腔光纤激光器实 验中，采用不同的多反射峰光纤光栅，可分别获得4 波长和8 波长的激射，其单波 氏线宽约为0 0 l n m t 2 q 。 1 9 9 6 年gjc o w l e 等首次提出将布里渊散射的非线性效应与掺铒光纤的线性 放大效应榭结合，产生等间隔、多波长激光输出1 2 9 】。1 9 9 8 年，dsl i r a 等利用s a g n a c 光纤环镜提出一种线型腔结构的b r i l l o u i n e r b i u m 光纤激光器，得到了波长间隔为 o 0 8 n m 的3 4 个激光波长的输 3 0 1 。2 0 0 0 年，k dp a r k 实现了波长间隔为0 0 8 n m ( 1 0 g h z ) 的5 3 个波长的多波长输出【3 ：i 】；mk a b d r a h m a n 等人提出双腔 b r i l l o u i n e r b i u m 光纤激光器，实现了间隔为0 0 8 8 n m ( i i g h z ) 的2 4 个波长的激 光输出【3 2 】。同年，他们又在该激光腔中增加了一个1 0 9 0 酐j 方向耦合器，利用激 光器的波长与损耗有关的特性，实现了输出间隔为0 0 8 8 r i m 0 1 7 6 n m ，2 x 1 5 个波 长的激光输出 3 3 i ；2 0 0 2 年，wyo h 等提出一种双线型腔结构，实现了 1 0 g h z 2 0 g h z 的多波长激光输出【3 4 】。 1 9 9 6 年，0g - r a y d o n 等人在室温下用双芯掺铒光纤( 两芯间距4 5 岫) 得到 了3 8 个波长输出【” 。 第三节双包层光纤激光器与放大器 随着d w d m 技术的成熟和发展，光纤可用资源带宽越来越宽，波长信道数 目越来越大。凶此，对于超大容量和长距离的d w d m 系统，不仅需要大量的多 波长光源，而且还需要越来越多的高功率、宽带的光放大器。目前，用于波分 复用( w d m ) 系统的光源和光放大器主要有三类：复用半导体激光器( l d ) 和 半导体光放大器( s o a ) ；宽带掺铒光纤激光器( e d f l ) 和掺铒光纤放大器 ( e d f a ) ；以及喇曼光纤激光器( r f l ) 和喇曼光纤放大器( r f a ) 等。 e d f l 和e d f a 因具有许多优良特性，已被广泛应用，但这类器件受到e r 3 + 离子三能级系统的限制，以及传统泵浦机制的限制，器件的效率和输出功率很 低，因此研制高效率和高输出功率的器件势在必行。 传统的泵浦技术很难将高功率的多模泵浦光耦合到单模的纤：中去，因此 很难做出高功率的光纤激光器和高放大倍数的光纤放大器。包层泵浦技术的出 现成功的解决了单模光纤泵浦效率低的问题。包层泵浦光纤激光器的概念是由e s n i t z e r 于1 9 8 8 年首次提出的，由于泵浦机制的突破，光纤激光器件的输出功率 提高了几个量级，达到令人惊奇的程度。包层泵浦技术的关键是采用稀土掺杂 的双包层光纤，与常规增益光纤相比，双包层光纤多了一个内包层。内包层作 为泵浦光波导，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯，可以将高功率多模泵浦激 光有效地耦台进增益光纤，使其多次横穿过单模光纤纤芯，并被稀上元素的原 子所吸收；同时，内包层又包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内，其作用是将 多模泵浦光高效率地转换为单模激光。同时由于双包层光纤具有较大的表面积 与体积比，从而可以避免产生热透镜效应。 1 3 1 双包层光纤激光器与放大器的广泛应用 利用包层泵浦技术和双包层光纤可以将连续激光输出提高到几f 瓦甚至上 千瓦的量级。利用双包层光纤还可以制做调o 激光器，获得上千瓦峰值功率的脉 冲输出。这种高功率、高能量包层泵浦光纤激光器在光通信、光传感、航天航 空、牛命科学、精密仪器加工、印刷、打标、军事等领域应用非常广泛p 。 基于受激喇曼散射效应的r f i 俐r f a 以其工作波长任意调节、宽增益带宽、 噪声低等优点具有极大的吸引力，被认为是d w d m 系统较为理想的有源器件， 但这类器件需要高功率、高质量的泵浦源。高功率包层泉浦掺镱光纤激光器的 开发和利用给r f 泖r f a 带来了生机和活力。 高功率光纤放大器对通信方面的发展起着举足轻重的作用。不过普通的 e d f a 由于依赖单模激光二极管的泵浦，因此输出功率仅在1w 以下。而包层泵 浦光纤可以把价格低廉的几个多模激光二极管的激光能量集中起来泵浦纤芯中 的稀土离子，使泵浦光转变为单模高亮度的信号光束，所以应用前景光明。 最初的双包层光纤放大器为掺镱、掺钕等光纤放大器，后来根据实际需要义 发展出e r 3 + y b 3 + 共掺双包层光纤放大器等。这是因为虽然掺镱、掺钕等稀土离 子掺杂光纤激光器及放火器的输出功率已经做到了很高的水平，但是受目前光 通信波段的限制，它们不能直接用于光信号的传输。要对c b a n d 和l - b a n d 的信 号进行放大，则必须用到掺铒光纤或e r 3 + y b 3 + 共掺光纤。在掺铒光纤中共掺杂 y b 3 十，是因为y b 3 + 具有比e r 3 + 大的吸收截面和很宽的吸收带宽，可以适应很宽 的泵浦源。又因为y b 3 + 没有浓度淬灭效应，可以实现y b 3 + 的高浓度掺杂，从而 能够大大提高粒予数反转程度，实现高效率泵浦。e r “y b “共掺使1 5 5 0n m 通 信窗口的有源器件的效率和功率提高到一个新的水平。 1 3 2 双包层光纤激光器与放大器的发展现状 激光器的高功率输出一直是人们追求的目标。f 1 前，国际上掺镱双包层光 纤激光器的输出功率已达几千瓦 3 7 】，包层泵浦n d 3 + y b 3 + 共掺光纤激光器和 e r 3 + y b 3 + 共掺光纤激光器的输出功率也已达百瓦量级f ”1 ，从2 0 世纪9 0 年代开 始，许多发达国家先后对双包层光纤激光器进行了大量的研究，并日趋成熟。 s p e c t r ap h y s i c s 公司、i p g 公司、s d l 公司等己推出了许多商品化的掺镱双包层 光纤激光器。掺镱双包层光纤激光器的发展也极大地促进了r f l , r f a 和多波 长r f l 的发展。 高功率e r “y b “共掺双包层光纤激光器和放大器的研究刚刚开始，2 0 0 1 年， 英国南安酱敦大学报道了连续输出功率近1 7w 的e r “y b “共掺双包层光纤激光 器，斜率效率达5 0 1 3 9 1 。丽到2 0 0 3 年o f c 会议则宣布将这个数字提高到了1 0 3 w 。 可调谐e r 3 + v b 3 + 共掺双包层光纤激光器的最大输出功率6 7w ，调谐范围覆盖 c + l - b a n d ( 1 5 3 3n l t l 1 6 0 0r i m ) 删。2 0 0 2 年，实现了可调谐调q e 一y b 3 + 共掺 双包层光纤激光器，其短脉冲激光输出能量为6 0 m j 、脉宽3 5 n s 【4 1 1 。 在高功率e 一y b “共掺双包层光纤放大器方面，法国的k e o p s y s 公司报道了 增益平坦、低噪声指数的e f 3 + e r 3 + y b h 级联双包层光纤放大器，宽带多信道放大 输出功率3 0 d b m | 4 2 1 。法国和瑞士的科学家利用环形掺铒的双包层光纤，研制出 l - b a n d ，输出功率为3 0d b m 4 a l 和c b a n d ，输出功率3 3d b m 4 4 1 的包层泵浦掺铒光 纤放大器。 国内有关双包层光纤激光器的研究始于2 0 世纪9 0 年代末。1 9 9 8 年，南开大 学在国内率先开展了