DFB光纤激光器国内外发展状况

1、我国国内光纤激光器目前己经得到一定程度的发展， 国内的一些单位如上海光机所、 清 华大学、 北京邮电大学、 华中科技大学、 中国科技大学、 天津大学等从八十年代末进入光纤 激光器的研究领域， 经过努力获得了一定进展。 国内开展光纤激光器和放大器方面的研究是 从 80 年代末和 90 年代初开始的，首先在上海硅酸盐研究所、天津46 所、上海光机所、西安光机所、 清华大学、 北京邮电大学等国内多见科研单位开展了掺饵光纤的研制及光纤激光 器的研究，并取得了阶段性的成果l5 。南开大学、上海光学精密机械研究所在双包层光纤布拉格(Bragg)光栅激光器方面取得了开创性成果 16,烽火通信科技股份有限公司

2、与上海光 机所于 2005 年合作，顺利研制出输出功率高达 440W 的掺臆双包层光纤激光器 17，随后 中国兵器装备研究院报道了突破 IKW 功率的光纤激光器，清华大学在多波长光纤激光器和 锁模脉冲光纤激光器方面做了很多有进展性的工作 1 8-20 ，总体来说， 由于国内光纤激光器 的研究受到基础条件方面的制约， 同国际的研究水平还有相当大的差距。 国外有多个研究机 构人员对 DBR 和 DFB 光纤激光器开展了全面的研究。其中 G.A.Ball 所在的 EastHartford 联 合科技研究中心最先开展了将光栅直接写在掺杂光纤上形成腔结构，泵浦光源通过 WDM 对其进行泵浦而得到激光输出

3、，从而实现所谓 DBR 型光纤激光器 21-23 。由于作为干涉光源 以及传感等应用的背景，对单频操作 DBR 的研究广泛的开展起来。利用短腔长高掺杂的 DBR 、复合腔结构或 DFB 结构等来实现稳定的单频操作一一被提出来。 Sigurd 所在的澳大 利亚的 CRC 光子中心对 DFB 光纤激光器进行了动态和多波长操作分析 24-25 ，同时探讨了 利用 DFB 光纤激光器对声响应的情况， 并测试了 DFB 光纤激光器对空气中声场的响应 ;Scott 所在的澳大利亚的国防科学科技组织从理论到实验研究了DFB 光纤激光器的空间模结构和动态噪声 26-27 ，希望实现基于 DFB 光纤激光器的水

4、听器 ;英国的那安普顿大学的 Kuthan 等人从理论上提出了改变 DFB 光纤激光器对称结构从而实现提高输出效率降低泵浦域值目 的28 ，同时研究了混合掺杂的 DFB 光纤激光器 29，同样希望将其应用于传感领域。 在 20 世纪 90 年代，世界范围的光纤传感技术呈现出产业化发展的趋势，主要形成了军事和民用 两大应用领域，其中包括 :国土安全防卫系统、工业安全检测系统以及用于石油化工、生物 医学和环境等领域的光纤检测系统。在此同时光纤激光传感技术也开始形成，在1995 年，美国海军实验室的 K.P.Koo 等人30首次将光纤激光器应用到光纤传感领域，这不仅推动了 光纤传感技术的发展， 而且

5、标准着光纤激光传感技术的诞生。 在此之后许多机构对光纤激光 传感技术就开始了深入的研究，并且积极的拓展其应用的领域，如美国海军实验室(NRL) 、英国国防研究局 (DERA) 、澳大利亚国防科学与技术组织 (DSTO) 和美国利通资源勘探仪器公 司(Litto n)等。自从19%年起英国国防研究局(DERA)联合Ast on大学和Kent大学开展了光纤 激光水听器的研究 31，并于 2005年报道了 8 点光纤激光水听器波分复用技术 32;2006 年 澳大利亚国防科学与技术组织 (DSTO) 报道的最大规模的单纤 16点波分复用光纤激光传感器 阵列33;2007年美国GH.Ames等报道了

6、DFB光纤激光加速度计34;2008年美国海军实验 室 G.A.Cranch 等报道了 DFB 光纤激光磁力计 35 可以应用于海底微弱磁场的探测。近年来 国内光纤传感技术己经进入了工程应用的阶段， 并且在光纤激光传感技术方面也取得了一些 研究成果。2011.3.1 DFB 光纤激光器作为本文研究的重点，下面对它的研究进展作一个简要介绍。 1972 年美国 贝尔实验室的 H.Kogelnik 和 C.V.Shank 两人采用电磁场的耦合波理论系统分析了分布反馈 (DFB) 激光器的工作原理和特性，并在玻璃衬底上用染料胶制作光栅。在 70 年代中期， H.A.HauS 指出，在分布反馈半导体激光

7、器的内含光栅中引入非连续变化就能消除模式简并， 而且能降低阂值。 此后根据这一概念， 在均匀光栅的中心引入四分之一波一长的相移， 实现 了激光器的单模工作。1994 年，南安普敦大学的 Kringlebotn 等人在 3cm 的 Er3+:Yb3+ 光纤上刻写了 2cm 长的均匀 光纤光栅，从而制得了第一个均匀分布反馈光纤激光器。 1994 年 Kringlebotn 在光纤分布反 馈激光器的一端利用反射镜， 或者在光纤光栅的中心采用加热的办法引入相移， 得到在布拉 格波长的单频输出，得到线宽为300kHZ ，输出功率为 3mw 的单频输出，标志着光纤激光器技术有了一个重要的突破， 因为激光器

8、的谐振腔只是由一段刻写有光栅的带有增益介质的 光纤构成。 1995 年，瑞士皇家技术学院的 A.Asseh 等人利用掺 Yb3+ 光纤制作成 10cm 的分 布反馈激光器， 该激光器在 18mw 的抽运功率下得到了运行在 1046.6nm 的 7.5mW 的单纵模 输出，他们先利用相位掩模板制作长度为 10cm 的均匀光纤光栅，然后用紫外光对均匀光栅 的一部分进行二次曝光得到永久的相移，这是一个技术上的主要的突破。同年， Sejka 制成 2.5cm 长的掺 Er3+ 光纤分布反馈激光器， 引入相移后， 激光器运行在单纵模下， 阈值降低到 10mW。此外，W.H.Loh等也进行了类似的研究，他

9、们制作了长为10cm，波长为1550nm的单频相移DFB掺饵光纤激光器，线宽小于13kHz,输出功率达到1mW。国内，上海光机所进行了这方面的研究， 1999 年，瞿荣辉，丁浩报道了采用紫外辐照制备 移相光纤光栅的实验结果，范薇，李学春等人对掺Yb3+的相移分布反馈光纤激光器进行了理论分析，陈柏，陈嘉琳等人于2002年先用相位掩模法在掺 Yb3+光纤上刻写光栅，然后采 用二次曝光法进行紫外修整而研制出运行于1053nm的单纵模光纤激光器得到了最大功率为32mw 的激光输出。 2000 年北方交通大学的张劲松等也研制了 10cm 长的相移分布反馈光纤 激光器。自 1960 年第一台激光器问世至今

10、， 短短的半个世纪， 激光器件和激光技术正以迅猛之势飞 速发展着。激光器按其工作物质分类，可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、 染料激光器、自由电子激光器、准分子激光器和化学激光器等 1 。其中，半导体激光器以 其轻质量、 高效率、 可直接调制和集成能力强等优点， 在各种类型的激光器中逐渐崭露头角。 半导体激光器理论的提出最早可以追溯到1953年9月。美国的科学家冯纽曼提出，向PN 结注入少量载流子可以使半导体激光器受激发射2。1970 年，双异质结半导体激光器(DH-LD) 在 Bell 实验室研制成功。这使半导体激光器彻底告别了液氨温度，可以在室温下 进行连续工作， 这对半导体激

11、光器的发展有着跨时代的重要意义。 至此以后， 半导体激光器 进入了突飞猛进的发展时期 3 。目前， 它的品种已达到 300 多种， 被广泛应用于光电子学、 光通信、 印刷业、 医学和军事等领域。 半导体激光器的研究和应用已成为国际上最活跃的研 究领域之一。分布反馈式 (Distributed Feedback， DFB)激光器作为半导体激光器的一种，也 一直是科学家们研究的热点问题。 DFB 激光器具有带宽窄、波长可调谐、频率稳定性好等 突出优点， 这是其它普通光源所无法比拟的。 光通信技术的飞速发展， 一方面， 不断促进着 DFB 激光器的快速进步；另一方面，也对 DFB 激光器的性能提出了

12、更高的要求。 DFB 激 光器作为光纤光栅信号窄带光源解调技术中的重要器件，提高输出功率、保持波长稳定性、 增加波长可调谐范围、 使光谱线宽变窄等一系列问题， 都是 DFB 激光器研究领域中需要继 续探索和不断提高、 进步的方面。 多年来， 我们课题组一直致力于光纤光栅信号解调技术的 研究和应用， 对光纤光栅信号的多种解调方法进行了实验、 探索和创新。 我们采用的主要解 调方法有：粗波分复用器(CWDM)解调法4、自发辐射光源(ASE)解调法5、可调谐法布里 珀罗(Fabry-Perot，F-P)滤波器解调法6、分布反馈式激光器解调法。通过理论分析和实 验研究相结合， 我们积累了大量的宝贵经验

13、。 目前， 基于 DFB 激光器的光纤光栅信号解调 技术是我们课题组的重点研究内容。半导体激光器，也称半导体激光二极管 (Laser Diode， LD) ，工作物质是半导体材料。由于它 的良好性能和在光通信等领域的广泛应用， 国内外的研究人员十分看好它的发展前景， 对它 的研究一直很活跃。可是在高速调制状态下，普通的半导体激光器会出现光谱展宽的情况， 这就会导致信息传输速率受到影响。为了解决这个问题，研究人员研制出了DFB 激光器7,8,9 。 DFB 激光器是通过内置光纤布拉格光栅来构成谐振腔，利用光栅的分布反馈来实 现纵模选择。 DFB 激光器与普通半导体激光器相比，具有单纵模、低损耗、

14、窄线宽、高稳 定性等优点，被广泛应用在长距离光通信领域10。 DFB 激光器的概念产生于 1970 年前后。研究人员在染料激光器的研究过程中发现，谐振腔可以通过内置光栅的分布反馈来实现。1971 年，美国贝尔实验室的 C.V.Shank 和 H.Kogelnik 在 DFB 结构实验中首次看到激射 现象11。次年，他们对 DFB 激光器的工作原理和特性进行了理论分析。提出了 DFB 激 光器中存在折射率耦合和增益耦合两种反馈方式， 而且 DFB 激光器的谐振腔可以选择模式 12 。 1973 年，通过光泵砷化镓周期栅表面， 中村制作了第一个分布反馈式激光器。 1974 年， Scifres 制

15、作了以 GaAlAs/GaAs 为材料的单异质结电流注入型分布反馈式激光器。1975年，中村和凯西实现了室温下 DFB 激光器的连续受激发射。 70 年代中期， Shank 和 Haus 在 DFB 激光器的内置光栅中引入非连续变化， 这样可以消除模式简并、 降低阈值电流。 这 一理论具体到实践中就是给光栅的中心引入四分之一波长的相移 13,14 。1977 年， Streifer.W 对 DFB 激光器的理论进行了系统的阐述，并推导出了谐振波长和阈值的表达式。1979 年，研究人员开始将 InGaAsP/InP 材料用于 DFB 激光器的制作中。同年就做出了能在低温环 境下工作的 DFB 激光器。 1981 年，第一支能在室温下连续工作的 1550nm 单模稳定 DFB