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光纤激光器及技术进展

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来源: 作者: 2018-10-29 10:15:30

光纤激光器及技术进展

导读:

光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件,它是激光技术的前沿课题。本文讨论了光纤激光器的特性及基本原理,概述了光纤激光器的新近进展。

作者:伍浩成摘 要:光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件,它是激光技术的前沿课题。本文讨论了光纤激光器的特性及基本原理,概述了光纤激光器的新近进展。 一、引言 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。早在1961年,美国光学公司的itzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作,但由 于相关条件的限制,其实验进展相对缓慢。而80年代英国Southhampton大学的ole等用MCVD法制成了低损耗的掺铒光纤,从而为 光纤激光器带来了新的前景。 近期,随着光纤通信系统的广泛应用和发展,超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中,以光纤 作基质的光纤激光器,在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面,已明显取得进步,是目前光通信领域的新兴技术,它可以用于现有的通信系统,使之支 持更高的传输速度,是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一。本文就近年来国外几种新型的光纤激光 器技术加以阐述。二、光纤激光器原理 利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成激光器,因此光纤激光器可 在光纤放大器的基础上开发。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“粒子数反转”。因此,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡。另外由于光纤基质具有很宽的荧 光谱,因此,光纤激光器一般都可做成可调谐的,非常适合于WDM系统应用。 和半导体激光器相比,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,可容强泵浦,具有高增益、转换效率高、阈值低、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。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类,如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出 波长数目将其分为单波长和多波长等。对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点:(1)阈值应越低越好;(2)输出功率与抽运光功率的线性要好; (3)输出偏振态;(4)模式结构;(5)能量转换效率;(6)激光器工作波长等。三、包层泵浦光纤激光器技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破,它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来,包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域,成为制作高功率光纤激光器首选途径。图1 (a)示出一种双包层光纤的截面结构。不难看出,包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂光纤。一个纤芯和传统的单模光纤纤芯相似,专用于传 输信号光,并实现对信号光的单模放大。而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光(如图1(b)所示)。这样,使用多个多模激光二极管同时耦合至包层光纤 上,当泵浦光每次横穿过单模光纤纤芯时,就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级,然后通过跃迁产生自发辐射光,通过在光纤内设置的光纤光栅的选频作用, 特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生激光输出。目前,该技术被称为多模并行包层泵浦技术(Cladding pumped technology),法国Keopsys公司在该技术上形成了一专利,称为“V-Groove Technologe”。多模并行包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能。1、高功率 一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100瓦的光功率,多个多模泵浦二极管并行设置,即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。2、无需热电冷却器 这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作,只须简单的风冷,成本低。3、很宽的泵浦波长范围 高功率的光纤激光器内的活性包层光纤掺杂了铒/镱稀土元素,有一个宽且又平坦的光波吸收区(nm),因此,泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置4、效率高 泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯,因此其利用率高。5、高可靠性 多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一 来,泵浦二极管其可靠运转寿命超过100万小时。 目前实现包层泵浦光纤激光器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全光纤环形腔双包层光纤激光器三大类,不同特色的双包层光纤激光器可由 该三种基本类型拓展得到。 OFC’2002的一篇文献采用如图2所示腔体结构,实现了输出功率为3.8W、阈值为1.7W,倾斜效率高达85%的新型包层泵浦光纤激光器 [1]。在产品技术方面,美国IPG公司异军突起,已开发出700W的掺镱双包层光纤激光器,并宣称将推出2000W的光纤激光器。四、拉曼光纤激光器技术 拉曼光放大技术为长距离传输提供了一种新的获取功率预算的手段,成为关注焦点。对于拉曼放大泵源,方法之一是采用多只14XXnm泵浦激光器通过偏振 复用获得拉曼泵源,但其成本相对较高且结构复杂。方法二是采用拉曼光纤激光器(RFL)来产生特定波长的大功率激光,目前该技术已得到相当程度的发展并形 成了商用产品(如美国IPG、法国Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模块),并被认为是用于拉曼放大和远泵EDFA放大应用的合理光源。4.1 线形腔拉曼光纤激光器 若从线形腔拉曼光纤激光器的输出波长来划分,可以分为单波长和多波长拉曼光纤激光器两大类。不同线形拉曼光纤激光器的结构基本相似,都采用布拉格光栅 作为其谐振腔的反射镜。就RFL所采用的有源增益介质来看,通常采用掺GeO2的掺杂光纤作为增益介质,最近的报道是采用掺P2O5的掺杂光纤作为增益介 质,两者的区别在于所取得的Stock偏移不同,一般,掺GeO2的掺杂光纤为440cm-1,而掺P2O5的掺杂光纤为1330cm-1,因此采用 P2O5掺杂光纤所需要的拉曼频率变换的次数要少,可以提高效率并降低RFL的复杂度。rukithoson等在ECOC’2001会议中报道了 一个采用二级拉曼变换获得1480nm激光输出的RFL实验,其泵浦光波长为1061nm[2],和采用掺GeO2的掺杂光纤的RFL相比,减少了一级拉 曼上变换。ECOC’2001的另一篇论文中报道了采用掺P光纤制作的1480nm单波长拉曼光纤激光器实现+28dBm输出的EDFA[3]。 OFC’2001会议中有一篇论文报道了以二级Stocks输出的Raman光纤激光器作为泵浦源激励单模光纤产生超连续谱的实验[4]。它由拉曼光纤激 光器和超连续(SC)腔体两部分构成,其中Raman光纤激光器工作原理图见图3。在掺镱光纤激光器的泵浦下,以掺镨光纤为工作物质输出激光。泵浦光为 1064nm,输出脉冲为1483.4nm的激光(二级Stocks),输出功率为2.22W。 近期浮现出的另一种称为多波长拉曼光纤激光器(MWRFL)引起了广泛的注意,其中双波长拉曼光纤激光器(2lRFL)和三波长拉曼光纤激光器(3lRFL)已成功演示,IPG等已开始形成产品。 阿尔卡特公司在OFC’2002会议上报道的一种可重构三波长拉曼光纤激光器(3lRFL)图4所示[5],得到了输出波长分别为1427nm、 1455nm和1480nm的激光输出,可用于C+L波段的拉曼放大器中。另外通过调整输出耦合器,每个波长的输出功率可在50mW—400mW范围内可 调。整个3lRFL的主体部分由11只光纤光栅(FBG)和300米的掺P光纤组成,并以输出波长为1117nm的Yb3+包层泵浦光纤激光器作为泵浦 源。其内部的Stocks功率迁移如图5所示。其基本的原理分为以下三步:首先,在1117nm泵浦光的作用下,利用P2O5产生频移,得到1312nm 的一级Stocks分量;然后在一级Stocks的作用下,利用石英光纤的频移,得到1375nm的二级Stocks分量;最后,通过再次利用石英光纤的 频移,同时得到1427.0nm、1455.0nm和1480.0nm的激光输出。应当指出,由于各拉曼峰值相距较远,因此,不同Stocks之间的交互 作用是不可忽视的。如图3虚线所示,1427.0nm的Stocks分量泵浦1455.0nm和1480.0nm并使之获得增益,同理,1312nm的 Stocks分量可使1375nm、1427nm、1455nm和1480nm获得额外的拉曼增益。 采用 和图4相似的结构,OFC’2002的另外两篇论文报道了在泵浦光的作用下产生四级Stocks分量的可重构Raman光纤激光器,其输出波长均为 1428nm、1445nm和1466nm[6][7]。OFC’2001的一篇论文报道了一个3lRFL,其输出谱线分别为:1427nm的谱线谱宽为 0.8nm,1455nm和1480nm的谱线谱宽为0.4nm[8]。 4.2 环行腔拉曼光纤激光器 环行腔结构在激光技术中具有重要的地位和作用,也是构建拉曼光纤激光器的另一种 重要方式。OFC’2001中的一篇论文报道了一种双波长的环行拉曼光纤激光器(2lRFL)[9],其结构如图6所示。图中,除光纤光栅1480A的反 射率为90%外,其他的光纤光栅的反射率均大于99%,拉曼光纤A和B是长度分别为120米和220米的色散补偿光纤(DCF)。在工作波长为 1313nm的Nd:YLF激光器作为泵浦源作用下,该激光器的二级Stocks波长为1480nm和1500nm。报道的数据表明,该光纤激光器在 3.2W的泵浦下,可以获得大于400mW的激光输出。另外通过调整光纤光栅1480B的反射率,可以对输出波长的功率进行控制和调整,该特性使得该类光 纤激光器可较好地用到增益平坦的拉曼放大中。五、新型的光纤激光器技术 早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今天,密集波分复用(DWDM)和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加 速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时,多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现,则为低成本地实现Tb/s的DWDM或 OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看,采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。 5.1 多波长光纤激光器 文献[10]提出的一种基于半导体光放大器(SOA)的多波长光纤激光器如图7所 示。图中SOA1长度是500mm,在1522nm处提供的小信号增益为23dB,SOA2的长度是250mm,在1530nm处可提供10.5dB的小 信号增益,两只SOA均为InGaAsP/InP屋脊波导型。光纤F-P腔的自由谱线范围(FSR)为47.75GHz,精细度为8.1,损耗为 12dB。偏振控制器PC1和PC2分别用于补偿SOA1和SOA2对TE轴、TM轴的偏振相关增益误差。该结构在1554nm—1574nm范围内,实 现了波长间隔为50GHz、50通道的多波长DWDM光源,在50通道之间最大光功率差异小于1.6dB,消光比大于15dB,激光器的线宽小于 5GHz。 为获得平坦的功率输出谱,文献[11]提出了一种改正型的方案如图8所示。图中FRM为法拉第旋转镜,VOA为可调光衰减器。由于光反馈臂的引入,一 个直观的特性是可对其输出的激光进行反馈监视,另外该改正型结构还可对激光的输出光性能提供较大程度的改善。据报道该结构在1554.7— 1574.7nm的波长范围内,实现了通道间隔为50GHz、52通道的多波长DWDM光源,且通道之间的最大光功率差异小于0.3dB,消光比达到 32dB,激光器输出的线宽为500MHz。 经典 的Sagnac干涉装置在信息科学领域的超快速响应技术中有多种应用,其中包括:超快速光调制器的全光开关、全光解复用、信号再生、逻辑运算、信号格式变 换以及全光波长变换等。最近,OFC’2002的一篇文献将Sagnac干涉装置拓宽到光纤激光器的应用[12]。该文献报道的基于NOLM的多波长拉曼 光源,在四阶斯托克斯波内,可以实现20个波长通道输出。在OFC’2002的另一篇论文中,报道了一种采用偏振复用拉曼泵源、F-P可调滤波器和色散补 偿光纤组成的去偏振多波长环行腔体拉曼光纤激光器。在由1428.2、1445.8、1463.4nm泵浦波长的拉曼泵源作用下,3dB带宽范围内的输出 波长可达到58个,通道间隔为50GHz。 目前相关的会议报道已指出用AWG目前最多可输出400个信道,每个信道间隔25GHz(波长间隔0.4nm),输出波长能覆盖整个C波段和L波段。 然而这些信道的波长间隔都是固定的,是无法改变的。目前研制的激光器输出的多波长信号,其信道间隔也是一定的。OFC2001会议上报道了一个可调谐波长 间隔的多波长输出的光纤激光器。其原理图见图9。法拉弟旋转镜(FRM)用于补偿FRM与偏振分束器(PBS)之间的PMD,并且能稳定前后传输方向的正 交偏振态。利用在保偏光纤中偏振模的耦合作为可调波长间隔滤波器。光纤激光器腔内的偏振分束器和偏振保持光纤及其相关器件组成波长滤波器。当不对PMF施 加压力时,沿偏振快轴的光分量能通过滤波器,传输与波长无关;当对PMF施加压力时,在施加压力处,偏振模产生耦合,波长间隔就由施加压力的位置不同而不 同。施加压力的方式是用夹子夹住PMF的不同位置。例如在PMF的4m处施加压力,则可得到9个信道输出,波长调谐范围为1548.2nm- 1559.9nm,波长间隔为1.46nm。峰值功率漂移在6dB内。当施加压力的位置在8m处,激光器输出14个信道波长,波长间隔为0.73nm。 文献[15]提出了另一种可调谐的光纤激光器方案如图10(a)所示,其主要的特色是波长间隔可调。图中具有不同波长峰值的n个光纤光栅(FBG)采 用图10(b)结构被安装成FBG阵列,并级联起来以形成多波长激射。波长的调谐通过改变光纤光栅的周期来实现。采用四个FBG制成的FBG阵列,在初始 工作波长在1547.64、1549.21、1551.36、1554.1nm的情况下,可调谐得到波长间隔不同的四个波长,分别为1547.64、 1551.64、1556.60、1561.24nm。 5.2 基于光纤的超连续光纤激光器   具有超连续谱的超短光脉冲在TDM/WDM系统中有着重要的意义。超短光脉冲不但能提高TMD系统中的单信道码率,同时其宽大的连续谱也能为WDM系统 提供众多的波长信道。大部分超连续谱的产生主要有以下两种方法:压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。 现在最流行的也报道得最多的是利用光纤或光放大器的非线性产生超连续谱。其中利用光纤产生宽连续谱最为经济实用。据报道,所采用的 光纤类型不同,产生连续谱带宽也不同。比如在两头粗中间拉细的特种光纤中(见图11)[16],产生的连续谱就很宽,可调谐波长范围为500nm-- 1600nm。泵浦源端的光纤长为3cm,拉细光纤长度为15cm,尾纤输出端为15cm。该连续谱在后段标准电信光纤中输出Raman脉冲,可调谐波长 幅度达200nm,Raman脉冲波长调谐范围为1400nm--1600nm。脉冲频谱带宽为20nm,相当于脉宽130fs的边带极限脉冲。当改变输 入入射功率,则Raman孤子波长也发生改变。这种激光器就是以改变泵浦功率来改变波长。 5.3 锁模光纤激光器   连续调谐多波长锁模激光器一直是激光技术很活跃的研究领域。OFC’2001和OFC’2002中多篇论文报道了该类光纤激光器技术[17][18]。 LI等报道了利用色散补偿光纤(DCF)增加腔内色散,在主动锁模光纤环形激光器中实现了3个波长的激光输出,并通过调节调制频率,实现了单波长和双波长 的连续调谐。现已研制成功线宽窄到2kHz的激光器、调谐范围达到75nm的宽调谐光纤激光器以及重复频率达到21GHz的高重复频率光纤激光器。 图12是基于NOLM的锁模光纤激光器的工作原理图[19]。平常常见的基于NOLM光纤激光器只由NOLM环组成,没有图12的 3dB耦合器上的两个支路,主要是用来产生压缩后的超短激光脉冲,不具有锁模功能。图12所示的是改进的NOLM光纤激光器,能进行亮暗脉冲转换,能选择 脉冲波长,产生高重复率的信号。调节PC1使B端输出最大功率时,在A端可得到亮脉冲;调节PC1使环内形成反射模时在A端就形成暗脉冲。在耦合器2支路 上可以通过滤波器选择输出激光波长,并通过EDFA对选定波长进行放大。当控制脉冲与主环频率失谐时,当产生控制脉冲的DFB激光器的驱动频率是主环的频 率f的n分之一时,可得到是控制脉冲n倍重复率的输出脉冲。例如主环频率f为19.4kHz时,控制脉冲调制频率为1145MHz,DFB激光器驱动频率 失谐在1/4f,则可得到4.58GHz重复率的输出脉冲。 5.4 频率上变换光纤激光器   e和snell用钛宝石激光器的860nm泵浦几十厘米长的光纤,通过更换不同的输出镜获得了红、橙、绿、蓝4种颜色的激光,功率 分别为300mW、44mW、20mW和3mW,斜效率分别为52%、11.5%、12.4%和3%。包层泵浦上转换光纤激光器的研究工作是国际上的最新 研究热点,它在常规光纤激光器研究工作的基础上,利用频率上转换技术大大扩展了激光器的频率范围,可获得近红外光、可见光乃至更短波长的激光输出。 六、结语 随着光通信络及相关领域技术的飞速发展,光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进;技术的进 步,特别是以光纤光栅、滤波器、光纤技术等为基础的新型光纤器件等的陆续面市,将为光纤激光器的设计提供新的对策和思路。包层泵浦光纤激光器和单波长、 2lRFL和3lRFL的面市,无疑体现出光纤激光器的巨大潜力。尽管目前多数类型的光纤激光器仍处于实验室研制阶段,但已经在实验室中充分显示其优越 性。目前光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。其中比较突出的光纤激光器类型有:能根据客户需要波长而输出特定波长的Raman光纤激光 器,针对WDM系统而开发的基于超连续谱的多波长光纤激光器,能改变波长间隔的多波长光纤激光器。可以预见,光纤激光器将成为LD的有力竞争对手,必将在 未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。 (:xiaoyao)

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