光通信系统光源---光纤激光器.

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1、1 第三章第三章 光通信系统光源光通信系统光源 -光纤激光器光纤激光器 第三章第三章 光纤激光器光纤激光器 3.1 光纤激光器简介 什么是光纤激光器 光纤激光器的发展及分类 3.2 光纤激光器的基本理论 光纤激光器的基本结构 掺杂离子的能级结构 谐振腔结构 3.3 光纤激光器的特点及应用 光纤激光器的简介 光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层 构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介 质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与 纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输 ；涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水 汽的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的

2、柔韧性。 光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介 质的激光器，可在光纤放大器的基础上开发出来。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”，当适当加入 正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。 20世纪60年代初：美国光学公司的Snitzer（斯尼泽 ）首次提出光纤激光器的概念。 20世纪70年代初：美国、苏联等国的研究机构开展 初步研究工作。 1975年至1985年：由于半导体激光器工艺和光纤制 造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞。英国的 南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、 日本的NTT、美国的斯坦福大学和Bell实验室，

3、相继 开展了光纤激光器的研究工作，成果显著。 光纤激光器的发展光纤激光器的发展 3.1 光纤激光器的简介 1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩： 用 MCVD方法制作成功单模光纤激光器 光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的 研究工作。 英国通信研究实验室(BTRL )： 1987年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器 装置 在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作 在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面 做了开拓性的工作。 20世纪80年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为 光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤 化。 光

4、纤激光器的发展光纤激光器的发展 u 1988年 , E. Snitzer等提出了双包层光纤 ,从而使一直被认 为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破。 u 90年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的 功率水平提高了45个数量级，是光纤激光器发展史上的 又一个里程碑。 u 进入 21世纪后 ,高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进 , 最高输出功率记录在短时间内接连被打破 ,目前单纤输出功 率 (连续 )已达到 2000W 以上。 光纤激光器的发展光纤激光器的发展 光纤激光器的发展光纤激光器的发展 近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展 示S、C、L Band

5、s 的各种光纤放大器，高功率 的EDFA，Raman光纤激光器和双波长Raman光 纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激 光器，最大功率达1万瓦；单模输出功率高达 1000W,光束质量非常好。 光纤激光器的分类光纤激光器的分类 u按谐振腔结构分类：F-P 腔、环形腔、环路反射器光纤谐 振腔以及“8”字形腔DBR 光纤激光器、DFB 光纤激光器 u按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器 u按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光 纤激光器 u按掺杂元素分类：掺铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镨（ Pr3+）、铥（Tm3+）镱（Yb3+）、钬（Ho3+） u按输出波长分

6、类：S-波段（12801350nm）、C-波段（ 15281565nm）L-波段（15611620nm） u按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器 第三章第三章 光纤激光器光纤激光器 3.1 光纤激光器简介 什么是光纤激光器 光纤激光器的发展及分类 3.2 光纤激光器的基本理论 光纤激光器的基本结构 掺杂离子的能级结构 谐振腔结构 3.3 光纤激光器的特点及应用 激光器原理激光器原理 激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一 般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以 叫作构成激光器的三要素。 1. 产生粒子数反转 任何材料处于平衡态时部是低能态电子数远大于高能态电子 数。

7、 当外来光子将低能态电子激发到高能态后，由于高能态的电 子寿命很短，处于高能态电子又很快回到低能态，这种向上和 向下的跃迁几乎是同时进行的。 为了获得粒子数反转，就需要极大的激发强度，能够一下子 把低能态电子大部分激发到高能态上去。具有这样大激发强度 的光源是很难得到的，因而也限制了激光器的使用；同时，很 大的激发功率也可能损坏材料。 3.2 光纤激光器的基本结构 2 2 谐振腔谐振腔 激光器谐振腔一般为F-P干涉共振腔结构，它是由两个 反射率很高的相互平行的端面组成的腔体，激光材料产生 的受激光发射就是在共振腔里形成的。 如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那 么共振腔两端面之间来回

8、反射的光在传播过程中不断激发 出受激辐射，由受激辐射产生的光子加入到传播方向平行 于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生受激跃迁的光 场越来越强。 L PiP f R1R2 反射面 反射面 腔体轴线1 2 Ef Ei 激光输出 激光输出 虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入， 但自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于 共振腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余的自发跃迁受 到抑制；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔共振频 率的限制，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被 抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有特 定频率的足够强的激发光场。 另一个作用：在

9、共振腔内形成的受激光一部分通过共振 腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回 来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所以，只要在共振腔 内的激光材料始终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的 受激光发射。 2 2 谐振腔谐振腔 3 3 功率源功率源 为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中 激光材料的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子 数反转达到一定的程度，称为阈值反转密度。 因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源 ，它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。 在半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激 发功率的。 光纤激光器基本结构光纤激光器基本结构 光纤激光器和其他激光器一样，由

10、能产生光子的增益介 质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光 学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。 激光输出 未转换的泵浦光 稀土掺杂光纤 泵浦光 稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器 稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前 比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、 Nd3+ 、 Pr3+、 Tm3+、 Yb3+。 u 掺铒(Er3+)光纤在1.55m波长具有很高的增益，正对应低 损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光 纤激光器发展十分迅速。 u 掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长1.0-1.2m的通用源，Yb3+ 具有相当宽的吸收带(8

11、001064nm)以及相当宽的激发带(970 1200nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有 受激态吸收。 u 掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重 要的光纤通信光源。TKomukai等人获得了输出功率 100mw、斜率效率59的1.47m掺Tm3+光纤激光器。 掺杂离子的能级结构 1. 三能级系统的能级结构 铒离子（Er3+）能级结构 4I11/2 4I13/2 4I15/2 980nm泵浦 1480nm 泵浦 无辐射跃迁 1550nm 基态 高能态 亚稳态 2. 四能级系统的能级结构 钕离子（Nd3+）能级结构 4G7/2 4F5/2 4F3/2 4I15/

12、2 4I13/2 4I11/2 4I9/2 800nm 泵浦 920nm 1060nm 1350nm 激发态吸收 1330nm 无辐射跃迁 下能级 高能态 亚稳态 激发态吸收是指处于上能级的粒 子吸收泵浦能量向更高能级跃迁 的过程，是一种能量的无效损耗 ，降低泵浦效率。 3.上转换能级的结构 可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自同一 （或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃迁到 能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高于泵 浦光频率的过程。 1060nm泵浦 1060nm泵浦 1480nm 1G4 3F2 3H4 3H5 3F4 3H6 1

13、060nm泵浦 铥离子（Tm3+）上转换能级图 对于通讯应用，目前认为掺Er光纤激光器最适宜，因为它 能工作在石英光纤最低损耗波长1.51m处，调谐范围 50nm，可供多路光频复用。它的泵浦波长可在0.807m、 0.980m和1.490m，但目前最易得到的是0.980m的激光 二极管，它能提供连续输出几百mw，Q开关15ns脉冲功率 100w。理论上有可能获得1kw。 世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的L. Reekie教授于1987年实现。 稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器 其他的掺杂光纤激光器，如2.1m工作的掺钬(Ho3+) 光纤激光器，由于水分子在2.0m

14、附近有很强的中红 外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该 波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广 阔的应用前景。 世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的 R.J. Mears教授于1985年实现。 稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器 光纤激光器的谐振腔结构 1.线形腔 泵浦光 掺杂光纤 M1M2 输出激光 A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免 散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜 稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。 B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛

15、 光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘 镀层损坏，降低激光器的性能。 M1全反 M2部分 反射 为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或 将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反 射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。 下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光 器 。 EDF FBG FBG1FBG2 DBR光纤激光器 DFB光纤激光器 2. 环形腔 环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是 将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所 示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点 ）连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜 ”的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。 简单的光纤环形谐振腔结构 PC ISO Doped fiber WDM output pump 环形腔光纤激光器结构图 波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着 掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还