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1、光纤激光器及技术进展伍浩成中国电子科技集团公司第三十四研究所 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 E.Snitzer 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 S.B.Poole 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、
2、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
3、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
4、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
5、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 Techn
6、ologe” 。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(930-970nm),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
7、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。OFC2002 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。图 2 一种新型的光纤激光器腔
8、体结构四、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
9、激光器的结构基本相似，都采用布拉格光栅纤 芯外包层内包层保护层图1 双包层光纤及工作原理(a)(b)激光输出内 包 层外 包 层纤芯多模泵浦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。N.Kurukithoson 等在 ECOC2001 会议中
10、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1061nm2，和采用掺 GeO2 的掺杂光纤的RFL 相比，减少了一级拉曼上变换。ECOC2001 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 EDFA3。OFC2001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 1
11、064nm，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(2RFL)和三波长拉曼光纤激光器(3RFL)已成功演示，IPG等已开始形成产品。阿尔卡特公司在 OFC2002 会议上报道的一种可重构三波长拉曼光纤激光器(3RFL)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 50mW400mW 范围内可调。整个3RFL 的主体部分
12、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
13、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。掺镱光纤激 光 器 FBG1 FBG2 FBG3 FBG41483.4 1239 1239 1483.4掺 P光纤FBG51484单模光纤SC腔体拉曼激光器图 3 采用 RFL产生超连续谱实验装置Yb3+激光器 1117nm 1480145514271375掺 P光纤1312图 4 一种三波长拉曼光纤激光器装置95/5耦合器 11
14、1713121375142514531478图 5 三波长拉曼光纤激光器 Stocks功率迁移示意1117.21312.21375.31455.01427.0 1480.0采用和图 4 相似的结构，OFC2002 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1466nm67。OFC2001 的一篇论文报道了一个 3RFL，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 0.4nm8。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
15、地位和作用，也是构建拉曼光纤激光器的另一种重要方式。OFC2001 中的一篇论文报道了一种双波长的环行拉曼光纤激光器(2RFL)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
16、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 500m，在 1522nm 处提供的小信号增益为 23dB，SOA2 的长度是250m，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
