（光学工程专业论文）高性能掺杂石英光纤及光纤激光器研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 本文首先扼要介绍了目前光通信用掺铒光纤的研究近况以及近年来新兴起 的铋掺杂光纤的研究背景，对目前不同类型掺铒光纤的性能和优缺点进行了分析 讨论，对应用铒光纤制备单频光纤激光器的结构、原理和发展历史等进行了介绍。 同时对目前在光通信波段可能具备宽带放大特性和潜在应用价值的铋光纤的研 究现状进行了介绍。 本文对铒掺杂线性腔结构的光纤激光器理论进行了分析，并做了相应计算， 分析了铒光纤激光器研制过程中各参数的影响和作用，并对研制激光器用的 f b g 、特别是耐高温f b g 的理论做了简单的阐述。 成功地制备了新型的铒铋铝共掺的石英光纤，经性能测试分析，发现其具备 高吸收系数和高荧光效率。利用2 c m 长度的此种光纤成功研制了线性腔结构单频 光纤激光器，经测量线宽小于l k h z ，旁模抑制比优于3 0 d b ，输出功率0 6 2 m w 。 采用m o p a 结构放大上述的单频光纤激光器，有效地利用了泵浦源，并使单频激 光输出功率提高到了1 0 5 m w ，斜率效率达2 3 。 结合本研究室以前研究的耐高温f b g ，利用它作为光纤激光器的腔镜，研制 了耐高温的紧凑型光纤激光温度传感系统，适合于大工作温度范围的传感应用。 经测试，该系统适用于从室温至4 0 0 0 c 温度范围内的传感应用，温度测量精度高 于o 1 0 c 。 通过对铝共掺杂与不共掺杂两种铋掺杂石英光纤的性能研究分析，以及利用 此类光纤研制光纤激光器的实验经验，得出，影响目前铋掺杂石英光纤激光器性 能低下的原因可能是近红外荧光和可见光荧光发光中心不同的结论。发现在两种 光纤，特别是不共掺铝的铋光纤中存在着强烈的荧光上转换现象。由此得出，如 果能合理地配置该类铋掺杂光纤的成分，就有希望将更多的发光中心转移到近红 浙江大学博士学位论文 摘要 外发光中去，从而提高铋掺杂石英光纤的发光性能，进一步提高铋光纤激光器的 效率。 关键词：石英光纤，铒掺杂，铋掺杂，单频光纤激光器 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n tr e s e a r c ho ne r b i u md o p e df i b e ra n dt h eb a c k g r o u n do ft h en e w l y b i s m u t hd o p e df i b e rw e r ec o m p e n d i o u s l yd e s c r i b e d ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n t k i n d so fe r b i u md o p e df i b e r sw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，p r i n c i p l e ，h i s t o r yo ft h e e r b i u md o p e df i b e r sa n dt h ec o n f i g u r a t i o n so ft h es i n g l ef r e q u e n c yf i b e rl a s e r sb a s e d o nt h ee r b i u md o p e df i b e rw e r ei n t r o d u c e d b e s i d e s ，b i s m u t hd o p e ds i l i c af i b e rw h i c h h a sap o t e n t i a lu s i n gi no p t i c a la m p l i f i c a t i o nw e r ea l s oi n t r o d u c e d 砀ea n a l y s i so nt h et h e o r yo ft h el i n e a rc a v i t ye r b i u md o p e df i b e rl a s e rw a s p r e s e n t e d ，a f t e rc a l c u l a t i o n ，t h ed i f f e r e n tf u n c t i o n so ft h ep a r a m e t e r sp r e s e n t e di nt h e p r o c e s so ff i b e rl a s e r f a b r i c a t i o nw a sa n a l y z e d ，a f t e rt h a t ，t h e o r yo ft h ef b g ； e s p e c i a l l yw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g ht e m p e r a t u r es u s t a i n a b l e ，w e r ec o n c i s e l y i n t r o d u c e d n o v e le r b i u m - a l u m i n u m - b i s m u t hc o - d o p e df i b e rw a ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d ， a f t e ri n v e s t i g a t i o n ，i tw a sf o u n dt h a tt h ef i b e rh a sag o o dq u a l i t yw i t hh i g ha b s o r p t i o n c o e f f i c i e n ta n df l u o r e s c e n c ee f f i c i e n c y w i m2 c ml e n g t ht h i sk i n do ff i b e r , as i n g l e f r e q u e n c yf i b e rl a s e rw i t h0 6 2 m wo u t p u to p t i c a lp o w e rw a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d b a s e do nl i n e a rc a v i t y , t h el i n ew i d t ho ft h ef i b e rl a s e rw a sn a r r o w e rt h a nlk h za n d w i t ham o r et h e3 0 d bs i d em o d es u p p r e s s i o n t h ep u m pp o w e rw a se f f e c t i v e l yu s e d w h e nt h ef i b e rl a s e rw a sa m p l i f i e dw i t hm o p a c o n f i g u r a t i o n , o u t p u tp o w e rw a sa l s o i n c r e a s e dt o10 5 m ww i t has l o p e de f f i c i e n c yo f2 3 c o m b i n et h eh i g ht e m p e r a t u r es u s t a i n a b l ef b gw h i c hi n v e s t i g a t e db e f o r ei nl a b ， u s e di ta st h em i r r o r so ft h el a s e rc a v i t y , ac o m p a c tt e m p e r a t u r es e n s o rs y s t e mb a s e do n f i b e rl a s e rw h i c hc o u l db e u s e di naw i d et e m p e r a t u r er a n g ew a ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d a f t e re x p e r i m e n t ，i tc o u l db eu s e di nt h er a n g ef r o mr o o mt e m p e r a t u r et o 4 0 0 0 cw i t har e s o l u t i o no f0 1o c a f t e ri n v e s t i g a t i o no ft h ef l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb i s m u t hd o p e ds i l i c a f i b e r sw i ma n dw i t h o u ta ic o - d o p a n ta n dt h ee x p e r i e n c eo ft h ef i b e rl a s e rd e v e l o p m e n t o ft h e s ek i n do ff i b e r s i tw a sf o u n dt h a tt h ev i s i b l ea n dt h ei n f r a r e df l u o r e s c e n c eo ft h e b i s m u t hd o p e df i b e r sm a yo r i g i n a t ef r o md i f f e r e n te m i s s i o nc e n t e r sa n dm a yb et h e r e a s o nw h i c hc a u s et h el o we f f i c i e n c y o ft h eb i s m u t hf i b e r l a s e rt e m p o r a l l y f u r t h e r m o r e s t r o n gu p c o n v e r s i o n l u m i n e s c e n c ew a sa l s oo b s e r v e d i nb o t ha 1 c o d o p e da n dn o n a 1c o d o p e db i s m u t hd o p e df i b e r s i t i st h u se x p e c t e dt h a tb y o p t i m i z i n gt h ec o m p o s i t i o n sa n dt h ef a b r i c a t i o nc o n d i t i o n s o ft h ef i b e ra n dt h e n t r a n s f e r r i n gm o r ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o nc e n t e r st ow h i c hi sa b l et oe m i ti n t h ei n f r a r e d ， ab i s m u t hd o p e ds i l i c af i b e rw i t hb e t t e rf l u o r e s c e n c ea n dl a s e rp e r f o r m a n c em a yb e o b t a i n e d k e y w o r d s ：s i l i c af i b e r e r b i u md o p e d ，b i s m u t hd o p e d ，s i n g l ef r e q u e n c yf i b e r l a s e r 浙江大学博十学位论文 第1 章绪论 1 1 高性能掺杂石英光纤 第1 章绪论 随着计算机网络及其它数据传输业务的飞速发展，长距离光纤传输系统对通 讯容量和系统扩展的需求日益膨胀。传统的掺铒石英光纤放大器( e d f a ) 由于 其较小的增益带宽( - 3 0 n m ) ，将不能满足信号传输高速大容量的要求【l 】。因此， 为了获得带宽大、增益平坦的光纤放大器，研制高性能的掺铒光纤，使光纤放大 器放大性能由c 波段( 1 5 3 5 1 5 6 5 n m ) 向l 波段( 1 5 7 0 1 6 1 0 n m ) 扩展，满足当 前密集波分复用系统( d w d m ) 对放大器的要求，已成当务之急。虽然目前光通 信采用的光纤基质材料为石英，但是铒离子在石英基质中高掺杂后却会造成离子 的团簇和荧光淬灭效应，从而降低荧光效率。因此近年来，许多研究者主要把精 力集中于对磷酸盐玻璃【2 】、氟磷酸盐玻璃【3 】、氟化物玻璃【4 】等对铒离子的可溶性较 大的材料。基于这些基质玻璃的铒掺杂光纤相关特性见表1 1 。但是，磷酸盐玻 璃制成的光纤和普通光通信用的石英光纤的焊接损耗较大，难以广泛应用。掺e r 3 + 碲酸盐玻璃在光第三通讯窗口1 5 5pr n 处虽然具有较大的受激发射截面( oe = 7 5 x1 0 。2 1 c m 2 ) 和较大的荧光半高宽( - 7 0 n m ) ，因此被认为是提高波分复用系统 ( w d m ) 1 5 5l am 放大波段传输容量的较为吸引人的基质材料，但其较差的玻璃 热稳定性以及昂贵的价格使其同样很难得到实际的广泛应用。 除了以上这几种基质材料外，铋酸盐基质的铒掺杂材料也引起了广泛的关 注。2 0 0 0 年，日本京都大学的t a n a b e 等人首先报道了一种掺铒铋酸盐基质玻璃 的放大特性，发现铒离子在铋酸盐基质中具有更大的受激发射截面和更高的荧光 半高宽【5 1 。说明铋酸盐玻璃基质更有利于光纤放大器实现宽带放大。在2 0 0 1 年的 o f c 年会上，日本旭硝公司和京都大学联合报道了关于铋酸盐基的掺铒光纤【6 j ， 铒离子的掺杂浓度为6 5 0 0 p p m ，采用2 2 c m 的掺铒光纤在1 5 6 0 n m 处获得了1 8 d b 的净增益，在c + l 波段的增益大于9 d b 。 浙江火学博上学位论文第1 章绪论 表1 1 不同基质玻璃光纤的性能参别9 m l 掺铒石英玻掺铒碲酸盐掺铒铋酸盐掺铒磷酸盐 璃光纤 玻璃光纤玻璃光纤玻璃光纤 工作波长c 波段c + l 波段c + l 波段c 波段 背底1 5 d b 国 0 0 2 7 d b 1 8 d b o 1 d b 、- ， 损耗 1 2 0 0 n m 1 2 3 0 n m1 2 1 0 n m1 3 0 0 n m 截止1 3 0 0 n m1 4 0 0 n m1 3 0 0 n m1 3 5 0 n m 波长 性能 模场 5 5 ：l 0 3i x5 + 0 2 i x7 1 + 0 2p4 8 + 0 2p 参数 直径m 15 5 0 n m m 国1 5 5 0 r i mm 国1 5 6 0 n m m 1 5 3 5 n m、 数值 o 2 3o 2 1o 2 00 2 5 孔径 芯折 1 4 62 0 2 12 0 31 5 4 射率 离子 3 0 0 5 0 0 p p m 10 0 0 2 0 0 0 p p 6 5 0 0 p p m5 4 0 0 0 p p m 浓度 m 研究和生产 c o m i n g ， n t t ，n e c ， a s a s h ic o k i g r e ，n p 代表 l u c e n t ，f i b e r c 强0 d a b s k y o t op h o t o n i c s o r e u n i v e r s i t y 众所周知，目前在光通讯中普遍采用的是石英基质光纤。石英光纤与不同基 质的光纤焊接损耗较大，因此石英基质的高掺铒光纤具有极大的产业和应用需 求。但铒离子在石英光纤中的离子团簇现象【7 8 】使得在纯掺铒的石英光纤中无法实 现高的铒掺杂浓度，从而难以同时实现在光通信波长上的高增益和宽带荧光。根 据铋基玻璃中铒掺杂的良好特性，我们推测铒铋共掺的石英光纤可能具有优良的 特性。作者在国际上首先研制了铒高掺杂的铒铋共掺石英光纤，发现其具有较宽 2 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 的荧光光谱和很高的增益系数。同时利用这种高性能的铒掺杂石英光纤成功制备 了1 5 5l am 波段的线性短腔单频光纤激光器。 除了作为铒光纤的共掺修饰体外，铋离子掺杂的石英光纤本身也具有在光通 信波段非常诱人的特性。自从2 0 0 0 年在铋掺杂的石英玻璃中发现了近红外光通 信波段的超宽带荧光之后【1 3 l ，铋掺杂的石英光纤也吸引了广大研究者的兴趣【1 4 1 ， 并且基于这种光纤的各种类型的光纤激光器也在近几年相继研制成功 | 5 - 2 0 1 ，其在 近红外波段的超宽带增益特性可能应用于未来的光通信中。但是到目前为止，基 于铋掺杂的光纤和玻璃等材料的研究尚处于起步阶段，其发光特性尚有很多疑 问，发光中心目前尚无定论，所研制的光纤激光器还存在着斜率效率较低等问题， 仍需要进一步的研究和发展。 1 2 铒掺杂光纤 随着1 9 7 6 年南安普敦大学的d a v i dn p a y n e 教授所带领的研究团队用改进 的化学气相沉积法( m c v d ) 制备了低损耗的掺铒光纤后【2 1 1 ，光纤放大器开始蓬 勃发展，从而使得光纤通信的发展迈出了关键的一大步，同时也使得铒掺杂光纤 的研究进入了一个新的阶段。目前，该方面的研究热点是研制高性能的具有宽带 放大特性的e d f a 和高性能的光通信波段可调谐的光纤激光器。而达到这些目标 的基本要求是研制具有高增益和宽带荧光发射的铒掺杂光纤。目前铒掺杂的光纤 按基质与掺杂离子特点划分主要有三大类： 1 单纯掺铒石英光纤 此类光纤为传统的铒掺杂石英光纤，因为铒离子在石英基质中的团簇效应 【7 ，射，一般只能实现铒离子的低浓度掺杂，铝离子的共掺能在一定程度上减轻团簇 效应，但可达到的铒离子掺杂浓度一般也不高于1 0 0 0 p p m ，因此一般增益较低。 当这类光纤用做e d f a 和光纤激光器研制时，为获得足够的增益，往往需要较长 的光纤，效率较低。特别是在铒掺杂光纤激光器的研制过程中，光纤激光器的光 浙江大学博十学位论文第l 章绪论 纤越长，光纤的非线性效应就越明显。受激拉曼散射( s r s ) 和i 受激布里渊散射( s b s ) 是光纤激光器和放大器中的主要非线性现象，都跟光纤的长度成正比【2 2 】。因此， 在高功率系统等非线性现象要求较高的场合，有必要缩短掺铒光纤的长度。当然， 由于低掺杂石英光纤中铒离子的掺杂浓度较低，因此可以用来构建稳定的线性腔 或环形腔激光器，或用于低功率的光纤放大器。 2 ，高掺铒光纤 虽然铒离子在石英基质中难以获得高掺杂，但却在许多其它的玻璃基质中有 很高的可溶性。铒离子在磷酸盐玻璃和碲酸盐玻璃中均实现了很高浓度的掺杂， 并获得了很高的增益。利用这些基质制备的铒高掺杂光纤也获得了较宽的荧光光 谱和很高的增益，并实现了高性能的铒掺杂离子的光纤激光器和光纤放大器。但 是磷酸盐光纤与石英光纤的焊接存在着很大的损耗，碲酸盐光纤本身更存在热稳 定性差的缺点，使得这些光纤在实际的应用中都存在着各自不同的问题。 3 e r y b 共掺的光纤 为使厘米级光纤短腔有大的泵浦吸收以提供足够大的激光增益，9 0 年代初 期，国际上报道的掺铒光纤激光器大多采用了高掺铒光纤。为降低腔内损耗往往 将一对布喇格光栅直接写在掺铒光纤上。然而，那时的高掺铒光纤仍不足以在厘 米级光纤上提供足够的泵浦吸收，使得激光器斜率效率低于1 ，最高输出功率 限制在2 0 d b m 到1 0 d b m 范围【2 3 2 4 】。为提高输出功率，往往需要级联一级光纤放 大器，这就是所谓的主振荡功率放大器( m o p a ) 结构【2 5 - 2 7 。但是，高掺铒光纤固有 的离子团簇效应【2 8 】既降低了掺铒光纤光栅激光器的量子效率又容易引起激光输 出的自脉冲【2 9 1 。尽管这种输出功率的不稳定可以通过泵浦光反馈调制的方法克 服，但对于m o p a 结构的掺铒光纤激光器就显得过于复杂。这些不利因素主要源 于掺铒光纤的低泵浦吸收效率。 克服上述低泵浦吸收的一个有效方法是采用e r y b 共掺光纤f 3 0 ，3 1 1 。该光纤具 有宽泵浦吸收带宽( 8 0 0 1 1 0 0r i m ) ，在9 8 0 n m 处具有比普通铒掺杂光纤高出两个 量缴的泵浦吸收强度( 典型值为2 d b c m ) 。在e r y b 光纤中，铒离子的低掺杂浓度 4 浙江大学博上学位论文 第1 章绪论 避免了激光器的自脉冲效应。美国n p p h o t o n i c s 公司利用2 c m 长的e r y b 共掺磷 酸盐玻璃光纤研制成的分布式b r a g g 反射( d b r ) 激光器获得了功率超过1 0 0 m w ， 线宽小于2 k h z 的激光输出【3 2 , 3 3 1 。但是，这类光纤的缺点是吸收能量需要在y b 和 e r 离子间进行转移，存在相当的能量损失。而且能量的转移存在着一定的驰豫时 间，难以实现高功率短脉冲的调q 铒激光输出。 鉴于上述的国际上铒掺杂光纤的研究现状，本论文期望通过深入的研究，研 制一种铒高掺杂的石英光纤，具有高增益、大带宽的特性，适用于高性能光纤激 光器与光纤放大器。按照这一思路，本文研制了一种新型的铒铋铝共掺的高性能 石英光纤，铒的掺杂浓度达到了8 0 0 0 p p m ，经测量具有大的荧光带宽和很高的增 益。该光纤具有高性能的原因，一方面是铝离子和铋离子的掺杂与铒离子实现的 桥接，减少了铒铒桥接的数目，减弱了石英基质中铒掺杂离子的团簇效应，增大 了有效的铒离子掺杂浓度，提高了增益系数。另一方面，铋离子的掺入可能降低 了基质的声子场，使得非辐射跃迁的几率变低，从而提高了发光效率。因为这种 光纤实现了石英基质上的铒的高掺杂，能与普通的石英光纤实现低损耗的熔接 ( 典型值为0 0 1 d b ) ，因此，是一种研制光纤放大器和光纤激光器的新型优质材 料。本论文的第三章将对此进行详细介绍。 1 3 铒光纤激光器 光纤激光器是指应用光纤为基质掺入某些激活离子作为工作物质或利用光 纤本身的非线性效应制成的一类激光器。一个端面纵向泵浦的光纤激光器的基本 结构如图1 1 所示。一段掺杂稀土离子的光纤被放置在两个腔镜之间，泵浦光从 左边腔镜耦合进光纤，随着泵浦光的传导，掺入光纤中的激活离子被激发，在满 足激光振荡的条件下，可以实现激光沿着光纤的振荡，激光从光纤的另外一端输 出。所以，光纤激光器是一种波导型的谐振腔装置，光波的传输由光纤承担，这 种结构其实也是一种f a b r y p e r o t 谐振腔结构。光纤激光器实际上也可被认为是一 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 种波长转换器，在泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂 光纤介质中产生受激发射而输出另一种波长的激光。 增益光纤 谐振腔 图1 1 光纤激光器的基本结构示意图 目 激光输出 因为光纤激光器具有一些其它激光器无法比拟的优点，在近几年受到广泛的 关注，其特点主要表现在： ( 1 ) 光纤激光器中，光纤既是激光介质又是光的导波介质，因此泵浦光的 耦合效率相当高，加上光纤激光器能方便地延长增益介质的长度，使泵浦光充分 的吸收，而使光光的转换效率超过6 0 ； ( 2 ) 光纤的几何形状有很大的表面积体积比，散热快，它的工作物质的 热负荷相当小，能产生高亮度和高峰值功率； ( 3 )光纤激光器体积小，结构简单，工作物质为柔性介质，可设计的相当 灵巧，使用方便； ( 4 ) 作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质具有相当 多的可调参数和选择性，光纤激光器可以在很宽的光谱范围内( 4 5 5 3 5 0 0 h m ) 设 计运行，加上玻璃光纤的荧光谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐 的光纤激光器； ( 5 ) 光纤激光器还容易实现单模、单频运转和超短脉冲； ( 6 ) 光纤激光器增益高，噪声小，光纤到光纤的耦合技术非常成熟，连接 损耗小且增益与偏振无关； ( 7 ) 光纤激光器光束质量好，具有较好的单色性、方向性和温度稳定性； 6 浙江大学博上学位论文第1 章绪论 ( 8 ) 光纤激光器所基于的石英光纤的制作工艺现在已经非常成熟，因此可 以大批量地制作出高品质、低损耗的光纤，大大的降低了激光器的成本。 1 3 1 掺铒光纤激光器的研究与发展 掺铒光纤激光器可以提供光纤通信第三窗口( 1 5 5 0 n m 波段) 的大范围可调谐 的窄带激光光源，而且具有低闽值、高功率、高信噪比、高温度稳定性、易于与 光纤系统集成等优点，是当前光通信系统的重要光源，也是未来高速大容量光纤 通信系统的理想光源。同时，掺铒光纤激光器也可为系统测试和光纤传感提供理 想的光源，因此引起了广泛的研究兴趣。经过多年的发展，掺铒光纤激光器已经 在单频光纤激光器、窄线宽光纤激光器、调q 光纤激光器和锁模光纤激光器等领 域获得广泛的研究与发展。 一、窄线宽单频( 可调谐) 掺铒光纤激光器 单频掺铒光纤激光器也称单纵模掺铒光纤激光器，顾名思义，它只有一个纵 模的激光起振，因此线宽可以非常小，典型的理论值小于l k h z 。但受腔的稳定性 等环境因素的影响比较大，理论值很难达到，现在其线宽一般可做到小于m h z 量 级。与半导体激光器相比，光纤激光器的腔长一般比较长，所以纵模间距小，想 要得到单纵模激光输出就必须使腔镜具有更高的波长选择性，以保证只有一个纵 模的光起振。此类激光器已经利用窄线宽光纤光栅( f b g ) 【3 4 1 、饱和吸收体1 3 5 】、复 合腔结构【3 6 1 、干涉滤波器或f p 可调滤波器【3 7 1 之间的组合应用实现。其中，光纤 光栅是反射型波长选择器件，其带宽窄、插入损耗小、无偏振选择的特性，可直 接作为线性腔光纤激光器的端面反射镜用，或者为环形腔光纤激光器提供波长选 择性反馈，从而得到窄线宽的激光输出。而f p 滤波器法则是透射型波长选择器件， 其带通宽度取决于其精细度，对与其带通波长相同的光损耗很小，不同的光损耗 很大，因此也可以形成窄带激光。由于铒光纤的非均匀展宽特性以及在驻波腔中 存在空问烧孔效应，铒光纤存在与激射模相邻的纵模的增益，因此要求波长选择 7 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 特性满足对相邻模式的衰减必须大于其增益，才能保证相邻模式不起振，因此一 般采用行波腔结构如单向的环形腔更容易得到单模输出【3 8 1 。 掺铒光纤激光器的可调谐特性非常重要，窄线宽的可调谐掺铒光纤激光器无 论是在光纤w d m 通信系统，还是在光纤传感、光纤放大器测量等领域都有重要 的应用。用前述f b g 滤波或f p 可调滤波器滤波的方法都可以得到窄线宽的可调谐 掺铒光纤激光器。对f b g ，只要使其沿轴向发生应变或改变温度就可以改变其布 喇格波长，从而改变激光波长，但这种方法受f b g 调谐范围的限制，其调谐范围 并不大。f p 滤波器可以通过改变反射端面之间的距离来调谐，一般利用压电陶瓷 ( p z t ) 法，调谐范围可以大于1 0 0 n m 。值得一提的是光纤f p 滤波器，其与光纤的 耦合性好、插入损耗低，是一种很有吸引力的调谐方案【3 9 】。另外，利用声光调制 滤波- 器r ( a o m ) t 4 0 l 、双折射滤波器【4 1 1 等也可以得到窄带可调谐掺铒光纤激光器。还 有一种方法称为互注入法( m u t u a li n j e c t i o n ) ，通过f p 激光器和光纤激光器之间的 互注入【4 2 1 ，也可以得到波长可调的单纵模激光输出，但是此方法的缺点是调谐步 进受f p 激光器较大模式间隔的限制，不能连续可调。 二、调q 掺铒光纤激光器 除连续波光纤激光器以外，人们还经常要用到短脉冲的光纤激光器，作为分 布式传感或距离探测的激光源等。在该领域，半导体激光二极管虽然具有使用方 便和集成度高的优点，但是半导体材料损伤阈值太低，无法承受超短脉冲的高功 率。而光纤激光器可以承受很高强度的光，所以半导体激光二极管泵浦的光纤脉 冲激光器具有光明的前景。用调q 方法直接调制光纤激光器可以产生短的脉冲激 光。1 9 8 6 年，人们把声光调制器放置在掺铒光纤激光器中产生了调q 光脉冲【4 3 】。 从那以后，出现了多种形式的调q 光纤激光器。调q 光纤激光器可以产生峰值功率 很高( 大于l k w ) 的脉冲，脉宽可达n s 量级。 三、锁模掺铒光纤激光器 与调q 光纤激光器相比，锁模光纤激光器可产生脉宽更窄、重复频率更高的 脉冲。1 9 8 9 年，d c h a n n a 及m w p h i l i p s 等用铌酸锂相位调制器演示了第一个 8 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 锁模掺铒光纤激光器，得到了3 7 p s 的锁模脉冲和4 5 w 的峰值输出功率脚】。高重 复频率、窄脉宽的掺铒光纤锁模激光器可以用作o t d m 的光源，有着极为重要的 应用前景。目前，相对于w d m ，o t d m 还不成熟，很多器件尚处于实验室研究 阶段。但是它具有两大优点吸引着广大研究者的兴趣，一是可以克服w d m 的一 些固有缺点，如放大器级联产生的增益特性的不平坦，光纤非线性效应等；二是 o t d m 被认为是一种长远的网络技术，在将来的全光网络组网过程中优势明显。 锁模的光纤激光器是产生o t d m 所需的超短脉冲的一种重要光源，目前利用光纤 的非线性效应结合锁模光纤激光器( m l f i 也) 已经可以产生脉宽在l o o t s 下的脉 冲，可以做t b i t s o t d m 的信号源。 1 3 2 单频铒光纤激光器的研制 一、国内外掺铒单频光纤激光器的发展状况 上世纪7 0 8 0 年代中期，许多发展光纤激光器所必需的工艺技术趋于成熟，掺 铒光纤的突破使光纤激光器更具有实用性。低损耗石英单模光纤和半导体激光器 都已商品化并得到广泛的应用，而且还完善了基于石英光纤的定向耦合器的制 作，这些都为光纤激光器的研制铺平了道路。在1 9 9 0 年以后，稀土类掺杂光纤激 光器、光纤非线性效应激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器的开发都取得 了很大的进展，高功率光纤激光器、超短脉冲光纤激光器和窄线宽光纤激光器成 为研究的热点d 5 , 4 6 。 在窄线宽单频光纤激光器的初始发展阶段，主要是针对腔形设计、选模方案 进行研究，此时窄线宽单频光纤激光器的输出功率偏低。 1 9 9 1 年，b a l l 等人首次用写入布喇格光栅的方法实现了单频输出【4 7 】，输出波 长1 5 4 8 n m ，线宽为4 7 k h z 。 1 9 9 3 年，j t k r i n g l e b o t n 等采用e r y b 共掺光纤制作了短腔光纤激光器【4 引，腔 长1 0 c m ，以二向色镜和光纤光栅为端镜，输出波长1 5 4 5 n m ，功率为7 6 m w ，用 9 浙江人学博十学位论文第i 章绪论 扫描f p 干涉仪量证实为单频运转，采用5 0k m 光纤延迟线的自外差方法测量线宽 小于2 5 k h z 。 1 9 9 4 年，以色列的h o r o w i t z 等人首先在线形腔光纤激光器腔内加入一段掺e r 光纤饱和吸收体来抑制跳模，在1 5 3 2 m n 波长处获得了5 k h z 窄线宽激光，光谱稳定 时间为数分钟【4 9 】。 1 9 9 5 年，英国南安普敦大学的y c h e n g 等人报道了环形腔掺e r 光纤饱和吸收 体窄线宽光纤激光器，得到了输出功率6 2 m w ，线宽0 9 5 k h z ，波长1 5 3 5 n m 的窄 线宽输出，频率偏移范围为- - d , 时1 7 0 m h z 5 0 1 。 1 9 9 5 年，w h l o h 伟t 作了1 0 c m 长相移d f b 光纤激光器【5 ，中心波长1 5 4 9 n m ， 功率1 2 m w ，采用n e w p o r ts u r p e r c a v i t y ( 精度1 m h z ) 狈1 量发现激光器输出两个纵模， 两纵模偏振态互相垂直，采用偏振器后去掉一个纵模。使用2 0 k m 光纤延迟线的自 外差方法测量激光线宽为1 3 1 c h z 。 1 9 9 6 年，d i c h a n g 等人采用偏振非相干技术得到了1 0 k h z 窄线宽光纤激光器 【5 2 】o 19 9 8 年，w h l o h 等人采用e r y b 共掺光纤制作了5 c m 长分布反馈光纤激光器 【5 3 1 ，波长1 5 5 0 n m ，功率4 m w ，采用5 k m 光纤延迟线的自外差方法测量线宽1 8 k h z 。 另一实验中，光纤激光器一段为高反射率二向色镜( 9 9 8 6 ) ，另一端为端面抛光 的l c m 长光纤光栅( 在15 3 6 m n 波长处反射率9 8 ) ，光纤光栅直接写在e r y b 共掺光 纤上，激光器总腔长1 5 c m 。在抽运功率为5 0 0 m w 时输出信号光功率5 8 r o w ，用扫 描f - p 干涉仪测量为单频运转。 1 9 9 9 年，日本东京电子通讯大学的n a o t ok i s h i 等人报道了采用外部光源注入 的环形腔结构、掺e r 光纤饱和吸收体压窄线宽的光纤激光器，输出波长1 5 5 9 n m ， 功率1 4m w ，激光线宽7 5k h z ，频率漂移为每分钟1 5 m h z t 5 4 1 。 进入2 0 0 0 年以后，出于高掺杂浓度光纤的出现，以及新型传感系统对窄线宽 光纤激光器的功率需求，出现了采用m o p a 结构以及短腔高增益光纤的高功率窄 线宽光纤激光器，同时激光器的结构设计更加成熟。 1 0 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 2 0 0 1 年，安徽大学的俞本立等人报道了使用掺e r 光纤饱和吸收体的光纤环形 腔激光器，获得了波长1 5 3 9 n m ，功率l d b m ，线宽小于0 5 k h z 的激光输出【5 5 1 。 2 0 0 3 年，n p 公司的c h s p i e g e l b e r g 等人采用超短腔结构得到了功率超过 1 0 0 m w ，线宽小于2 k h z 的1 5 5 0 n m 波长激光输出【5 6 1 。 2 0 0 6 年，英国格拉斯哥大学z h o um e n g 等人报道了使用掺e r 光纤饱和吸收体 的光纤环形腔激光器，获得了波长1 5 3 5 n m ，功率4 7 m w ，线宽小于1 5 k h z 的线偏 振激光输出，频率漂移范围为一小时2 5 0 m h z t 5 7 1 。 二、铒单频光纤激光器的技术方案 1 光纤布喇格光栅 要实现窄线宽单频的光纤激光输出，目前最常用的办法是直接在光纤纤芯写 入布喇格光栅作为激光腔镜，形成激光的窄带输出1 4 7 1 。分布式布喇格反射器( d b r ) 和分布式反馈光栅( d f b ) 两方面的工作都获得了实验验证。这两种技术除了可以 实现很窄的谱线输出，还便于集成，避免了复杂的光学结构，具有很好的稳定性 和环境适应性。如图1 2 所示为分布式布喇格反射器( d b r ) 构成的光纤激光器，它 是在一段掺杂光纤两端刻写或熔接两个具有相同中心反射波长的布喇格光栅，光 栅之间有一定距离以形成一个f p 激光谐振腔。其输出波长由光栅反射谱、腔长以 及光纤掺杂的辐射带宽决定。d f b 光栅作为d b r 的一个简化版，可以在光纤上只 写入一段光栅，这样的光纤激光器，也可以获得单模的输出。为了获得单模输出， 必须对光栅加上一个相移。常用的办法是采用具有2 相移的d f b 光栅，如图1 3 所示。可以采用在光栅制作过程中加入相移，或在制作完光栅的后期处理中用紫 外光进行局部辐照从而加入永久的相移。由于d f b 光栅的长度( 即光纤激光器腔长) 有限，因此难以得到较高的功率。 理论表明，提高反射器的反射比可以保证主振荡模与相邻模的损耗差异较 大，使主振荡模始终经历最小的损耗，从而抑制随机跳模【5 3 1 。在短腔结构的光纤 激光器中，如果小信号增益处于2 5 4 d b m 之间，布喇格反射器的反射比必须接近 于1 0 0 。例如一个5 c m 的腔，其小信号增益系数3 d b m ，要实现单频输出就需要 浙江大学博上学位论文第1 章绪论 反射比为9 8 的布喇格反射器。 e r 硒e r _ - 匝酉一一燃咽 r 。1 | p u m pl d i m m , 獬 i 一一 f b g 图1 2d b r 结构光纤激光器 e r 助e r p h a s es h i f t 图1 3d f b 结构光纤激光器 2 窄线宽光纤激光器的常用腔形 1 ) 线性腔： 为了实现单频运转，常用的腔形结构有线性腔和环形腔结构以及复合腔。线 性腔的结构简单，是窄线宽光纤激光器的常用结构，常见的有短直腔、复合腔、 f o x s m i t h 腔等结构。短直腔结构获得单频激光的主要措施就是消除空间烧孔效应 的影响，减小腔长以增加腔内纵模间距，比如激光器腔的往返光程长1 0 m ，其自 由光谱范围( f s r ) 为3 0 m h z ，如果往返光程为l c m ，贝j j f s r 为3 0 g h z ，所以对于给 定的增益带宽来说，通过缩短腔长，使纵模间距与光栅带宽相仿，就可得到稳定 的单频输出，抑制跳模。文献【5 9 】的掺铒单频光纤激光器采用了短腔结构，并且增 1 2 浙江火学博上学位论文第1 章绪论 益光纤起到了附加滤波器的作用，其结构如图1 4 所示。整个腔的光学距离为 4 0 c m ，对应的f s r 为3 7 5 m h z 。振荡波长由光栅决定。两根长度分别为2 8 5 c m 和 l c m 的掺铒光纤作为激活介质，由于其两端未镀增透膜，所以构成了双直腔，起 标准具的作用，对应的f s r 分别为3 6 g h z 和1 0 g h z ，该结构得到了线宽1 6 m h z 的 单频输出。 o 汲烈建 b e a m2 图1 4 双直线腔光纤激光器 f o x s m i t h 共振腔结构可以视为一种双直线腔结构，如图1 5 所示。分束器形 成了类似双直腔结构的两个光学长度不同的f p 腔，由普通光纤介质将它们耦合在 一起，两腔长度的失调在复合腔中起滤波器的作用。 端 图i 5f o x - s m i t h 结构谐振腔 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 美国n p p h o t o n i c s 公司利用2 c m 长磷酸盐玻璃光纤d b r 激光器获得功率超过 1 0 0 m w ，线宽小于2 k h z 的激光输出【3 2 ，3 3 1 ，如图1 6 所示。采用的增益介质是2 c m 长 高性能的高掺杂e r y b 共掺磷酸盐玻璃光纤，纤芯直径51 1m ，在1 5 5 0 n m 波长的数 值孔径为o 2 1 ，耦合损耗l d b ，光纤的光学增益极高，为5 d b c m 。纤芯区域均匀 掺杂浓度为3 w t ( e r ) 和2 w t ( y b ) ，低泵浦功率时铒离子荧光寿命为6 9 m s 。两个 光纤布喇格光栅熔接在2 c m 长光纤上，其中一个是写在输出端的保偏光纤上。激 光器阈值泵浦功率为1 0 0 m w ，输出功率大于1 5 0 m w ，斜率效率为2 7 5 ，输出功 率稳定性为o 1 7 。输出光束全宽3 6 k h z ，2 0 d b 线宽下降为1 7 5 k h z ，相干长度在 光纤中超过5 0 k m ，空气中超过7 5 k m 。 p l r n d $ l g g 昭l 图1 6 短腔窄线宽光纤激光器示意图 2 ) 环形腔： 利用光纤定向耦合器可以构成各种环形结构，这种结构可以消除空间烧孔效 应。常见的有s a g n a e 环形镜、环形谐振腔、环行器等结构。 如图1 7 所示，将耦合器1 ，2 两臂连接起来就构成了一个环形谐振腔，耦合 器起到了介质镜的反馈作用，腔的精细度与耦合器的分束比有关。如果光波在腔 内传播一周后相位不变，就可以得到放大。将耦合率5 0 的耦合器2 ，4 两输出端 连接起来，构成一个s a g n a c 环，抽运光从一个输入端1 2 1 进入，在环内沿两个方向 1 4 浙江大学博上学位论文第1 章绪论 都有传播，然后在耦合器中汇合。如果5 0 的耦合器没有损耗，所有光将耦合回 入射端i s l ， l l t s a g n a c j 不等效于一个1 0 0 的反射器，又称为环形镜。在s a g n a c 环 中加入增益光纤和隔离器，使环中的光波只能沿单方向行进，这样能有效消除空 间烧孔，如图1 8 所示。这种带隔离器的s a 弘a c 结构就等同于一个环形器【印1 。 图1 7s a g n a c 环形镜图1 8 环形镜谐振腔 3 1 复合腔： 复合腔结构的2 k h z 窄线宽输出光纤激光器结构见图1 9 1 6 ，激光器光学增益 由掺铒光纤来实现，法拉第隔离器( f i ) 放在增益介质的两边用于光的单向传输， 光纤布喇格光栅用作粗略的波长选择，其中心波长是1 5 4 9 6 r i m ，峰值反射率大于 9 9 ，反射带宽为0 6 n m 。并用一个5 0 ：5 0 的耦合器将光栅的反射光耦合到激光腔 中，一个相移兀2 的d f b 型光纤布喇格光栅作为窄带滤波器用于精确的选择波长， 窄带滤波器的中心波长是1 5 5 0 5 n m ，f w h m 为0 4 n m ，通带带宽为0 0 7 5 n m ( 透射