光纖激光器及技術(shù)進展

1、光纖激光器及技術(shù)進展伍浩成中國電子科技集團公司第三十四研究所摘 要：光纖激光器作為目前最為活躍的激光光源器件，它是激光技術(shù)的前沿課題。本文討論了光纖激光器的特性及基本原理，概述了光纖激光器的新近進展。一、引言光纖激光器是在 EDFA 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展 起來的技術(shù)。早在 1961 年，美國光學公司 的E.Snitzer等就在光纖激光器領(lǐng)域進行了 開創(chuàng)性的工作，但由于相關(guān)條件的限制，其 實驗進展相對緩慢。而 80 年代英國 Southhampton 大學的 S.B.Poole 等用 MCVD 法制成了低損耗的摻鉺光纖，從而為光纖激 光器帶來了新的前景。近期，隨著光纖通信系統(tǒng)的廣泛應用和 發(fā)展，超快速

2、光電子學、非線性光學、光傳 感等各種領(lǐng)域應用的研究已得到日益重視。 其中，以光纖作基質(zhì)的光纖激光器，在降低 閾值、振蕩波長范圍、波長可調(diào)諧性能等方 面，已明顯取得進步，是目前光通信領(lǐng)域的 新興技術(shù)，它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使 之支持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集 波分復用系統(tǒng)和未來相干光通信的基礎(chǔ)。目 前光纖激光器技術(shù)是研究的熱點技術(shù)之一。 本文就近年來國外幾種新型的光纖激光器 技術(shù)加以闡述。二、光纖激光器原理利用摻雜稀土元素的光纖研制成的光 纖放大器給光波技術(shù)領(lǐng)域帶來了革命性的 變化。由于任何光放大器都可通過恰當?shù)姆?饋機制形成激光器，因此光纖激光器可在光 纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)。目前開發(fā)

3、研制的光 纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為 增益介質(zhì)。由于光纖激光器中光纖纖芯很 細，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功 率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)”。因此，當適當加入正反饋回路 （構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩。另外由 于光纖基質(zhì)具有很寬的熒光譜，因此，光纖 激光器一般都可做成可調(diào)諧的，非常適合于WDM 系統(tǒng)應用。和半導體激光器相比，光纖激光器的優(yōu) 越性主要體現(xiàn)在：光纖激光器是波導式結(jié) 構(gòu)，可容強泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、 閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線寬窄、結(jié)構(gòu)簡 單、可靠性高等特性，易于實現(xiàn)和光纖的耦 合。我們可以從不同的角度對光纖激光器 進行分類，如根據(jù)光纖激光

4、器的諧振腔采用 的結(jié)構(gòu)可以將其分為Fabry-Perot腔和環(huán)行 腔兩大類。也可根據(jù)輸出波長數(shù)目將其分為 單波長和多波長等。對于不同類型光纖激光 器的特性主要應考慮以下幾點：（1）閾值應 越低越好；（2）輸出功率與抽運光功率的線 性要好；（3）輸出偏振態(tài)；（4）模式結(jié)構(gòu)； （5）能量轉(zhuǎn)換效率；（6）激光器工作波長 等。三、包層泵浦光纖激光器技術(shù) 雙包層光纖的出現(xiàn)無疑是光纖領(lǐng)域的 一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高 功率的光放大器的制作成為現(xiàn)實。自 1988 年E Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器 以來，包層泵浦技術(shù)已被廣泛地應用到光纖 激光器和光纖放大器等領(lǐng)域，成為制作高功 率光纖

5、激光器首選途徑。圖1（a）示出一種雙 包層光纖的截面結(jié)構(gòu)。不難看出，包層泵浦 的技術(shù)基礎(chǔ)是利用具有兩個同心纖芯的特 種摻雜光纖。一個纖芯和傳統(tǒng)的單模光纖纖 芯相似，專用于傳輸信號光，并實現(xiàn)對信號 光的單模放大。而大的纖芯則用于傳輸不同 模式的多模泵浦光（如圖1（b）所示）。這樣， 使用多個多模激光二極管同時耦合至包層 光纖上，當泵浦光每次橫穿過單模光纖纖芯 時，就會將纖芯中稀土元素的原子泵浦到上 能級，然后通過躍遷產(chǎn)生自發(fā)輻射光，通過在光纖內(nèi)設(shè)置的光纖光柵的選頻作用，特定 波長的自發(fā)輻射光可被振蕩放大而最后產(chǎn) 生激光輸出。目前，該技術(shù)被稱為多模并行 包 層 泵 浦 技 術(shù) (Cladding

6、pumped technology),法國Keopsys公司在該技術(shù) 上形成了一專利， 稱為“ V-Groove Technologe”。保護層(a)內(nèi)包層 纖芯(a)外包層(b)外包層(b)圖1雙包層光纖及工作原理多模并行包層泵浦技術(shù)特性決定了該 類激光器有以下幾方面的突出性能。1、高功率 一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出100 瓦的光功率,多個多模泵浦二極管并行 設(shè)置,即可允許設(shè)計出很高功率輸出的光纖 激光器。2、無需熱電冷卻器 這種大功率的寬面多模二極管可在很 高的溫度下工作,只須簡單的風冷,成本低。3、很寬的泵浦波長范圍 高功率的光纖激光器內(nèi)的活性包層光 纖摻雜了鉺/鐿稀土元素,有一個

7、寬且又平 坦的光波吸收區(qū)(930-970nm),因此，泵浦二 極管不需任何類型的波長穩(wěn)定裝置4、效率高泵浦光多次橫穿過單模光纖纖芯，因此 其利用率高。5、高可靠性 多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管 來其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就 使得激光器的斷面上的光功率密度很低且 通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來， 泵浦二極管其可靠運轉(zhuǎn)壽命超過 100 萬小 時。目前實現(xiàn)包層泵浦光纖激光器的技術(shù) 概括起來可分為線形腔單端泵浦、線形腔雙 端泵浦、全光纖環(huán)形腔雙包層光纖激光器三 大類，不同特色的雙包層光纖激光器可由該 三種基本類型拓展得到。OFC2002 的一篇文獻采用如圖2 所示 腔體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了

8、輸出功率為3.8W、閾值為 1. 7 W ，傾斜效率高達8 5%的新型包層泵浦光 纖激光器1。 在產(chǎn)品技術(shù)方面，美國 IPG 公 司異軍突起，已開發(fā)出 700W 的摻鐿雙包層 光纖激光器，并宣稱將推出2000W的光纖激 光器。圖 2 一種新型的光纖激光器腔體結(jié)構(gòu)四、拉曼光纖激光器技術(shù) 拉曼光放大技術(shù)為長距離傳輸提供了 一種新的獲取功率預算的手段，成為關(guān)注焦 點。對于拉曼放大泵源，方法之一是采用多 只 14XXnm 泵浦激光器通過偏振復用獲得 拉曼泵源，但其成本相對較高且結(jié)構(gòu)復雜。 方法二是采用拉曼光纖激光器(RFL)來產(chǎn)生 特定波長的大功率激光，目前該技術(shù)已得到 相當程度的發(fā)展并形成了商用產(chǎn)品

9、 (如美國 IPG、法國Keosys等公司均可提供5W的拉 曼放大泵浦模塊)，并被認為是用于拉曼放 大和遠泵EDFA放大應用的合理光源。線形腔拉曼光纖激光器 若從線形腔拉曼光纖激光器的輸出波 長來劃分，可以分為單波長和多波長拉曼光 纖激光器兩大類。不同線形拉曼光纖激光器 的結(jié)構(gòu)基本相似，都采用布拉格光柵作為其 諧振腔的反射鏡。就RFL所采用的有源增 益介質(zhì)來看，通常采用摻GeO2的摻雜光纖作為增益介質(zhì)，最近的報道是采用摻 P2O5 的摻雜光纖作為增益介質(zhì)，兩者的區(qū)別在于 所取得的 Stock 偏移不同，一般，摻 GeO2 的摻雜光纖為440cm-1,而摻P2O5的摻雜光 纖為1330cm-i,

10、因此采用P2O5摻雜光纖所 需要的拉曼頻率變換的次數(shù)要少，可以提高 效率并降低RFL的復雜度。N.Kurukithoson 等在 ECOC2001 會議中報道了一個采用二 級拉曼變換獲得1480nm激光輸出的RFL實 驗，其泵浦光波長為1061nm2，和采用摻 GeO2的摻雜光纖的RFL相比，減少了一級阿爾卡特公司在 OFC2002 會議上報道 的一種可重構(gòu)三波長拉曼光纖激光器 (3九RFL)圖4所示5，得到了輸出波長分別 為 1427nm、 1455nm 和 1480nm 的激光輸出， 可用于C+L波段的拉曼放大器中。另外通過 調(diào)整輸出耦合器，每個波長的輸出功率可在 50mW400mW范圍內(nèi)

11、可調(diào)。整個3九RFL的主 體部分由11只光纖光柵(FBG)和300米的摻 P光纖組成，并以輸出波長為1117nm的Ybs+ 包層泵浦光纖激光器作為泵浦源。其內(nèi)部的 Stocks功率遷移如圖5所示。其基本的原理摻P光纖YbYb3+激光 器 1117nm TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 95/5合B-455箭148014271312OU311425i478111713751453圖4 一種三波長拉曼光纖激光器裝置摻P光纖i纖-rrn-*-摻鐿光纖激光器摻P光纖i纖-rrn-*-摻鐿光纖激光器1117.2拉曼上變換oECO

12、C2001的另一篇論文中報 道了采用摻P光纖制作的1480nm單波長拉 曼光纖激光器實現(xiàn)+28dBm輸出的EDFA【3。 OFC2001 會議中有一篇論文報道了以二級 Stocks輸出的Raman光纖激光器作為泵浦 源激勵單模光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的實驗4。它 由拉曼光纖激光器和超連續(xù)(SC)腔體兩部 分構(gòu)成，其中Raman光纖激光器工作原理圖 見圖 3。在摻鐿光纖激光器的泵浦下，以摻 鐠光纖為工作物質(zhì)輸出激光。泵浦光為 1064nm，輸出脈沖為1483.4nm的激光( 級Stocks)，輸出功率為2.22W。FBG1 FBG2FBG3 FBG4 FBG51483.4 12391239 143.4

13、1484拉曼激光器圖3采用RFL產(chǎn)生超連續(xù)譜實驗裝置近期浮現(xiàn)出的另一種稱為多波長拉曼 光纖激光器(MWRFL)引起了廣泛的注意，其 中雙波長拉曼光纖激光器(2XRFL)和三波長 拉曼光纖激光器(3九RFL)已成功演示，IPG 等已開始形成產(chǎn)品。分為以下三步：首先，在 1117nm 泵浦光的 作用下，利用P2O5產(chǎn)生頻移，得到1312nm 的一級 Stocks 分量；然后在一級 Stocks 的 作用下，利用石英光纖的頻移，得到 1375nm 的二級 Stocks 分量；最后，通過再次利用 石英光纖的頻移，同時得到 1427.0nm、 1455.0nm和1480.0nm的激光輸出。應當指 出，由

14、于各拉曼峰值相距較遠，因此，不同 Stocks 之間的交互作用是不可忽視的。如圖 3 虛線所示， 1427.0nm 的 Stocks 分量泵浦 1455.0nm和1480.0nm并使之獲得增益，同 理， 1312nm 的 Stocks 分量可使 1375nm、 1427nm、1455nm和1480nm獲得額外的拉曼 增益。圖 5 三波長拉曼光纖激光器 Stocks 功率遷移示意采用和圖4相似的結(jié)構(gòu)，OFC2002的另 外兩篇論文報道了在泵浦光的作用下產(chǎn)生 四級Stocks分量的可重構(gòu)Raman光纖激光器，其輸出波長均為 1428nm、 1445nm 和 1466nm【67。OFC2001 的一

15、篇論文報道了一 個3九RFL,其輸出譜線分別為：1427nm的譜 線譜寬為0.8nm, 1455nm和1480nm的譜線 譜寬為 0.4nm8。環(huán)行腔拉曼光纖激光器 環(huán)行腔結(jié)構(gòu)在激光技術(shù)中具有重要的 地位和作用,也是構(gòu)建拉曼光纖激光器的另 一種重要方式。 OFC2001 中的一篇論文報 道了一種雙波長的環(huán)行拉曼光纖激光器(2XRFL) 9其結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，除 光纖光柵 1480A 的反射率為 90%外，其他 的光纖光柵的反射率均大于 99%，拉曼光纖 A和B是長度分別為120米和220米的色散 補償光纖(DCF)。在工作波長為1313nm的 Nd:YLF 激光器作為泵浦源作用下，該激光

16、器的二級 Stocks 波長為 1480nm 和 1500nm。 報道的數(shù)據(jù)表明，該光纖激光器在3.2W的 泵浦下，可以獲得大于400mW的激光輸出。 另外通過調(diào)整光纖光柵1480B的反射率，可 以對輸出波長的功率進行控制和調(diào)整，該特 性使得該類光纖激光器可較好地用到增益 平坦的拉曼放大中。Nd:YLF激光器1313昂； I5DM1500C zz1480AR=90%Nd:YLF激光器1313昂； I5DM1500C zz1480AR=90%15 00nm1480nm諧振腔：拉曼光纖 A拉曼光纖 B圖 6 一種雙波長環(huán)行拉曼光纖激光器結(jié)構(gòu)五、新型的光纖激光器技術(shù) 早期對激光器的研制主要集中在研究

17、 短脈沖的輸出和可調(diào)諧波長范圍的擴展方 面。今天，密集波分復用(DWDM)和光時分復 用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進步加速和刺激 著多波長光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光 器等的進步。同時，多波長光纖激光器和超 連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實現(xiàn) Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方 案。就其實現(xiàn)的技術(shù)途徑來看，采用 圖 6 一種雙波長環(huán)行拉曼光纖激光器結(jié)構(gòu)5.1 多波長光纖激光器文獻10提出的一種基于半導體光放大 器(SOA)的多波長光纖激光器如圖7所示。 圖中SOA1長度是500pm，在1522nm處提供 的小信號增益為 23dB， SOA2 的長度是 250pm，在1530nm處

18、可提供10.5dB的小信 號增益，兩只SOA均為InGaAsP/InP屋脊波 導型。光纖F-P腔的自由譜線范圍(FSR)為 47.75GHz，精細度為8.1，損耗為12dB。偏 振控制器PC1和PC2分別用于補償SOA1和 SOA2對TE軸、TM軸的偏振相關(guān)增益誤差。 該結(jié)構(gòu)在 1554nm1574nm 范圍內(nèi)，實現(xiàn)了 波長間隔為 50GHz、 50 通道的多波長 DWDM 光源，在 50 通道之間最大光功率差異小于 1.6dB,消光比大于15dB，激光器的線寬小圖 7 一種基于 SOA 的環(huán)行多波長激光器為獲得平坦的功率輸出譜，文獻11提出 了一種改正型的方案如圖 8 所示。圖中 FRM 為

19、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡， VOA 為可調(diào)光衰減器。由 于光反饋臂的引入，一個直觀的特性是可對 其輸出的激光進行反饋監(jiān)視，另外該改正型 結(jié)構(gòu)還可對激光的輸出光性能提供較大程FRMVOA 70:30反饋臂光隔離器U光纖F-PFRMVOA 70:30反饋臂光隔離器U光纖F-P濾波器1 FFPSOA2古饋監(jiān)視r 光隔離器OQPC2 光隔離器JPC1光隔離器SOA1圖 8 改正型的基于 SOA 的環(huán)行多波長激光器SOA1度 的 改 善 。 據(jù) 報 道 該 結(jié) 構(gòu) 在 1554.71574.7nm的波長范圍內(nèi)，實現(xiàn)了通 道間隔為50GHz、52通道的多波長DWDM光 源，且通道之間的最大光功率差異小于 0.3dB，

20、消光比達到32dB，激光器輸出的線寬為 500MHz。經(jīng)典的 Sagnac 干涉裝置在信息科學領(lǐng) 域的超快速響應技術(shù)中有多種應用，其中包 括：超快速光調(diào)制器的全光開關(guān)、全光解復 用、信號再生、邏輯運算、信號格式變換以 及全光波長變換等。最近，OFC2002的一篇 文獻將 Sagnac 干涉裝置拓寬到光纖激光器 的應用12。該文獻報道的基于 NOLM 的多波 長拉曼光源，在四階斯托克斯波內(nèi)，可以實 現(xiàn)20個波長通道輸出。在OFC2002的另一 篇論文中，報道了一種采用偏振復用拉曼泵 源、F-P可調(diào)濾波器和色散補償光纖組成的 去偏振多波長環(huán)行腔體拉曼光纖激光器。在 由 1428.2 、 1445.

21、8、 1463.4nm 泵浦波長的 拉曼泵源作用下，3dB帶寬范圍內(nèi)的輸出波 長可達到58個，通道間隔為50GHz。13圖 9 可調(diào)波長間隔的多波長光纖激光器原理目前相關(guān)的會議報道已指出用AWG目前 最多可輸出 400 個信道，每個信道間隔 25GHz(波長間隔0.4nm),輸出波長能覆蓋 整個 C 波段和 L 波段。然而這些信道的波長 間隔都是固定的，是無法改變的。目前研制 的激光器輸出的多波長信號，其信道間隔也 是一定的。 OFC2001 會議上報道了一個可調(diào) 諧波長間隔的多波長輸出的光纖激光器14。 其原理圖見圖9。法拉弟旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)用于 補償FRM與偏振分束器(PBS )之間的PM

22、D， 并且能穩(wěn)定前后傳輸方向的正交偏振態(tài)。利 用在保偏光纖中偏振模的耦合作為可調(diào)波 長間隔濾波器。光纖激光器腔內(nèi)的偏振分束 器和偏振保持光纖及其相關(guān)器件組成波長 濾波器。當不對PMF施加壓力時，沿偏振快 軸的光分量能通過濾波器，傳輸與波長無 關(guān)；當對 PMF 施加壓力時，在施加壓力處， 偏振模產(chǎn)生耦合，波長間隔就由施加壓力的 位置不同而不同。施加壓力的方式是用夾子 夾住PMF的不同位置。例如在PMF的4m處 施加壓力，則可得到9 個信道輸出，波長調(diào) 諧范圍為1548.2nmT559.9nm，波長間隔為 1.46nm。峰值功率漂移在6dB內(nèi)。當施加壓 力的位置在8m處，激光器輸出14個信道波 長

23、，波長間隔為 0.73nm。文獻15提出了另一種可調(diào)諧的光纖激 光器方案如圖10(a)所示，其主要的特色是 波長間隔可調(diào)。圖中具有不同波長峰值的n 個光纖光柵(FBG)采用圖10 (b )結(jié)構(gòu)被安WDM2摻鉺_光纖WDM2摻鉺_光纖CCC980nm耦合器、980nmLDWDM1I激光輸出1 * AUCiiLLALdr/， 開 1|1|、FBG1 衰減器 FBGn (a)圖 10 一種波長間隔可調(diào)諧多波長光纖激光器裝成 FBG 陣列，并級聯(lián)起來以形成多波長激 射。波長的調(diào)諧通過改變光纖光柵的周期來 實現(xiàn)。采用四個FBG制成的FBG陣列，在初 始工作波長在1547.64、 1549.21激光輸出1

24、 * AUCiiLLALdr/， 開 1|1|、FBG1 衰減器 FBGn (a)圖 10 一種波長間隔可調(diào)諧多波長光纖激光器基于光纖的超連續(xù)光纖激光器具有超連續(xù)譜的超短光脈沖在TDM/WDM 系統(tǒng)中有著重要的意義。超短光脈沖不但能 提高TMD系統(tǒng)中的單信道碼率，同時其寬大 的連續(xù)譜也能為WDM系統(tǒng)提供眾多的波長信 道。大部分超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要有以下兩種 方法：壓縮超短光脈沖所得到的寬頻譜和利 用器件的非線性展寬脈沖的頻譜?，F(xiàn)在最流行的也報道得最多的是利用光纖或光放大器的非線性產(chǎn)生超連續(xù)譜。其 中利用光纖產(chǎn)生寬連續(xù)譜最為經(jīng)濟實用。據(jù) 報道，所采用的光纖類型不同，產(chǎn)生連續(xù)譜 帶寬也不同。比如在兩

25、頭粗中間拉細的特種 光纖中（見圖 11）16，產(chǎn)生的連續(xù)譜就很 寬，可調(diào)諧波長范圍為500nm-1600nm。泵 浦源端的光纖長為3cm，拉細光纖長度為 15cm,尾纖輸出端為15cm。該連續(xù)譜在后段 標準電信光纖中輸出Raman脈沖，可調(diào)諧波 長幅度達 200nm， Raman 脈沖波長調(diào)諧范圍 為1400nm1600nm。脈沖頻譜帶寬為20nm， 相當于脈寬 130fs 的邊帶極限脈沖。當改變 輸入入射功率，則Raman孤子波長也發(fā)生改 變。這種激光器就是以改變泵浦功率來改變 波長。Yb fiber I-100fssCeuntaperld1 WS Untapered supercontin

26、uumfiberfiber and 1-5m RamansSoMton output 圖11利用特種光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜鎖模光纖激光器 連續(xù)調(diào)諧多波長鎖模激光器一直是激 光技術(shù)很活躍的研究領(lǐng)域。OFC2001 和OFC2002 中多篇論文報道了該類光纖激光 器技術(shù)1718。 LI 等報道了利用色散補償光 纖（DCF）增加腔內(nèi)色散，在主動鎖模光纖 環(huán)形激光器中實現(xiàn)了3個波長的激光輸出， 并通過調(diào)節(jié)調(diào)制頻率，實現(xiàn)了單波長和雙波 長的連續(xù)調(diào)諧?，F(xiàn)已研制成功線寬窄到2 kHz 的激光器、調(diào)諧范圍達到75nm的寬調(diào)諧光 纖激光器以及重復頻率達到21GHz的高重復 頻率光纖激光器。圖12是基于NOLM的鎖模光纖激光器的 工作原理圖a】。平常常見的基于NOLM光纖 激光器只由NOLM環(huán)組成，沒有圖12的3dB 耦合器上的兩個支路，主要是用來產(chǎn)生壓縮 后的超短激光脈沖，不具有鎖模功能。圖 12 所示的是改進的NOLM光纖激光器，能進行 亮暗脈沖轉(zhuǎn)換，能選擇脈沖波長，產(chǎn)生高重 復率的信號。調(diào)節(jié)PC1使B端輸出最大功率 時，在A端可得到亮脈沖；調(diào)節(jié)PC1使環(huán)內(nèi) 形成反射模時在A端就