光通信系统光源---光纤激光器

1第三章光通信系统光源---光纤激光器第三章光纤激光器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，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。光纤激光器的发展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。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4－5个数量级，是光纤激光器发展史上的又一个里程碑。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近年来，美国IPGPhotonics公司异军突起，展示S、C、LBands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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按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器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按掺杂元素分类：掺铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镨（Pr3+）、铥（Tm3+）镱（Yb3+）、钬（Ho3+）按输出波长分类：S-波段（1280~1350nm）、C-波段（1528~1565nm）L-波段（1561~1620nm）按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器第三章光纤激光器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。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．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。LPiPfR1R2反射面反射面腔体轴线12EfEi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．谐振腔3．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和其他激光器一样，由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+。掺铒(Er3+)光纤在1.55m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。掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带(800—1064nm)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。掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。T．Komukai等人获得了输出功率100mw、斜率效率59％的1.47m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4I11/24I13/24I15/2980nm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4G7/24F5/24F3/24I15/24I13/24I11/24I9/2800nm泵浦920nm1060nm1350nm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1480nm1G43F23H43H53F43H61060nm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1.51m处，调谐范围50nm，可供多路光频复用。它的泵浦波长可在0.807m、0.980m和1.490m，但目前最易得到的是0.980m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Er3+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其他的掺杂光纤激光器，如2.1m工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在2.0m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Nd3+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。EDFFBGFBG1FBG2DBR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PCISODopedfiberWDMoutputpump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，还需要使用偏振控制器（PC：PolarizationController）。980/1550nmWDMEDFpumplaseroutputISO环形腔掺铒光纤激光器结构图filtercouplerPC波长选择器件3.其它腔型结构光纤圈反射器（光纤环形镜），结构如下图所示，包含一个定向耦合器和该耦合器两输出端口连接在一起形成的一个光纤圈。工作原理：假设耦合器耦合系数为0.5，若光波从端口1进入耦合器，耦合器将一半光功率耦合到端口3，将另一半耦合到端口4，即有一半输入光沿光纤圈顺时针方向传播，另一半沿逆时针传播。当它们再次在输入端相遇时经历了相同的相移，干涉相长的结果使其完全反射回腔内。实际中有部分光从2端口输出。光纤圈谐振腔，与环形谐振腔结构类似，基于定向耦合器。不同的是进入光纤圈的光波可以通过另一端输出，还可以再次通过输入端输出，成为向后传播的光波，这两种波分别为透射波和反射波。这个装置本质上来说是一个干涉仪。两个光纤圈串联的激光器结构光纤Fox-Smith谐振腔一般地，1——4段及1——3段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：选择适当的l3、l4以致于在整个荧光线宽内只有一个纵模在振荡。则可以实现单纵模运转。)(2243llnf•复合腔结构泵浦环形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF980/1550nmWDMEDFIsolatorOutput10%FBGIMGCoupler(10：90)980nmLD90%可调谐光纤激光