1.7 光纖激光器

1.7.1 光纖激光器概述

由上可知，半導體激光器有很多優點，而且應用非常廣泛。但其缺點是，與光纖之間耦合困難，增大了腔內插入損耗，從而導致其效率低、閾值高。因此，光纖激光器才應運而生。目前，光纖激光器已被廣泛地應用于DWDM光纖通信系統中。

1. 光纖激光器的基本結構和原理

光纖激光器是指以摻雜光纖為介質的激光器。它包括：①基質為光子晶體、石英玻璃、硅或氟化物玻璃，摻雜稀土元素如Nd（釹）、Er（鉺）、Yb（鐿）、Tm（銩）等15種元素的摻雜光纖激光器；②向塑料光纖芯部或包層內溶入染料的染料光纖激光器；③由光纖的非線性效應產生的相干受激散射（受激拉曼散射和受激布里淵散射）。

現以圖1-33所示的縱向泵浦的光纖激光器為例，說明光纖激光器的基本原理。由圖1-33可見，一段摻雜稀土金屬離子的光纖被放置在兩個反射率經過選擇的腔鏡之間，泵浦光從左面腔鏡耦合進入光纖，左面腔鏡對于泵浦光全部透射并對于激光全反射，以便有效地利用泵浦光，并防止泵浦光產生諧振而造成輸出光不穩定。右面腔鏡對于激光部分透過，以便形成激光束的反饋和獲得激光輸出。這種結構實際上就是法布里-珀羅諧振腔結構，泵浦波長上的光子被介質吸收，形成粒子數反轉，最后在摻雜光纖介質中產生受激光發射，而輸出激光。

從效果上看，光纖激光器是一種高效的波長轉換器，即由泵浦光波長轉換為所摻雜稀土離子的激射波長。這個激射波長正是光纖激光器的輸出光波長，它不受泵浦波長的控制，僅由基質材料的稀土摻雜元素決定。因此可以利用與稀土離子吸收光譜相對應的不同短波長、高功率且廉價的半導體激光器作為泵浦源，以獲得不同波長（處于光纖低損耗窗口的1.3 μm、1.55 μm及2～3 μm紅外光波段）的激光輸出。

2. 光纖激光器的特點

摻雜光纖激光器與其他激光器相比，它具有一系列重要特點：①耦合效率高，因為其激光介質本身就是導波介質，可方便、高效地與光纖傳輸系統連接，這是基于光纖纖芯很細，纖內易形成高功率密度的緣故；②能量轉換效率高，如利用新型雙包層光纖的光-光轉換效率可達80%以上；③激光閾值低，其摻鉺光纖的閾值≤5mW；④波段調諧范圍廣，可在380～3900nm很寬的波段范圍及多波長運行，其色散性和穩定性好，這是基于光纖的可選擇性、可調諧參數多的特性；⑤器件結構緊湊簡單、小巧靈活，可集成化，還可借助光纖極好的柔韌性，與方向耦合器等器件構成各種柔性諧振腔，有利于光纖通信系統的應用；⑥激光亮度高，因光纖損耗小，激光場主要約束在纖芯內，能產生甚高亮度和甚高峰值功率；⑦激光束質量及調諧性能好，易實現單模、單頻運轉和超短脈沖輸出；⑧能在不施加強致冷的情況下連續工作，因為光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果好；⑨器件壽命長，平均泵浦壽命（1～10）×104 h；⑩工作條件不嚴格，可自然冷卻或簡單風冷，且耐高震動、高沖擊，可在高溫與大煙塵下運行。

以上這些特點決定了光纖激光器比半導體激光器擁有更多的優勢。

光纖激光器是一種多波長（其波長間隔符合ITU-T標準）的光源，它和其他激光器結構類似，也是由增益介質、光學諧振腔和泵浦源三部分組成的。增益介質能產生光子，光學諧振腔能使光子得到反饋，泵浦源能激勵光子躍遷。

摻雜光纖激光器的激活粒子是摻雜的稀土元素電離形成的3價離子，例如Er3+、Nd3+、Yb3+等。最常采用的泵浦源為激光二極管（LD），此外有鈦寶石、YAG等固體激光器。

1.7.2 光纖激光器的特殊諧振腔

除了法布里-珀羅與光纖布拉格光柵（見10.2.3節）反射器構成的線性諧振腔外，在光纖激光器中還廣泛使用一些由光纖與光纖定向耦合器組成的特殊諧振腔。最常使用的光纖定向耦合器是將兩根光纖緊密接觸，兩者的包層熔融到一起，由于兩光纖的纖芯非常靠近，兩光纖中的光波彼此產生耦合，這種耦合器成為熔融錐型定向耦合器。通過耦合，當對一根光纖輸入光束，在另一光纖的尾端將有光束輸出。輸出光的強度由耦合器的耦合比K決定，0＜K＜1， K值大小取決于接觸區的長短、纖芯間距離以及傳輸光的波長等參量。

1. 環形光纖諧振腔

環形光纖諧振腔如圖1-34（a）所示，圖1-34（b）為其等效光路。其方法是將耦合光纖中的兩個臂（圖中3，4臂）連接起來，以形成環形傳輸回路。當主光纖的輸入端輸入泵浦光束時，通過耦合，光波在光纖環中循環傳播，起著環形諧振腔的作用。耦合器的分束耦合比相當于腔鏡的反射率，它決定了諧振腔的精細度。當要求高精細度時，就采用低耦合比。例如，一臺摻Nd3+光纖激光器，激光波長為1078nm，泵浦波長為595nm，諧振腔的光纖環的直徑為70cm，定向耦合器的耦合比為10∶1。

2. 光纖環形鏡及其諧振腔

這種諧振腔是在同一光纖上的兩點間產生耦合而構成的光纖環路，如圖1-35（a）所示，圖1-35（b）為其等效光路。輸入的光束既可以從光纖的另一端輸出，又可以通過耦合器變為后向光束而返回到輸入端。前、后向傳輸的光束分別稱為透射光與反射光。在耦合比K=1/2的情況下，進入耦合器的光束將有一半功率的光沿光纖環順時針傳播，而另外一半光沿逆時針傳播。而越過耦合器的光波比直通光波的相位滯后 π/2，于是順時針光場與逆時針光場的幅度相等，相位相反，正好抵消，結果使透射輸出為零，說明所有的輸入光都回到了輸入端。根據光纖環形的反射特性，如果在一條光纖上制作兩個環路，就構成一個光纖諧振腔。由于用單根光纖制成的耦合器其耦合損耗非常小，并且在激光波長處的波長響應和反射率都易于選擇，因此容易獲得最佳激光輸出。

3.Fox-Smith 光纖諧振腔

Fox-Smith諧振腔由光纖端面反射鏡和定向耦合器構成，如圖1-36（a）所示，圖1-36（b）為其等效光路。通過耦合器的分束，由1～4與1～3臂分別組成兩個子腔，這是一種復合腔。復合腔的原理是：當摻雜光纖在閾值功率以上泵浦時，將在同時滿足兩腔諧振條件的模式上出現激光振蕩，并可獲得窄帶激光輸出。為了實現單縱橫輸出，可以用一光柵代替其中一個腔鏡。設兩個腔長分別為80cm和95cm。從端口2輸入Ar+激光514nm波長泵浦光。在端口3置一光柵（線密度1200線/mm，閃爍波長1500nm），當調節光柵得到1536nm單縱模輸出時，線寬僅8.5MHz。

1.7.3 雙包層光纖激光器

光纖激光器是一種波導形激光器。為了提高對泵浦光的吸收效率，新近發展了一種雙包層光纖。與普通單包層光纖不同，該種光纖制作了兩個包層，分別稱為內包層與外包層，如圖1-37所示。這種雙包層光纖激光器就是包層泵浦光纖激光器。

由圖1-37可知，內包層包繞著纖芯，將激光限制在纖芯內傳播，并且又是泵浦光的導管。為了保證光纖輸出單模激光，纖芯的線徑一般為數微米。內包層的線徑一般在數十微米，因此允許泵浦光是多模的，可以采用價格相對便宜、高功率多模二極管陣列作為泵浦源。泵浦光大部分被耦合到內包層中，因為從纖芯到外包層，折射率依次減小，因此泵浦光在內外包層界面上發生全反射而被局限在內包層中傳播，并在反復穿過線芯的過程中不斷激勵激光介質。由于在整個的光纖長度上都在進行泵浦，泵浦光的能量幾乎全部都可以為激光介質所吸收，因而泵浦效率很高。

初期設計的內包層為圓形截面，但波導結構的圓對稱性，導致在圓形包層中存在螺旋光模式，而螺旋光是不穿過纖芯的。圓形截面內包層的泵浦效率并不高，因而又設計出如圖1-38所示的等多種截面形狀的內包層，纖芯也可能放在偏心位置上。兼顧到對泵浦光的吸收效率與制作工藝等方面的因素，現在使用最多的是矩形截面的內包層光纖。經測試，矩形內包層光纖在經50次反射后，可以有92%泵浦光能進入纖芯。

1.7.4 連續波光纖激光器

以光纖光柵作為選頻元件的光纖激光器可得到窄線寬的穩定激光，是波分復用通信系統的一類好光源。這里介紹一個使用光纖光柵的摻餌光纖激光器，其結構如圖1-39所示。

諧振腔由一對布拉格光柵FBG1與FBG2熔接一段2.75m高摻Er3+光纖構成。FBG1為寬帶高反射，在1551.84nm處的反射率為99%，3dB帶寬為1.02nm，FBG2為低反射，反射率為99%，在1552.08nm處的3dB帶寬為0.16nm。由二極管激光器發射的波長為980nm泵浦光經WDM耦合進諧振腔。該激光器在1.55 μm波段上，3dB線寬為0.2nm，25dB線寬為0.46nm，最大輸出功率為25mW，輸出功率的穩定性為±0.01dB，閾值泵浦功率為8.6mW，斜效率為21.7%。

法布里-珀羅腔單縱模摻 Er3+光纖激光器如圖1-40所示。激光腔中有一個光纖偏振分束器（FPS）和3個光纖偏振控制器PC1和PC2和PC3，其中PC1和PC2是1/4波片。偏振分束器將輸入的圓偏振光變成兩個正交的線偏振光，從偏振分束器端口輸出。左邊平面鏡或高反的光纖布拉格光柵作為激光器的一個反射端面，右邊切平的光纖端面有4%的反射作為激光器的另一個反射面，并為激光器的輸出端。仔細調整偏振分束器右邊的兩段光纖的長度，可使反射光在偏振分束器處發生干涉，并使某一波長的的光干涉最強。將PC1放置成與偏振分束器的一個線偏振方向成45°作為1/4波片，從偏振分束器傳輸的圓偏振光被平面鏡反射，并兩次通過PC1導致反方向有相同偏振狀態的圓偏振光傳輸。通過微調PC，來消除激光腔中的雙折射。該激光器輸出脈沖的線寬為10kHz。

1.7.5 多波長光纖激光器

由于摻Er3+光纖具有很寬的增益譜，因而可用于制作多波長振蕩的光纖激光器。實現多波長同時振蕩的主要技術在選模方法，目前可分為三類：①在腔內加上選模器；②在腔外放置選擇性反饋器（如光纖光柵等）；③利用非線性效應（受激布里淵散射和受激拉曼散射）。

這里僅介紹第1類——腔內選模，它是將選模器置于腔內起梳狀濾波器作用。早期的方法是在腔內放置法布里-珀羅標準具或馬赫-曾德爾干涉儀，但由于摻 Er3+光纖屬均勻加寬增益介質，模式競爭嚴重，需要液氮冷卻來降低均勻加寬的線寬，以減小模式競爭。最近的一種方案是在腔內連接一段多模光纖，如圖1-41所示。圖中的半導體光波導和光纖環形鏡為激光器的腔鏡。它的工作原理是，利用多模光纖導模的空間模式跳動與激光諧振腔中的偏振燒孔共同作用來抑制模式競爭。當激光在腔鏡之間不斷反射時，單模光纖中的LP01模和多模光纖中的LP01，和LP11模間的耦合損耗不同，于是傳輸系數與波長相關。選擇多模光纖的長度為跳模長度的整數倍，就可以形成與波長有關的梳狀濾波器效應，對輸出激光進行選模。采用這種結構可以在室溫下得到線寬為0.09nm、波長間隔為0.68nm的雙波長或三波長的激光輸出。

1.7.6 高功率光纖激光器

現代高功率激光器都采用雙包層泵浦技術，選擇合適的內包層形狀和直徑，使之與高功率二極管激光有效地耦合，將高功率二極管激光轉換成衍射極限的強單模激光。

1. 千瓦和萬瓦級激光器

為了獲得更高激光功率輸出，IPG Photonics公司設計了如圖1-42所示的光纖激光器。這種激光器也采用了矩形截面內包層的雙包層摻雜光纖，用布拉格光柵作為激光腔的反射鏡，采用二極管激光器作為泵浦源。IPG Photonics公司發明了一種摻Yb3+光纖的捆綁技術，將若干支摻Yb3+光纖捆綁成一組標準光纖組，并配有相應的激光二極管陣列做泵浦源。然后根據所設計的功能要求，用標準光纖組合裝配成各種高功率光纖激光器，CW單模運轉下有極好的光束質量。以輸出功率為10kW和波長1080nm的摻鐿激光器為例，可連續或20kHz調制準連續運轉，光束質量最好可達6mm·mrad，插頭效率在25%以上，采用流水冷卻，最大耗水量為5m3/h。2005年，該公司已推出功率高達50kW的多模摻鐿光纖激光器。

2. L波段可調諧高功率光纖激光器

一種L波段可調諧高功率光纖激光器的原理如圖1-43所示。該激光器采用了9m長的共摻 Er3+/Yb3+雙包層光纖作為增益介質，內包層的截面為星形，其線徑為130 μm。如圖中所示，激光器諧振腔為線性腔，它由光纖環鏡（左邊）與高雙折射光纖環鏡（右邊）所組成。Er3+/Yb3+的摻雜濃度分別為4.5×1025/m與6×1026/m。應用6個波長為976nm的激光二極管，通過多模耦合器對增益光纖泵浦，總泵浦功率為3.6W。由于Yb3+對976nm泵浦光是高吸收的，3.6W的泵浦功率只能激勵10cm長的光纖。然而，受激光纖段的自發發射光很強，它們沿光纖的傳播，可成為對光纖泵浦的二次泵浦源。相應地，光纖的增益光譜，就移動到1540～1640nm的L波段。激光輸出可從1588.6nm調諧到1622.6nm，其調諧范圍達34nm。如圖1-43所示，高雙折射光纖環鏡中有5cm和9cm的兩段高雙折射光纖，它們與兩個偏振控制器（PC1和PC2）一起構成了波長濾波器，并將調諧范圍內的功率起伏，平滑到0.4dB之內。這種光纖激光器最大激光輸出功率可達MW級。

1.7.7 超短脈沖光纖激光器

1. 調Q光纖激光器

目前，在光纖激光器中已成功地運用傳統的聲光調Q與電光調Q等方法來獲得巨脈沖。但這兩種Q開關均是光學元件，在光纖腔內安置這類元件除不可避免地引入損耗外，還需要考慮與光纖之間的耦合問題。因此，采用全光纖化的調Q技術，是解決此類問題的最佳途徑。

圖1-44是一個典型的電光調Q光纖激光器。摻Er3+光纖的一端做成與光纖軸線成17°的端面，以消除4%的菲涅耳（Fresnel）反射。經過透鏡準直，同電光調制器和激光器諧振腔片耦合。腔面反射率為75%，作為激光器的輸出鏡。激光器泵浦的輸入耦合器是利用在陶瓷套管和光纖端面鍍膜實現的。泵源是波長為980nm、功率為150mW的InGaAs激光器，它經隔離器后，聚焦注入摻鉺光纖。采用開關時間為10ns，重復頻率可達1kHz的LN-9電光調制器，可獲得峰值功率為540W、脈寬為4ns、重復頻率為200Hz的脈沖。

全光纖化主動調Q通常用光纖馬赫-曾德爾（M-Z）干涉儀與光纖邁克爾遜干涉儀實現。利用馬赫-曾德爾干涉儀作的摻Er3+光纖調Q激光器，采用了環形腔結構，可獲得1 μs脈寬與700Hz的重復頻率調Q脈沖。

利用光纖背向受激布里淵散射可以實現一種新的被動調Q，它以納秒量級弛豫振蕩脈沖的形式，給激光腔提供強反饋，使腔的Q值在極短的時間內增長幾個數量級，從而實現調Q。選擇合適長度的單模光纖，可得到穩定的納秒量級光脈沖輸出，其脈沖寬度（FWHM）約為2ns、重復頻率為數十MHz。

2. 鎖模光纖激光器

（1）主動鎖模光纖激光器

與通常體激光器類似，主動鎖模是在光纖激光腔內插入主動調制器件或外界有相關脈沖注入來實現鎖模，可產生皮秒量級的超短波脈沖。一種典型的Er主動鎖模激光器，如圖1-45所示。這里使用的是環形腔，一般光纖長度在10m以下，用LiNbO3調制器使損耗或相位產生等同于模式間隔或其整數倍頻率來實現鎖模。圖1-45中摻Er光纖放大器提供腔內增益，可調諧濾波器用以調節激光中心波長，延遲線用于腔長的精密調節，以達到和調制頻率相匹配，偏振控制器PC調節光場偏振狀態。光學隔離器的作用是防止反向傳輸的波與不同偏振態之間的模式競爭。延遲線可精確調節腔長，使其與調制頻率匹配。超模噪聲是影響鎖模激光器的穩定性的重要因素。這里采用插入窄帶可調諧濾波器的方法，使濾波器的自由光譜區正好等于調制頻率，從而使只有與濾波器相匹配的頻率的超模才能振蕩。

（2）被動鎖模光纖激光器

光纖具有許多非線性特性，如自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）、群速色散（GVD）與非線性偏振旋轉（NPR）等。被動鎖模就是利用非線性對輸入脈沖的依賴性，得到比輸入脈沖窄得多的脈沖。它們不僅結構簡單，而且可實現全光纖化，理論上可以直接產生飛秒光脈沖。當腔內色散達到與非線性相平衡的條件時，將獲得規則形狀的孤子脈沖，其基孤子具有雙曲正割波形。被動鎖模的缺點是脈沖重復頻率穩定性較差，不能由外界進行調控。

利用非線性偏振旋轉的摻Er3+光纖被動鎖模激光器如圖1-46所示，當環形腔長度不超過5.5m，使用3m長的摻Er3+光纖。PC1為2個1/4波片，PC2為2個1/4波片和1個半波片。耦合泵浦光的波分復合器（EDM）用色散位移光纖制作，輸出耦合器的耦合比為10∶90，用單模光纖制作。以140mW功率，波長為1480nm的激光二極管制作泵浦源。經實驗發現，在泵浦功率不超過69mW時出現自啟動鎖模，鎖模啟動后可以將泵浦功率降低到12mW，激光器仍能穩定運轉。在140mW的泵浦功率下，可獲得寬度為298fs的孤子脈沖，其重復頻率為37.8MHz。

（3）主被動鎖模光纖激光器

高速通信系統要求高重復頻率和高穩定性性能的鎖模光纖激光器。為了改善主動鎖模激光器的光束質量，人們提出了非線性光纖環鏡主被動鎖模激光器。新近發展的一種帶有光纖環鏡主被動鎖模激光器是色散非均衡光纖環鏡（DI-NOLM）鎖模激光器。色散非均衡光纖環鏡的優點在于色散只對脈沖起作用，其他任何低強度的連續背景都將被吸收，從而消除了脈沖的尾翼及自發輻射噪聲。

典型的色散非均衡光纖環鏡鎖模激光器如圖1-47所示。由圖1-47可見，在50∶50耦合器左邊就是以 LiNbO3調制器的主動鎖模 Er3+激光器，右邊為色散非均衡光纖環鏡。考慮到調制器是偏振相關器件，在其前端設置了偏振控制 PC3。因此，調節 PC3，可以達到較好的消光比。射頻發生器頻率在1MHz～20GHz可調。色散非均衡光纖環鏡中低色散光纖與單模光纖均為100m。實驗表明，調整色散非均衡光纖環鏡的偏置點，可使鎖模激光器運轉，其鎖模脈沖寬度（假定為雙曲正割形）為5.45ps。

3. 超連續譜光纖激光器

超連續譜（SC）是指一束高強度超短激光脈沖在通過非線性光學材料后，在出射光譜中產生出許多新的頻率成分，遠高于入射光的光譜寬度。超連續譜能在很寬的光譜范圍內同時產生多波長超短脈沖，在未來的波分復用/光時分復用的超高容量通信中將起重要的作用。實際上，光纖中的超連續譜產生涉及多種非線性效應，如自相位調制、交叉相位調制、受激拉曼散射和四波混頻等。

超連續譜光纖激光器的實驗裝置如圖1-48所示。圖1-48中，虛線框內為泵浦源，由10GHz主動鎖模光纖放大器（EDFA1）和色散位移光纖 DSF1構成的光脈沖壓縮裝置組成，它對激光器輸出光脈沖進行高階光壓縮，以保證有足夠功率產生超連續譜。DSF2為產生超連續譜的色散位移光纖，長度為2.2km，其零色散波長為1550.8nm，色散斜率約為0.068ps/（nm2/km）。EDFA2是功率放大器，可調光纖濾波器（OBF）從超連續譜光譜中濾取所需波長的光脈沖。在1554nm泵浦波長和功率為63mW時，能獲得寬度達80nm的超連續譜，其10dB平坦寬度范圍達50nm。