1 / 14
文档名称:

光纤激光器原理.doc

格式:doc   大小:29KB   页数:14页
下载后只包含 1 个 DOC 格式的文档,没有任何的图纸或源代码,查看文件列表

如果您已付费下载过本站文档,您可以点这里二次下载

分享

预览

光纤激光器原理.doc

上传人:橘子 2023/3/21 文件大小:29 KB

下载得到文件列表

光纤激光器原理.doc

文档介绍

文档介绍:该【光纤激光器原理 】是由【橘子】上传分享,文档一共【14】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【光纤激光器原理 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。光纤激光器原理
光纤激光器摘要光纤激光器具有寿命长模式好体积小免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。本文内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。关键词:光纤光纤激光器光纤光栅0引言早在1961年美国光学公司了开创性的工作。但由于当时条件所限光纤激光器的研究逐渐停了下来而与此同时半导体激光器件得到了迅猛发展。八十年代英国Southampton大铒光纤由于掺铒光纤激光器的激射波长恰好位于通信光纤的低损耗窗口很适合用作光纤通信的光源1。光纤激光器才又成为研究的热点。目前通信用激光器主要是半导体激光器但它存在着成本高与系统的传输光纤耦合困难等缺点。这大大制约了光纤通信系统的进一步普及。而光纤激光器是光纤通信系统中另一种很有前景的光源与半导体激光器相比它的优点主要体现在:1可以是用于稀土离子吸收光谱相对应的相对廉价的短波长半导体激光二极管作为泵浦源成本较低。2由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸容易耦合到系积比因而散热效果较好。4由于光纤激光器可以带宽范围内实现激光输出波长选择
系统具有非常重要的意义。5光纤激光器和光纤放大器容易且可调谐这对DWDM
与现有的光纤器件是完全相容的故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。1光纤激光器原理图1所示为典型光纤激光器的基本结构。图1光纤激光器的基本结构典型光纤激光器主要由三部分组成:产生光子的增益介质、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发增益介质的泵浦源。其中增
1入射到掺杂光纤芯中益介质为掺杂稀土离子的纤芯。当泵浦光从反射镜1或光栅
时会被所掺杂的稀土离子吸收。吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁实现“粒子数反转”反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态并释放出能量从反射镜2或光栅2输出。稀土离子的吸收和荧光特性由能级结构决定。由下能级至上能级的电子跃迁对应光的吸收过程由上能级至下能级的电子跃迁对应光的荧光过程。Er的能级结构和发生的一些典型跃迁相应的光波长如图1所示。其中有重要意义的跃迁过程有三个。Er和Yb共掺光纤也常用来制作光纤激光器。Yb3离子从基态3F72被激发到3F52再把能量几乎都传给Er3的激发态4I112。因为Yb3离子具有相当宽的吸收带8001064nm可以大大提高掺铒光纤激光器的性能。Er和Yb共掺光纤在980nm波长的典型吸收量是23dBcm因此用很短的一段Er和Yb共掺光纤就可以制作出光纤激光器。有多种不同的方法来制作光纤激光器的谐振腔光纤光栅由于使?昧榛畛杀窘系偷忍氐愠晌砸恢殖,玫姆椒ā,孀抛贤庑慈牍庀斯庹ぜ际醯娜找娉墒煲芽梢灾谱鞒龆嘀止庀思す馄鞑?梢允褂貌煌
谋闷衷词涑龆嘀痔匦缘募す狻?-1-图2Er3能级结构和跃迁情况2包层泵浦器技术双包层的出现是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ESnitzer首次描述包层泵浦器以来包层泵浦技术已被广泛地应用到器和放大器等领域成为制作高功率光纤激光器首选途径。图1a示出一种双包层的截面结构。不难看出包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂。一个纤芯和传统的单模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1b所示。这样使用多个多模二极管同时耦合至包层上当泵浦光每次横穿过单模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内设置的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输出。目前该技术被称为多模
并行包层泵浦技术Claddingpumpedtechnology法国Keopsys公司在该技术上形成了一专利称为“V-GrooveTechnologe”。多模并行包层泵浦技术特性决定了该类光纤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。图3双包层光纤及工作原理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。其几何上的宽面就使得光纤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、全环形腔双包层器三大类不同特色的双包层器可由该三种基本类型拓展
、阈值得到。OFC’2002的一篇文献采用如图4
。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。3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泵浦器通过-2-图4一种新型的光纤激光器腔体结构偏振复用获得拉曼泵源但其成本相对较高且结构复杂。方法二是采用拉曼器RFL来产生特定波长的大功率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。。不同线形拉曼器的结构基本相似都采用布拉格光栅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的掺杂作为增益介质最近的报道是采用掺P2O5的掺杂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的掺杂为440cm-1而掺P2O5的掺杂为1330cm-1因此采用P2O5掺杂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。’2001会议中报道了一个采用二级拉曼变换获得1480nm输出的RFL实验其泵浦光波长为1061nm和采用掺GeO2的掺杂的RFL相比减少了一级拉曼上变换。ECOC’2001的另一篇论文中报道了采用掺P制作的1480nm单波长拉曼器实现28dBm输出的EDFA3。OFC’2001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产生超连续谱的实验4。它由拉曼激光器和超连续SC腔体两部分构成其中Raman光纤激光器器工作原理图见图3。在掺镱激光器的泵浦下以掺镨为工作物质输出。。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2lRFL和三波长拉曼光纤激光器3lRFL已成功演示IPG等已开始形成产品。阿尔卡特公司在OFC’2002会议上报道的一种可重构三波长拉曼器3lRFL图6所示得到了输图5采用RFL产生超连续谱实验装置图6一种三波长拉曼光纤激光器装置出波长分别为1427nm、1455nm和1480nm的输出可用于CL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50mW—400mW范围内可调。整个3lRFL的主体部分由11只光栅FBG和300米的掺P组成并以输出波长为1117nm的Yb3包层泵浦器作为泵浦源。其内部的Stocks功率迁移如图7所示。、。应当指出由于各拉曼峰值相距较远因此不同Stocks之间的交互作用是不可忽视的。、1427nm、1455nm和1480nm获得额外的拉曼增益。图7三波长拉曼光纤激光器Stocks功率迁移采用和图6相似的结构OFC’2002的另外两-3-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1466nm。OFC’。
环行腔结构在技术中具有重要的地位和作用也是构建拉曼器行腔拉曼光纤激光器
的另一种重要方式。OFC’2001中的一篇论文报道了一种双波长的环行拉曼光纤激光器2lRFL其结构如图8所示。图中除光栅1480A的反射率为90外其他的光栅的反射率均大于99拉曼A和B是长度分别为120米和220米的色散补偿DCF。在工作波长为1313nm的Nd:YLF光纤激光器作为泵浦源作用下该器的二级Stocks波长为1480nm和
。报道
出。另外通过调整光栅1480B的反射率可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器可较好地用到增益平坦的拉曼放大中。图8一种双波长环行拉曼光纤激光器结构4新型的光纤激光器技术早期对光纤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器技术、超连续器等的进步。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。。。F-。偏振控制器PC1和PC2分别用于补偿SOA1和SOA2对TE轴、TM轴的偏振相关增益误差。该结构在1554nm—1574nm范围内实现了波长间隔为50GHz、。图9一种基于SOA的环行多波长激光器为获得平坦的功率输出谱一种改正型的方案如图10所示。图中FRM为法拉第旋转镜VOA为可调光衰减器。由于光反馈臂的引入一个直观的特性是可对其输出的进行反馈监视另外该改正型结构还可对的输出光性能提供较大程度的改善。—、。图10改正型的基于SOA的环行多波长激光器经典的Sagnac干涉装置在信息科学领域的超快速响应技术中有多种应用其中包括超快速
光调制器的全光开关、全光解复用、信号再生、逻辑运算、信号格式变换以及全光波长变换等。最近-4-OFC’2002的一篇文献将Sagnac干涉装置拓宽到器的应用。该文献报道的基于NOLM的多波长拉曼光源在四阶斯托克斯波内可以实现20个波长通道输出。在OFC’2002的另一篇论文中报道了一种采用偏振复用拉曼泵源、F-P可调滤波器和色散补偿组成的去偏振多波长环行腔体拉曼光纤激光器。、、。。然而这些信道的波长间隔都是固定的是无法改变的。目前研制的器输出的多波长信号其信道间隔也是一定的。OFC2001会议上报道了一个可调谐波长间隔的多波长输出的光纤激光器。其原理图见图9。法拉弟旋转镜FRM用于补偿FRM与偏振分束器PBS之间的PMD并且能稳定前后传输方向的正交偏振态。利用在保偏中偏振模的耦合作为可调波长间隔滤波器。光纤激光器
加压腔内的偏振分束器和偏振保持及其相关器件组成波长滤波器。当不对PMF施力时沿偏振快轴的光分量能通过滤波器传输与波长无关当对PMF施加压力时在施加压力处偏振模产生耦合波长间隔就由施加压力的位置不同而不同。施加压力的方式是用夹子夹住PMF的不同位置。-。峰值功率漂移在6dB内。
。提出当施加压力的位置在8m处光纤激光器输出14
了另一种可调谐的器方案如图12a所示其主要的特色是波长间隔可调。图中具有不同波长峰值的n个光栅FBG采用图12b结构被安装成FBG阵列并级联起来以形成多波长激射。波长的调谐通过改变光栅的周期来实现。、、、、、、。。超短光脉冲不但能提高TMD系统中的单信道码率同时其宽大的连续谱也能为WDM系统提供众多的波长信道。大部分超连续谱的产生主要有以下两种方法压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。现在最流行的也报道得最多的是利用或光放大器的非线性产生超连续谱。其中利用产生宽连续谱最为经济实用。据报道所采用的类型不同产生连续谱带宽也不同。比如在两头粗中间拉细的特种中见图13产生的连续谱就很宽可调谐波长范围为500nm--1600nm。泵浦源端的长为3cm拉细长度为15cm尾纤输出端为15cm。该连续谱在后段标准电信中输出Raman脉冲可调谐波长幅度达200nmRaman脉冲波长调谐范围为1400nm--1600nm。脉冲频谱带宽为20nm相当于脉宽130fs的边带极限脉冲。当改变输入入射功率则Raman孤子波长也发生改变。这种器就是以改变泵浦功率来改变波长。图13利用特种光纤产生超连续谱-5-。OFC’2001和OFC’2002中多篇论文报道了该类器技术。LI等报道了利用色散补偿DCF增加腔内色散在主动锁模环形器中实现了3个波长的输出并通过调节调制频率实现了单波长和双波长的连续调谐。现已研制成功线宽窄到2kHz的器、调谐范围达到75nm的宽调谐器以及重复频率达到21GHz的高重复频率器。图14是基于NOLM的锁模器的工作原理图。平常常见