1.7 光纤激光器

1.7.1 光纤激光器概述

由上可知，半导体激光器有很多优点，而且应用非常广泛。但其缺点是，与光纤之间耦合困难，增大了腔内插入损耗，从而导致其效率低、阈值高。因此，光纤激光器才应运而生。目前，光纤激光器已被广泛地应用于DWDM光纤通信系统中。

1. 光纤激光器的基本结构和原理

光纤激光器是指以掺杂光纤为介质的激光器。它包括：①基质为光子晶体、石英玻璃、硅或氟化物玻璃，掺杂稀土元素如Nd（钕）、Er（铒）、Yb（镱）、Tm（铥）等15种元素的掺杂光纤激光器；②向塑料光纤芯部或包层内溶入染料的染料光纤激光器；③由光纤的非线性效应产生的相干受激散射（受激拉曼散射和受激布里渊散射）。

现以图1-33所示的纵向泵浦的光纤激光器为例，说明光纤激光器的基本原理。由图1-33可见，一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤，左面腔镜对于泵浦光全部透射并对于激光全反射，以便有效地利用泵浦光，并防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。右面腔镜对于激光部分透过，以便形成激光束的反馈和获得激光输出。这种结构实际上就是法布里-珀罗谐振腔结构，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光发射，而输出激光。

从效果上看，光纤激光器是一种高效的波长转换器，即由泵浦光波长转换为所掺杂稀土离子的激射波长。这个激射波长正是光纤激光器的输出光波长，它不受泵浦波长的控制，仅由基质材料的稀土掺杂元素决定。因此可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的不同短波长、高功率且廉价的半导体激光器作为泵浦源，以获得不同波长（处于光纤低损耗窗口的1.3 μm、1.55 μm及2～3 μm红外光波段）的激光输出。

2. 光纤激光器的特点

掺杂光纤激光器与其他激光器相比，它具有一系列重要特点：①耦合效率高，因为其激光介质本身就是导波介质，可方便、高效地与光纤传输系统连接，这是基于光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度的缘故；②能量转换效率高，如利用新型双包层光纤的光-光转换效率可达80%以上；③激光阈值低，其掺铒光纤的阈值≤5mW；④波段调谐范围广，可在380～3900nm很宽的波段范围及多波长运行，其色散性和稳定性好，这是基于光纤的可选择性、可调谐参数多的特性；⑤器件结构紧凑简单、小巧灵活，可集成化，还可借助光纤极好的柔韧性，与方向耦合器等器件构成各种柔性谐振腔，有利于光纤通信系统的应用；⑥激光亮度高，因光纤损耗小，激光场主要约束在纤芯内，能产生甚高亮度和甚高峰值功率；⑦激光束质量及调谐性能好，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出；⑧能在不施加强致冷的情况下连续工作，因为光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好；⑨器件寿命长，平均泵浦寿命（1～10）×104 h；⑩工作条件不严格，可自然冷却或简单风冷，且耐高震动、高冲击，可在高温与大烟尘下运行。

以上这些特点决定了光纤激光器比半导体激光器拥有更多的优势。

光纤激光器是一种多波长（其波长间隔符合ITU-T标准）的光源，它和其他激光器结构类似，也是由增益介质、光学谐振腔和泵浦源三部分组成的。增益介质能产生光子，光学谐振腔能使光子得到反馈，泵浦源能激励光子跃迁。

掺杂光纤激光器的激活粒子是掺杂的稀土元素电离形成的3价离子，例如Er3+、Nd3+、Yb3+等。最常采用的泵浦源为激光二极管（LD），此外有钛宝石、YAG等固体激光器。

1.7.2 光纤激光器的特殊谐振腔

除了法布里-珀罗与光纤布拉格光栅（见10.2.3节）反射器构成的线性谐振腔外，在光纤激光器中还广泛使用一些由光纤与光纤定向耦合器组成的特殊谐振腔。最常使用的光纤定向耦合器是将两根光纤紧密接触，两者的包层熔融到一起，由于两光纤的纤芯非常靠近，两光纤中的光波彼此产生耦合，这种耦合器成为熔融锥型定向耦合器。通过耦合，当对一根光纤输入光束，在另一光纤的尾端将有光束输出。输出光的强度由耦合器的耦合比K决定，0＜K＜1， K值大小取决于接触区的长短、纤芯间距离以及传输光的波长等参量。

1. 环形光纤谐振腔

环形光纤谐振腔如图1-34（a）所示，图1-34（b）为其等效光路。其方法是将耦合光纤中的两个臂（图中3，4臂）连接起来，以形成环形传输回路。当主光纤的输入端输入泵浦光束时，通过耦合，光波在光纤环中循环传播，起着环形谐振腔的作用。耦合器的分束耦合比相当于腔镜的反射率，它决定了谐振腔的精细度。当要求高精细度时，就采用低耦合比。例如，一台掺Nd3+光纤激光器，激光波长为1078nm，泵浦波长为595nm，谐振腔的光纤环的直径为70cm，定向耦合器的耦合比为10∶1。

2. 光纤环形镜及其谐振腔

这种谐振腔是在同一光纤上的两点间产生耦合而构成的光纤环路，如图1-35（a）所示，图1-35（b）为其等效光路。输入的光束既可以从光纤的另一端输出，又可以通过耦合器变为后向光束而返回到输入端。前、后向传输的光束分别称为透射光与反射光。在耦合比K=1/2的情况下，进入耦合器的光束将有一半功率的光沿光纤环顺时针传播，而另外一半光沿逆时针传播。而越过耦合器的光波比直通光波的相位滞后 π/2，于是顺时针光场与逆时针光场的幅度相等，相位相反，正好抵消，结果使透射输出为零，说明所有的输入光都回到了输入端。根据光纤环形的反射特性，如果在一条光纤上制作两个环路，就构成一个光纤谐振腔。由于用单根光纤制成的耦合器其耦合损耗非常小，并且在激光波长处的波长响应和反射率都易于选择，因此容易获得最佳激光输出。

3.Fox-Smith 光纤谐振腔

Fox-Smith谐振腔由光纤端面反射镜和定向耦合器构成，如图1-36（a）所示，图1-36（b）为其等效光路。通过耦合器的分束，由1～4与1～3臂分别组成两个子腔，这是一种复合腔。复合腔的原理是：当掺杂光纤在阈值功率以上泵浦时，将在同时满足两腔谐振条件的模式上出现激光振荡，并可获得窄带激光输出。为了实现单纵横输出，可以用一光栅代替其中一个腔镜。设两个腔长分别为80cm和95cm。从端口2输入Ar+激光514nm波长泵浦光。在端口3置一光栅（线密度1200线/mm，闪烁波长1500nm），当调节光栅得到1536nm单纵模输出时，线宽仅8.5MHz。

1.7.3 双包层光纤激光器

光纤激光器是一种波导形激光器。为了提高对泵浦光的吸收效率，新近发展了一种双包层光纤。与普通单包层光纤不同，该种光纤制作了两个包层，分别称为内包层与外包层，如图1-37所示。这种双包层光纤激光器就是包层泵浦光纤激光器。

由图1-37可知，内包层包绕着纤芯，将激光限制在纤芯内传播，并且又是泵浦光的导管。为了保证光纤输出单模激光，纤芯的线径一般为数微米。内包层的线径一般在数十微米，因此允许泵浦光是多模的，可以采用价格相对便宜、高功率多模二极管阵列作为泵浦源。泵浦光大部分被耦合到内包层中，因为从纤芯到外包层，折射率依次减小，因此泵浦光在内外包层界面上发生全反射而被局限在内包层中传播，并在反复穿过线芯的过程中不断激励激光介质。由于在整个的光纤长度上都在进行泵浦，泵浦光的能量几乎全部都可以为激光介质所吸收，因而泵浦效率很高。

初期设计的内包层为圆形截面，但波导结构的圆对称性，导致在圆形包层中存在螺旋光模式，而螺旋光是不穿过纤芯的。圆形截面内包层的泵浦效率并不高，因而又设计出如图1-38所示的等多种截面形状的内包层，纤芯也可能放在偏心位置上。兼顾到对泵浦光的吸收效率与制作工艺等方面的因素，现在使用最多的是矩形截面的内包层光纤。经测试，矩形内包层光纤在经50次反射后，可以有92%泵浦光能进入纤芯。

1.7.4 连续波光纤激光器

以光纤光栅作为选频元件的光纤激光器可得到窄线宽的稳定激光，是波分复用通信系统的一类好光源。这里介绍一个使用光纤光栅的掺饵光纤激光器，其结构如图1-39所示。

谐振腔由一对布拉格光栅FBG1与FBG2熔接一段2.75m高掺Er3+光纤构成。FBG1为宽带高反射，在1551.84nm处的反射率为99%，3dB带宽为1.02nm，FBG2为低反射，反射率为99%，在1552.08nm处的3dB带宽为0.16nm。由二极管激光器发射的波长为980nm泵浦光经WDM耦合进谐振腔。该激光器在1.55 µm波段上，3dB线宽为0.2nm，25dB线宽为0.46nm，最大输出功率为25mW，输出功率的稳定性为±0.01dB，阈值泵浦功率为8.6mW，斜效率为21.7%。

法布里-珀罗腔单纵模掺 Er3+光纤激光器如图1-40所示。激光腔中有一个光纤偏振分束器（FPS）和3个光纤偏振控制器PC1和PC2和PC3，其中PC1和PC2是1/4波片。偏振分束器将输入的圆偏振光变成两个正交的线偏振光，从偏振分束器端口输出。左边平面镜或高反的光纤布拉格光栅作为激光器的一个反射端面，右边切平的光纤端面有4%的反射作为激光器的另一个反射面，并为激光器的输出端。仔细调整偏振分束器右边的两段光纤的长度，可使反射光在偏振分束器处发生干涉，并使某一波长的的光干涉最强。将PC1放置成与偏振分束器的一个线偏振方向成45°作为1/4波片，从偏振分束器传输的圆偏振光被平面镜反射，并两次通过PC1导致反方向有相同偏振状态的圆偏振光传输。通过微调PC，来消除激光腔中的双折射。该激光器输出脉冲的线宽为10kHz。

1.7.5 多波长光纤激光器

由于掺Er3+光纤具有很宽的增益谱，因而可用于制作多波长振荡的光纤激光器。实现多波长同时振荡的主要技术在选模方法，目前可分为三类：①在腔内加上选模器；②在腔外放置选择性反馈器（如光纤光栅等）；③利用非线性效应（受激布里渊散射和受激拉曼散射）。

这里仅介绍第1类——腔内选模，它是将选模器置于腔内起梳状滤波器作用。早期的方法是在腔内放置法布里-珀罗标准具或马赫-曾德尔干涉仪，但由于掺 Er3+光纤属均匀加宽增益介质，模式竞争严重，需要液氮冷却来降低均匀加宽的线宽，以减小模式竞争。最近的一种方案是在腔内连接一段多模光纤，如图1-41所示。图中的半导体光波导和光纤环形镜为激光器的腔镜。它的工作原理是，利用多模光纤导模的空间模式跳动与激光谐振腔中的偏振烧孔共同作用来抑制模式竞争。当激光在腔镜之间不断反射时，单模光纤中的LP01模和多模光纤中的LP01，和LP11模间的耦合损耗不同，于是传输系数与波长相关。选择多模光纤的长度为跳模长度的整数倍，就可以形成与波长有关的梳状滤波器效应，对输出激光进行选模。采用这种结构可以在室温下得到线宽为0.09nm、波长间隔为0.68nm的双波长或三波长的激光输出。

1.7.6 高功率光纤激光器

现代高功率激光器都采用双包层泵浦技术，选择合适的内包层形状和直径，使之与高功率二极管激光有效地耦合，将高功率二极管激光转换成衍射极限的强单模激光。

1. 千瓦和万瓦级激光器

为了获得更高激光功率输出，IPG Photonics公司设计了如图1-42所示的光纤激光器。这种激光器也采用了矩形截面内包层的双包层掺杂光纤，用布拉格光栅作为激光腔的反射镜，采用二极管激光器作为泵浦源。IPG Photonics公司发明了一种掺Yb3+光纤的捆绑技术，将若干支掺Yb3+光纤捆绑成一组标准光纤组，并配有相应的激光二极管阵列做泵浦源。然后根据所设计的功能要求，用标准光纤组合装配成各种高功率光纤激光器，CW单模运转下有极好的光束质量。以输出功率为10kW和波长1080nm的掺镱激光器为例，可连续或20kHz调制准连续运转，光束质量最好可达6mm·mrad，插头效率在25%以上，采用流水冷却，最大耗水量为5m3/h。2005年，该公司已推出功率高达50kW的多模掺镱光纤激光器。

2. L波段可调谐高功率光纤激光器

一种L波段可调谐高功率光纤激光器的原理如图1-43所示。该激光器采用了9m长的共掺 Er3+/Yb3+双包层光纤作为增益介质，内包层的截面为星形，其线径为130 µm。如图中所示，激光器谐振腔为线性腔，它由光纤环镜（左边）与高双折射光纤环镜（右边）所组成。Er3+/Yb3+的掺杂浓度分别为4.5×1025/m与6×1026/m。应用6个波长为976nm的激光二极管，通过多模耦合器对增益光纤泵浦，总泵浦功率为3.6W。由于Yb3+对976nm泵浦光是高吸收的，3.6W的泵浦功率只能激励10cm长的光纤。然而，受激光纤段的自发发射光很强，它们沿光纤的传播，可成为对光纤泵浦的二次泵浦源。相应地，光纤的增益光谱，就移动到1540～1640nm的L波段。激光输出可从1588.6nm调谐到1622.6nm，其调谐范围达34nm。如图1-43所示，高双折射光纤环镜中有5cm和9cm的两段高双折射光纤，它们与两个偏振控制器（PC1和PC2）一起构成了波长滤波器，并将调谐范围内的功率起伏，平滑到0.4dB之内。这种光纤激光器最大激光输出功率可达MW级。

1.7.7 超短脉冲光纤激光器

1. 调Q光纤激光器

目前，在光纤激光器中已成功地运用传统的声光调Q与电光调Q等方法来获得巨脉冲。但这两种Q开关均是光学元件，在光纤腔内安置这类元件除不可避免地引入损耗外，还需要考虑与光纤之间的耦合问题。因此，采用全光纤化的调Q技术，是解决此类问题的最佳途径。

图1-44是一个典型的电光调Q光纤激光器。掺Er3+光纤的一端做成与光纤轴线成17°的端面，以消除4%的菲涅耳（Fresnel）反射。经过透镜准直，同电光调制器和激光器谐振腔片耦合。腔面反射率为75%，作为激光器的输出镜。激光器泵浦的输入耦合器是利用在陶瓷套管和光纤端面镀膜实现的。泵源是波长为980nm、功率为150mW的InGaAs激光器，它经隔离器后，聚焦注入掺铒光纤。采用开关时间为10ns，重复频率可达1kHz的LN-9电光调制器，可获得峰值功率为540W、脉宽为4ns、重复频率为200Hz的脉冲。

全光纤化主动调Q通常用光纤马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪与光纤迈克尔逊干涉仪实现。利用马赫-曾德尔干涉仪作的掺Er3+光纤调Q激光器，采用了环形腔结构，可获得1 μs脉宽与700Hz的重复频率调Q脉冲。

利用光纤背向受激布里渊散射可以实现一种新的被动调Q，它以纳秒量级弛豫振荡脉冲的形式，给激光腔提供强反馈，使腔的Q值在极短的时间内增长几个数量级，从而实现调Q。选择合适长度的单模光纤，可得到稳定的纳秒量级光脉冲输出，其脉冲宽度（FWHM）约为2ns、重复频率为数十MHz。

2. 锁模光纤激光器

（1）主动锁模光纤激光器

与通常体激光器类似，主动锁模是在光纤激光腔内插入主动调制器件或外界有相关脉冲注入来实现锁模，可产生皮秒量级的超短波脉冲。一种典型的Er主动锁模激光器，如图1-45所示。这里使用的是环形腔，一般光纤长度在10m以下，用LiNbO3调制器使损耗或相位产生等同于模式间隔或其整数倍频率来实现锁模。图1-45中掺Er光纤放大器提供腔内增益，可调谐滤波器用以调节激光中心波长，延迟线用于腔长的精密调节，以达到和调制频率相匹配，偏振控制器PC调节光场偏振状态。光学隔离器的作用是防止反向传输的波与不同偏振态之间的模式竞争。延迟线可精确调节腔长，使其与调制频率匹配。超模噪声是影响锁模激光器的稳定性的重要因素。这里采用插入窄带可调谐滤波器的方法，使滤波器的自由光谱区正好等于调制频率，从而使只有与滤波器相匹配的频率的超模才能振荡。

（2）被动锁模光纤激光器

光纤具有许多非线性特性，如自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、群速色散（GVD）与非线性偏振旋转（NPR）等。被动锁模就是利用非线性对输入脉冲的依赖性，得到比输入脉冲窄得多的脉冲。它们不仅结构简单，而且可实现全光纤化，理论上可以直接产生飞秒光脉冲。当腔内色散达到与非线性相平衡的条件时，将获得规则形状的孤子脉冲，其基孤子具有双曲正割波形。被动锁模的缺点是脉冲重复频率稳定性较差，不能由外界进行调控。

利用非线性偏振旋转的掺Er3+光纤被动锁模激光器如图1-46所示，当环形腔长度不超过5.5m，使用3m长的掺Er3+光纤。PC1为2个1/4波片，PC2为2个1/4波片和1个半波片。耦合泵浦光的波分复合器（EDM）用色散位移光纤制作，输出耦合器的耦合比为10∶90，用单模光纤制作。以140mW功率，波长为1480nm的激光二极管制作泵浦源。经实验发现，在泵浦功率不超过69mW时出现自启动锁模，锁模启动后可以将泵浦功率降低到12mW，激光器仍能稳定运转。在140mW的泵浦功率下，可获得宽度为298fs的孤子脉冲，其重复频率为37.8MHz。

（3）主被动锁模光纤激光器

高速通信系统要求高重复频率和高稳定性性能的锁模光纤激光器。为了改善主动锁模激光器的光束质量，人们提出了非线性光纤环镜主被动锁模激光器。新近发展的一种带有光纤环镜主被动锁模激光器是色散非均衡光纤环镜（DI-NOLM）锁模激光器。色散非均衡光纤环镜的优点在于色散只对脉冲起作用，其他任何低强度的连续背景都将被吸收，从而消除了脉冲的尾翼及自发辐射噪声。

典型的色散非均衡光纤环镜锁模激光器如图1-47所示。由图1-47可见，在50∶50耦合器左边就是以 LiNbO3调制器的主动锁模 Er3+激光器，右边为色散非均衡光纤环镜。考虑到调制器是偏振相关器件，在其前端设置了偏振控制 PC3。因此，调节 PC3，可以达到较好的消光比。射频发生器频率在1MHz～20GHz可调。色散非均衡光纤环镜中低色散光纤与单模光纤均为100m。实验表明，调整色散非均衡光纤环镜的偏置点，可使锁模激光器运转，其锁模脉冲宽度（假定为双曲正割形）为5.45ps。

3. 超连续谱光纤激光器

超连续谱（SC）是指一束高强度超短激光脉冲在通过非线性光学材料后，在出射光谱中产生出许多新的频率成分，远高于入射光的光谱宽度。超连续谱能在很宽的光谱范围内同时产生多波长超短脉冲，在未来的波分复用/光时分复用的超高容量通信中将起重要的作用。实际上，光纤中的超连续谱产生涉及多种非线性效应，如自相位调制、交叉相位调制、受激拉曼散射和四波混频等。

超连续谱光纤激光器的实验装置如图1-48所示。图1-48中，虚线框内为泵浦源，由10GHz主动锁模光纤放大器（EDFA1）和色散位移光纤 DSF1构成的光脉冲压缩装置组成，它对激光器输出光脉冲进行高阶光压缩，以保证有足够功率产生超连续谱。DSF2为产生超连续谱的色散位移光纤，长度为2.2km，其零色散波长为1550.8nm，色散斜率约为0.068ps/（nm2/km）。EDFA2是功率放大器，可调光纤滤波器（OBF）从超连续谱光谱中滤取所需波长的光脉冲。在1554nm泵浦波长和功率为63mW时，能获得宽度达80nm的超连续谱，其10dB平坦宽度范围达50nm。