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技術基礎上發(fā)展起來的技術。早在1961年，美國光學公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領域進行了開創(chuàng)性的工作，但由 于相關條件的限制，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，超快速光電子學、非線性光學、光傳感等各種領域應用的研究已得到日益重視。其中，以光纖 作基質的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調諧性能等方面，已明顯取得進步，是目前光通信領域的新興技術，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? Ｄ殼骯庀思す餛骷際跏茄芯康娜鵲慵際踔弧１疚木徒昀垂餳鋼中灤偷墓庀思す?器技術加以闡述。 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領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)姆答仚C制形成激光器，因此光纖激光器可 在光纖放大器的基礎上開發(fā)。目前開發(fā)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。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極易 形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數(shù)反轉”。因此，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩。另外由于光纖基質具有很寬的熒 光譜，因此，光纖激光器一般都可做成可調諧的，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構，可容強泵浦，具有高增益、轉換效率高、閾值低、輸出光束質量好、線寬窄、結構簡單、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)光纖激光器的諧振腔采用的結構可以將其分為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）模式結構；（5）能量轉換效率；（6）激光器工作波長等。 三、包層泵浦光纖激光器技術 雙包層光纖的出現(xiàn)無疑是光纖領域的一大突破，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，包層泵浦技術已被廣泛地應用到光纖激光器和光纖放大器等領域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。圖1 (a)示出一種雙包層光纖的截面結構。不難看出，包層泵浦的技術基礎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，然后通過躍遷產生自發(fā)輻射光，通過在光纖內設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生激光輸出。目前，該技術被稱為多模并行包層泵浦技術(Cladding pumped technology)，法國Keopsys公司在該技術上形成了一專利，稱為“V-Groove Technologe”。多模并行包層泵浦技術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置，即可允許設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的活性包層光纖摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個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。 OFC’2002的一篇文獻采用如圖2所示腔體結構，實現(xiàn)了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達85%的新型包層泵浦光纖激光器 [1]。在產品技術方面，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。四、拉曼光纖激光器技術 拉曼光放大技術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構復雜。方法二是采用拉曼光纖激光器(RFL)來產生特定波長的大功率激光，目前該技術已得到相當程度的發(fā)展并形 成了商用產品(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。 4.1 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構基本相似，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來看，通常采用摻GeO2的摻雜光纖作為增益介質，最近的報道是采用摻P2O5的摻雜光纖作為增益介 質，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-1，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ECOC’2001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1061nm[2]，和采用摻GeO2的摻雜光纖的RFL相比，減少了一級拉 曼上變換。ECOC’2001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]。 OFC’2001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輸出激光。泵浦光為 1064nm，輸出脈沖為1483.4nm的激光（二級Stocks），輸出功率為2.22W。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(2lRFL)和三波長拉曼光纖激光器(3lRFL)已成功演示，IPG等已開始形成產品。 阿爾卡特公司在OFC’2002會議上報道的一種可重構三波長拉曼光纖激光器(3lRFL)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。另外通過調整輸出耦合器，每個波長的輸出功率可在50mW—400mW范圍內可 調。整個3lRFL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Yb3+包層泵浦光纖激光器作為泵浦 源。其內部的Stocks功率遷移如圖5所示。其基本的原理分為以下三步：首先，在1117nm泵浦光的作用下，利用P2O5產生頻移，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 三波段拉曼光纖激光器Stocks功率遷移示意圖采用 和圖4相似的結構，OFC’2002的另外兩篇論文報道了在泵浦光的作用下產生四級Stocks分量的可重構Raman光纖激光器，其輸出波長均為 1428nm、1445nm和1466nm[6][7]。OFC’2001的一篇論文報道了一個3lRFL，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0.4nm[8]。 4.2 環(huán)行腔拉曼光纖激光器 環(huán)行腔結構在激光技術中具有重要的地位和作用，也是構建拉曼光纖激光器的另一種 重要方式。OFC’2001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(2lRFL)[9]，其結構如圖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。 圖6 一種雙波長環(huán)行拉曼光纖激光器結構五、新型的光纖激光器技術 早期對激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調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、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)的技術途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術、超發(fā)光二極管等技術均見報道。 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500mm，在1522nm處提供的小信號增益為23dB，SOA2的長度是250mm，在1530nm處可提供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軸的偏振相關增益誤差。該結構在1554nm—1574nm范圍內，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，激光器的線寬小于 5GHz。 圖7 一種基于半導體光放大器（SOA）的多波長光纖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為法拉第旋轉鏡，VOA為可調光衰減器。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，另外該改正型結構還可對激光的輸出光性能提供較大程度的改善。據(jù)報道該結構在1554.7— 1574.7nm的波長范圍內，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，消光比達到 32dB，激光器輸出的線寬為500MHz。 圖8 改正型的基于SOA的多波長光纖激光器經(jīng)典 的Sagnac干涉裝置在信息科學領域的超快速響應技術中有多種應用，其中包括：超快速光調制器的全光開關、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，OFC’2002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，可以實現(xiàn)20個波長通道輸出。在OFC’2002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、1445.8、1463.4nm泵浦波長的拉曼泵源作用下，3dB帶寬范圍內的輸出 波長可達到58個，通道間隔為50GHz。 目前相關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諧波長間隔的多波長輸出的光纖激光器。其原理圖見圖9。 圖9 可調諧波長間隔的多波長光纖激光器原理法拉弟旋轉鏡（FRM）用于補償FRM與偏振分束器（PBS）之間的PMD，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波長間隔濾波器。光纖激光器腔內的偏振分束器和偏振保持光纖及其相關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；當對PMF施加壓力時，在施加壓力處，偏振模產生耦合，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，波長調諧范圍為1548.2nm- 1559.9nm，波長間隔為1.46nm。峰值功率漂移在6dB內。當施加壓力的位置在8m處，激光器輸出14個信道波長，波長間隔為0.73nm。 文獻[15]提出了另一種可調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。圖中具有不同波長峰值的n個光纖光柵(FBG)采 用圖10（b）結構被安裝成FBG陣列，并級聯(lián)起來以形成多波長激射。波長的調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、1551.36、1554.1nm的情況下，可調諧得到波長間隔不同的四個波長，分別為1547.64、 1551.64、1556.60、1561.24nm。5.2 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。 現(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生超連續(xù)譜。其中利用光纖產生寬連續(xù)譜最為經(jīng)濟實用。據(jù)報道，所采用的 光纖類型不同，產生連續(xù)譜帶寬也不同。比如在兩頭粗中間拉細的特種光纖中（見圖11）[16]，產生的連續(xù)譜就很寬，可調諧波長范圍為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，可調諧波長 幅度達200nm，Raman脈沖波長調諧范圍為1400nm--1600nm。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。5.3 鎖模光纖激光器 連續(xù)調諧多波長鎖模激光器一直是激光技術很活躍的研究領域。OFC’2001和OFC’2002中多篇論文報道了該類光纖激光器技術[17][18]。 LI等報道了利用色散補償光纖（DCF）增加腔內色散，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，并通過調節(jié)調制頻率，實現(xiàn)了單波長和雙波長 的連續(xù)調諧。現(xiàn)已研制成功線寬窄到2kHz的激光器、調諧范圍達到75nm的寬調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[19]。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，能進行亮暗脈沖轉換，能選擇 脈沖波長，產生高重復率的信號。調節(jié)PC1使B端輸出最大功率時，在A端可得到亮脈沖；調節(jié)PC1使環(huán)內形成反射模時在A端就形成暗脈沖。在耦合器2支路 上可以通過濾波器選擇輸出激光波長，并通過EDFA對選定波長進行放大。當控制脈沖與主環(huán)頻率失諧時，當產生控制脈沖的DFB激光器的驅動頻率是主環(huán)的頻 率f的n分之一時，可得到是控制脈沖n倍重復率的輸出脈沖。例如主環(huán)頻率f為19.4kHz時，控制脈沖調制頻率為1145MHz，DFB激光器驅動頻率 失諧在1/4f，則可得到4.58GHz重復率的輸出脈沖。 5.4 頻率上變換光纖激光器 P.Xie和T.R.Gosnell用鈦寶石激光器的860nm泵浦幾十厘米長的光纖，通過更換不同的輸出鏡獲得了紅、橙、綠、藍4種顏色的激光，功率 分別為300mW、44mW、20mW和3mW，斜效率分別為52％、11.5％、12.4％和3％。包層泵浦上轉換光纖激光器的研究工作是國際上的最新 研究熱點，它在常規(guī)光纖激光器研究工作的基礎上，利用頻率上轉換技術大大擴展了激光器的頻率范圍，可獲得近紅外光、可見光乃至更短波長的激光輸出。 六、結語 隨著光通信網(wǎng)絡及相關領域技術的飛速發(fā)展，光纖激光器技術正在不斷向廣度和深度方面推進；技術的進 步，特別是以光纖光柵、濾波器、光纖技術等為基礎的新型光纖器件等的陸續(xù)面市，將為光纖激光器的設計提供新的對策和思路。包層泵浦光纖激光器和單波長、 2lRFL和3lRFL的面市，無疑體現(xiàn)出光纖激光器的巨大潛力。盡管目前多數(shù)類型的光纖激光器仍處于實驗室研制階段，但已經(jīng)在實驗室中充分顯示其優(yōu)越 性。目前光纖激光器的開發(fā)研制正向多功能化、實用化方向發(fā)展。其中比較突出的光纖激光器類型有：能根據(jù)客戶需要波長而輸出特定波長的Raman光纖激光 器，針對WDM系統(tǒng)而開發(fā)的基于超連續(xù)譜的多波長光纖激光器，能改變波長間隔的多波長光纖激光器。可以預見，光纖激光器將成為LD的有力競爭對手，必將在 未來光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領域中發(fā)揮重要作用。