DFB光纤激光器国内外发展状况

我国国内光纤激光器目前己经得到一定程度的发展，国内的一些单位如上海光机所、清华大学、北京邮电大学、华中科技大学、中国科技大学、天津大学等从八十年代末进入光纤激光器的研究领域，经过努力获得了一定进展。国内开展光纤激光器和放大器方面的研究是从80 年代末和90 年代初开始的，首先在上海硅酸盐研究所、天津46 所、上海光机所、西安光机所、清华大学、北京邮电大学等国内多见科研单位开展了掺饵光纤的研制及光纤激光器的研究，并取得了阶段性的成果[l5] 。南开大学、上海光学精密机械研究所在双包层光纤布拉格(Bragg)光栅激光器方面取得了开创性成果[16],烽火通信科技股份有限公司与上海光

机所于2005 年合作，顺利研制出输出功率高达440W 的掺臆双包层光纤激光器[17]，随后中国兵器装备研究院报道了突破IKW 功率的光纤激光器，清华大学在多波长光纤激光器和锁模脉冲光纤激光器方面做了很多有进展性的工作[ 1 8-20] ，总体来说，由于国内光纤激光器的研究受到基础条件方面的制约，同国际的研究水平还有相当大的差距。国外有多个研究机构人员对DBR 和DFB 光纤激光器开展了全面的研究。其中G.A.Ball 所在的EastHartford 联合科技研究中心最先开展了将光栅直接写在掺杂光纤上形成腔结构，泵浦光源通过WDM 对

其进行泵浦而得到激光输出，从而实现所谓DBR 型光纤激光器[21-23] 。由于作为干涉光源以及传感等应用的背景，对单频操作DBR 的研究广泛的开展起来。利用短腔长高掺杂的DBR 、复合腔结构或DFB 结构等来实现稳定的单频操作一一被提出来。Sigurd 所在的澳大利亚的CRC 光子中心对DFB 光纤激光器进行了动态和多波长操作分析[24-25] ，同时探讨了利用DFB 光纤激光器对声响应的情况，并测试了DFB 光纤激光器对空气中声场的响应;Scott 所在的澳大利亚的国防科学科技组织从理论到实验研究了DFB 光纤激光器的空间模结构和

动态噪声[26-27] ，希望实现基于DFB 光纤激光器的水听器;英国的那安普顿大学的Kuthan 等人从理论上提出了改变DFB 光纤激光器对称结构从而实现提高输出效率降低泵浦域值目的[28] ，同时研究了混合掺杂的DFB 光纤激光器[29]，同样希望将其应用于传感领域。在20 世纪90 年代，世界范围的光纤传感技术呈现出产业化发展的趋势，主要形成了军事和民用两大应用领域，其中包括:国土安全防卫系统、工业安全检测系统以及用于石油化工、生物医学和环境等领域的光纤检测系统。在此同时光纤激光传感技术也开始形成，在1995 年，美国海军实验室的K.P.Koo 等人[30]首次将光纤激光器应用到光纤传感领域，这不仅推动了光纤传感技术的发展，而且标准着光纤激光传感技术的诞生。在此之后许多机构对光纤激光传感技术就开始了深入的研究，并且积极的拓展其应用的领域，如美国海军实验室(NRL) 、英国国防研究局(DERA) 、澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 和美国利通资源勘探仪器公司(Litto n)等。自从19%年起英国国防研究局(DERA)联合Ast on大学和Kent大学开展了光纤激光水听器的研究[31]，并于2005年报道了8 点光纤激光水听器波分复用技术[32];2006 年澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 报道的最大规模的单纤16点波分复用光纤激光传感器阵列[33];2007 年美国G.H.Ames 等报道了DFB 光纤激光加速度计[34];2008 年美国海军实验室G.A.Cranch 等报道了DFB 光纤激光磁力计[35] 可以应用于海底微弱磁场的探测。近年来国内光纤传感技术己经进入了工程应用的阶段，并且在光纤激光传感技术方面也取得了一些研究成果。

2011.3.1

DFB 光纤激光器作为本文研究的重点，下面对它的研究进展作一个简要介绍。1972 年美国贝尔实验

室的H.Kogelnik 和 C.V.Shank 两人采用电磁场的耦合波理论系统分析了分布反馈(DFB) 激光器的工作原理和特性，并在玻璃衬底上用染料胶制作光栅。在70 年代中期，H.A.HauS 指出，在分布反馈半导体激光器的内含光栅中引入非连续变化就能消除模式简并，而且能降低阂值。此后根据这一概念，在均匀光栅的中心引入四分之一波一长的相移，实现了激光器的单模工作。

1994 年，南安普敦大学的Kringlebotn 等人在3cm 的Er3+:Yb3+ 光纤上刻写了2cm 长的均匀光纤光栅，从而制得了第一个均匀分布反馈光纤激光器。1994 年Kringlebotn 在光纤分布反馈激光器的一端利用反射镜，或者在光纤光栅的中心采用加热的办法引入相移，得到在布拉格波长的单频输出，得到线宽为300kHZ ，输出功率为3mw 的单频输出，标志着光纤激光

器技术有了一个重要的突破，因为激光器的谐振腔只是由一段刻写有光栅的带有增益介质的光纤构成。1995 年，瑞士皇家技术学院的 A.Asseh 等人利用掺Yb3+ 光纤制作成10cm 的分布反馈激光器，该激光器在18mw 的抽运功率下得到了运行在1046.6nm 的7.5mW 的单纵模输出，他们先利用相位掩模板制作长度为10cm 的均匀光纤光栅，然后用紫外光对均匀光栅的一部分进行二次曝光得到永久的相移，这是一个技术上的主要的突破。同年，Sejka 制成2.5cm 长的掺Er3+ 光纤分布反馈激光器，引入相移后，激光器运行在单纵模下，阈值降低到

10mW。此外，W.H.Loh等也进行了类似的研究，他们制作了长为10cm，波长为1550nm的

单频相移DFB掺饵光纤激光器，线宽小于13kHz,输出功率达到1mW。

国内，上海光机所进行了这方面的研究，1999 年，瞿荣辉，丁浩报道了采用紫外辐照制备移相光纤光栅的实验结果，范薇，李学春等人对掺Yb3+的相移分布反馈光纤激光器进行了

理论分析，陈柏，陈嘉琳等人于2002年先用相位掩模法在掺Yb3+光纤上刻写光栅，然后采用二次曝光法进行紫外修整而研制出运行于1053nm 的单纵模光纤激光器得到了最大功率为32mw 的激光输出。2000 年北方交通大学的张劲松等也研制了10cm 长的相移分布反馈光纤激光器。

自1960 年第一台激光器问世至今，短短的半个世纪，激光器件和激光技术正以迅猛之势飞速发展着。激光器按其工作物质分类，可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器、自由电子激光器、准分子激光器和化学激光器等[1] 。其中，半导体激光器以其轻质量、高效率、可直接调制和集成能力强等优点，在各种类型的激光器中逐渐崭露头角。半导体激光器理论的提出最早可以追溯到1953年9月。美国的科学家冯?纽曼提出，向

PN 结注入少量载流子可以使半导体激光器受激发射[2]。1970 年，双异质结半导体激光器

(DH-LD) 在Bell 实验室研制成功。这使半导体激光器彻底告别了液氨温度，可以在室温下进行连续工作，这对半导体激光器的发展有着跨时代的重要意义。至此以后，半导体激光器进入了突飞猛进的发展时期[3] 。目前，它的品种已达到300 多种，被广泛应用于光电子学、光通信、印刷业、医学和军事等领域。半导体激光器的研究和应用已成为国际上最活跃的研究领域之一。分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)激光器作为半导体激光器的一种，也一直是科学家们研究的热点问题。DFB 激光器具有带宽窄、波长可调谐、频率稳定性好等突出优点，这是其它普通光源所无法比拟的。光通信技术的飞速发展，一方面，不断促进着DFB 激光器的快速进步；另一方面，也对DFB 激光器的性能提出了更高的要求。DFB 激光器作为光纤光栅信号窄带光源解调技术中的重要器件，提高输出功率、保持波长稳定性、增加波长可调谐范围、使光谱线宽变窄等一系列问题，都是DFB 激光器研究领域中需要继续探索和不断提高、进步的方面。多年来，我们课题组一直致力于光纤光栅信号解调技术的研究和应用，对光纤光栅信号的多种解调方法进行了实验、探索和创新。我们采用的主要解调方法有：粗波分复用器(CWDM)解调法[4]、自发辐射光源(ASE)解调法[5]、可调谐法布里—珀罗(Fabry-Perot，F-P)滤波器解调法[6]、分布反馈式激光器解调法。通过理论分析和实验研究相结合，我们积累了大量的宝贵经验。目前，基于DFB 激光器的光纤光栅信号解调技术是我们课题组的重点研究内容。

半导体激光器，也称半导体激光二极管(Laser Diode，LD) ，工作物质是半导体材料。由于它的良好性能和在光通信等领域的广泛应用，国内外的研究人员十分看好它的发展前景，对它的研究一直很活跃。可是在高速调制状态下，普通的半导体激光器会出现光谱展宽的情况，这就会导致信息传输速率受到影响。为了解决这个问题，研究人员研制出了DFB 激光器[7,8,9] 。DFB 激光器是通过内置光纤布拉格光栅来构成谐振腔，利用光栅的分布反馈来实现纵模选择。DFB 激光器与普通半导体激光器相比，具有单纵模、低损耗、窄线宽、高稳定性等优点，被广泛应用在长距离光通信领域[10]。DFB 激光器的概念产生于1970 年前

后。研究人员在染料激光器的研究过程中发现，谐振腔可以通过内置光栅的分布反馈来实现。

1971 年，美国贝尔实验室的C.V.Shank 和H.Kogelnik 在DFB 结构实验中首次看到激射现象[11]。次年，他们对DFB 激光器的工作原理和特性进行了理论分析。提出了DFB 激光器中存在折射率耦合和增益耦合两种反馈方式，而且DFB 激光器的谐振腔可以选择模式[12] 。1973 年，通过光泵砷化镓周期栅表面，中村制作了第一个分布反馈式激光器。1974 年，Scifres 制作了以GaAlAs/GaAs 为材料的单异质结电流注入型分布反馈式激光器。1975年，中村和凯西实现了室温下DFB 激光器的连续受激发射。70 年代中期，Shank 和Haus 在DFB 激光器的内置光栅中引入非连续变化，这样可以消除模式简并、降低阈值电流。这一理论具体到实践中就是给光栅的中心引入四分之一波长的相移[13,14] 。1977 年，Streifer.W 对DFB 激光器的理论进行了系统的阐述，并推导出了谐振波长和阈值的表达式。1979 年，研究人员开始将InGaAsP/InP 材料用于DFB 激光器的制作中。同年就做出了能在低温环境下工作的DFB 激光器。1981 年，第一支能在室温下连续工作的1550nm 单模稳定DFB 激光器问世。从此，可调谐半导体激光器受到了研究人员的广泛关注[15]。1988 年，我国的罗毅博士和日本的多田邦雄教授采用MOCVD 技术，实现了增益耦合DFB 激光器[16] 。21 世纪，

已经进入了40Gbit/s 的高速光通信时代，对信息的传送速度、储存容量和精确度等方面都提出了更高的要求。国外已研制出了调谐范围超过80nm 的可调谐半导体激光器。目前，各国研究人员都在努力地研制性能更优良的DFB 激光器，它将有着更加广阔的发展前景[17] 。