多波长掺铒光纤激光器
多波长的光纤激光器
多波长的光纤激光器
多波长的光纤激光器是一种可同时输出多种波长的激光器。
这种激光器通常使用多模波导（MMF）或单模波导（SMF）来实现波长转换。
其中一种常见的实现方式是使用电光调制器来控制激光输出的波长。
通过调节电光调制器的输入信号，可以改变光纤中的折射率，并通过电光调制器的交互作用实现波长切换。
另一种实现方式是使用光子晶体光纤（PCF）。
PCF是一个具有调谐孔径的光导纤维，可以通过调节此孔径的大小，控制输出波长的位置和波长范围。
多波长的光纤激光器被广泛应用于生物医学、通信、传感和工业加工等领域。
可调谐多波长掺铒光纤激光器
（ ． 中科技 大学 下一代 互联 网接 入 系统 国家工程 实验 室， １华 湖北 武 汉 ４ ０ ７ ； ３ ０ ４ ２ 武 汉光 电 国家 实验 室（ ， ． 筹） 湖北 武 汉 ４ ０ ７ ； ３ ０ ４
３ ．南洋理 工大 学 网络技 术研 究 中心 ， 新加 坡 ６ ７ ５ ） ３ ５３ 摘 要 ：近年 来 ， 多波 长光 纤激 光 器作 为密 集波分 复 用 系统 中的重要 光 源而被 广泛研 究 。 多信道 取 对 样 光 纤光栅（ Ｆ Ｇ） 行 了详 细的理 论分 析 ， Ｍ—Ｂ 进 并在 此基础 上 实现 了一 种 可调 谐 多波 长光 纤激 光 器。 该 激光 器采 用环 形腔 结 构 ， 以掺铒 光 纤作 为增 益介 质 ， 用 Ｍ．Ｂ 的 多波长 选择特 性在 室温 下 实现 了 利 ＦＧ 功率 平坦 度 小 于 １ Ｂ、 Ｂ线 宽 小 于 ０１ ｌ、 模 抑制 比大 于 ５ Ｂ， ０５ ３ ｄ ｄ ．ｎ 边 ｎ ０ ｄ 且 ． ｈ内功 率 波动 小 于 ０５ Ｂ ．ｄ 的稳 定 多波长输 出。同时 ， 通过 对 Ｍ．Ｂ Ｆ Ｇ施 加 变化应 力 ， 实现 了输 出波 长在 一 定 范围 内连 续可调 谐 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
３ Ｎｅ ｒ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｒｅｅ ｒｈ Ｃ ｎｒ ，Ｎ ｎ ａ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌＵｎｖ ｒｉ ，Ｓｎ ａ ｏ ｅ ６ ７ ５ ） ． ｔ ｋ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｓ ａｃ ｅ ｔ ｗｏ ｅ ａ ｙ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｉｅｓ ｙ ｉｇ ｐ ｒ ３ ５ ３ ｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｍ ｕ ｔ． ｖ ｌｎ ｔ ｆｂ ｒ ａ ｅ ｗｈｃ ｃ ｕ ｄ ｅ ｓｒ ｃ ： ｌ ｗａ ｅｅ ｇ ｈ ｉ ｅ ｌｓ ｒ ｉ ｉｈ ｏ ｌ ｂ ｕｓｄ ｓ ｈｅ ｉｈ ｓ ｕ ｃ ｉ ｄ ｎ ｅ ｅ ａ ｔ ｌ ｔ ｏ ｒ ｅ ｎ ｅ ｓ ｗａ ｅｅ ｇ ｇ ｖ ｌｎ ｔ ｈ
掺铒光纤激光器的设计
掺铒光纤激光器的设计
首先，掺铒光纤激光器的基本原理是通过泵浦光源将能量传输给铒元素，激发铒元素的上能级，然后通过自发辐射和受激辐射实现光放大。
因此，选择合适的泵浦光源是设计的首要考虑因素。
泵浦光源的选择应满足以下要求：1.波长要和铒元素的吸收带宽相匹配；2.具有足够的功率和能量密度以激发铒元素的上能级；3.具有较高的光电转换效率。
常用的泵浦光源包括二极管激光器、固体激光器和光纤激光器等。
接下来，需要设计合适的光纤结构以实现高效的光放大。
一种常用的设计方法是使用双包层结构的光纤。
内包层的折射率通常较低，以实现高掺杂浓度，同时外包层的折射率通常较高，以实现光的波导传输和光纤的保护。
另外，还需要选择合适的铒离子浓度和光纤长度。
高铒离子浓度可以提高光放大效果，但过高的浓度会增加不均匀性和光纤损耗；光纤长度的选择应根据具体应用需求和泵浦光源的光功率进行优化。
除了基本结构的设计，还可以通过增加光栅、光耦合器等辅助元件来改善激光器的性能。
光栅可以实现单纵模输出，提高激光器的光谱纯度和输出功率；光耦合器可以实现光纤和光纤之间的耦合，提高输出功率和光束质量。
最后，还需要进行光纤激光器的光学设计和热力学分析。
光学设计可以优化光纤的折射率分布，实现最大的光放大效果；热力学分析可以评估光纤激光器的散热性能，以避免过高的温度对激光器性能的影响。
综上所述，掺铒光纤激光器的设计需要综合考虑泵浦光源、光纤结构、铒离子浓度、光纤长度等因素。
通过合理的设计和优化，可以实现高效的
光放大和优质的激光输出。
基于无源腔多波长单模布里渊光纤激光器
基于无源腔多波长单模布里渊光纤激光器肖平平;邓满兰;胡红武【摘要】In order to obtain a multiwavelength and single longitudinal mode Brillouin fiber laser , an erbium-doped fiber amplifier was placed outside of an about 10m passive optical cavity .Each order Brillouin laser was fed back to the erbium-doped fiber amplifier to amplify again through the coupler .And then, it was used as pumping laser for the next order Brillouin laser to produce multi-order laser Brillouin laser .After theoretical analysis and experimental verification , the result shows that more than seven orders of Stokes signals are observed in the multi-wavelengthsingle-mode fiber Brillouin laser under the condition of current output power of the erbium-doped fiber amplifier .The study will have very wide range of applications in optical generations of microwave , dense wavelength division multiplexing , optical inertial rotation sensor , ultra high precision spectral analysis and so on .%为了实现一种单模多波长布里渊光纤激光器，采用了将掺铒光纤放大器放置于1个10m左右的无源光纤振荡腔外，各阶布里渊激光通过耦合器可反馈回送到掺铒光纤放大器中再次放大，作为下一阶布里渊激光的抽运光来产生多阶布里渊激光的方法，并进行了理论分析和实验验证。
多倍布里渊频移间隔的多波长掺饵光纤激光器
多倍布里渊频移间隔的多波长掺饵光纤激光器随着信息容量需求的日益增长,高速大容量长距离传输将成为下一代全光通信网络的发展趋势。
为了有效的利用光纤中有限的频率资源,频率间隔为10GHz、20GHz甚至30GHz将是未来密集波分复用技术的重要发展方向。
将光纤中受激布里渊散射的非线性增益与掺饵光纤的线性增益相结合起来,是一种能够产生较大数量多波长的有效途径。
多波长光纤激光器在很多领域有巨大的应用前景,包括密集波分复用光纤通信系统、微波信号的产生、光学仪器测试、光纤传感和光谱测量等。
本文主要研究内容如下:首先,实验研究了波长间隔为双倍和三倍布里渊频移的多波长布里渊掺铒光纤激光器,通过改变布里渊泵浦波长实现了多波长激光的调谐。
实验得到了波长间隔为双倍布里渊频移即0.17 nm的8个布里渊多波长激光产生,输出波长在110 nm范围(1528 nm~1638 nm)内可调谐;还得到了波长间隔为三倍布里渊频移即0.26 nm的5个布里渊多波长激光产生,输出波长在60 nm(1535 nm~1595nm)内可调谐。
实验还发现当布里渊泵浦激光波长在激光器自激发振荡波长范围内时,能产生的布里渊波长数达到最大值。
其次,提出和研究了一种可调谐半开腔多波长布里渊随机光纤激光器。
激光器一端利用3dB耦合器构成全反端,另一段利用单模光纤中随机分布的瑞利散射作为反射,组成一个半开腔,当摻铒光纤放大器泵浦功率足够高,可在长单模光纤中产生级联受激布里渊散射,实现多波长输出,实验最多获得了7个斯托克斯信号光波长输出。
改变布里渊泵浦光波长,随机激光在
50nm(1515nm~1565nm)范围内实现了可调谐。
掺铒光纤放大器的工作原理
掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器是一种将输入信号进行放大的设备，它用掺有少量的铒离子的光纤作为放大介质，在光纤中的铒离子受到激光光子的激发后，会产生放大的荧光信号，在光纤中传播并放大输入信号。
掺铒光纤放大器具有增益大、噪声小、稳定性好等特点，是光通信和光传感领域中广泛使用的重要设备。
掺铒光纤放大器的工作原理主要涉及到掺铒光纤中的铒离子、基于激光器的光源和光纤耦合器等方面。
下面将从这些方面详细介绍掺铒光纤放大器的工作原理。
一、掺铒光纤中的铒离子掺铒光纤的制备过程中，在非常纯净的二氧化硅（SiO2）玻璃内加入了少量的铒离子（Er3+），通常铒离子的摩尔分数在0.1%至1.0%之间。
这些铒离子会在光纤中形成能级结构，以便通过激光器来激发它们。
当铒离子受到一个在适当波长范围内的激励光子时（通常在980至1480纳米之间），它们会吸收这些光子并将它们的原子能级提升到一个更高的激发态能级。
接着，铒离子会从高激发态能级中产生自发辐射荧光，并向下跃迁到一个较低的能级。
这种过程中所产生的荧光光子的波长通常在1500纳米左右，这种波长范围也称为雪崩区域。
二、基于激光器的光源掺铒光纤放大器需要用到激光器作为输入信号的光源，激光器通常是基于半导体技术的光源。
通常情况下，用于掺铒光纤放大器的激光器被称为泵浦光源，这是因为它们的主要作用是激励光纤中的铒离子产生放大荧光信号。
泵浦光源通常采用激光二极管（LD）或光纤激光器（FP）、DFB（调制反馈）激光器等器件，可选择的泵浦光源范围很广，包括735、980、1480等纳米波段。
三、光纤耦合器光纤耦合器是将光源的输出光束耦合到放大器光纤中的设备，它可以使光源的输出尽可能有效地耦合到光纤中，并且降低光纤的损耗。
在掺铒光纤放大器中，光纤耦合器将泵浦光源的输出光束耦合到掺铒光纤中，并激发铒离子进行光放大。
光纤耦合器一般有径向耦合器、光栅耦合器、双光纤耦合器和光纤连接器等类型。
径向耦合器将输入和输出光纤正对光学轴，通过一定的设备使局部光场光强变化，从而实现光束的耦合；光栅耦合器利用光栅的衍射效应，使光束在光栅衍射角处尽可能高的衍射效应，使输出光束尽量向光纤的中心传输，从而实现光束的耦合；双光纤耦合器则是利用两个光纤直接接触的方式来实现耦合。
HMB 多波长复合光纤激光器用户手册说明书
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1公司简介深圳市创鑫激光股份有限公司成立于2004年，是国内首批成立的光纤激光器制造商之一，也是国内首批实现在光纤激光器、光学器件两类核心技术上拥有自主知识产权并进行垂直整合的国家高新技术企业之一。
公司现已发展成为国际知名的光纤激光器及核心光学器件研发、生产和销售为一体的激光器厂商，是国内市场销售额排名第二的国产光纤激光器制造商。
5.掺铒光纤激光器的工作原理(2)
5.掺铒光纤激光器的工作原理(2)收稿日期：2014-4-29；收到修改稿日期：2014-5-15基金项目：无作者简介：郭冰清（1993-），女，本科生，光电子技术科学2011级。
E-mail:tjuguobingqing@ 导师简介：胡明列（1978-），男，博士后，教授，目前研究方向为超短脉冲激光技术和光子晶体光纤2掺铒光纤激光器的工作原理郭冰清刘昭韩达明张红伟（天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072）摘要光纤激光器由于其特有的优点，近些年受到广泛关注和研究，而掺铒光纤激光器（EDFL）则是几种比较成熟的光纤激光器之一。
本文主要介绍了掺铒光纤激光器的工作原理，包括掺铒光纤激光器铒离子能级结构、泵浦机制和增益谱线，以及五种常见的谐振腔型，并对可调谐掺铒光纤激光器和多波长掺铒光纤激光器的工作原理进行了简单介绍。
之后简述掺铒光纤激光器的特点，比较了掺铒光纤激光器与其他激光器的优势所在，并在此基础上详述了掺铒光纤激光器在光纤通信及光纤传感方面的应用及问题。
最后对掺铒光纤激光器的发展进行了展望。
关键词激光器；工作原理和应用；掺铒光纤激光器；谐振腔中图分类号TN248文献标识码 AThe Working Principle of Doped Fiber LaserGUO Bing-qing, LIU Zhao, HAN Da-ming, ZHANG Hong-wei(College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University,Tianjin, 300072,China)Abstract In recent years, the optic fiber lasers are paid much attention and researched, due to its special advantages. And erbium-doped fiber laser is one of the several mature fiber lasers. This paper mainly introduces the working principle of erbium-doped fiber laser, including energy level structure of erbium ion, pumping mechanism, resonant cavity, gain spectrum, and five common resonant cavity. The principle of tunable erbium-doped fiber laser and multi wavelength erbium-doped fiber laser are introduced. After that, the paper introduces the characteristic of erbium-doped fiber laser, and the advantagescomparing with other laser. And on this basis, its application in fiber communication and fiber sensing is elaborated. Finally, the prospects for the future of erbium-doped fiber laser are presented.Key words lasers; working principle and application; erbium-doped fiber lasers; resonatorOCIS codes 140.3500; 140.3510; 140.34301引言掺稀土元素光纤激光器是利用在光纤中掺杂稀土元素引起的增益机制，通过引入反馈，实现激光振荡的。
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如图为短脉冲高功率1.5微米光纤激光器
平均功率能达到1W，可调节的脉冲宽度达到ns
可调节的重复频率达到MHz
可以应用于激光雷达/雷达、遥感、测距
什么是光纤激光器
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
光纤激光器的特点
光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点；
由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高；
与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产；与半导体激光器相比：单色性好，调制时产生的啁啾和畸变小，与光纤耦合损耗小。
光纤激光器的分类
按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔等。
按激光输出波长数目分类为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。
按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器
按光纤材料分为晶体光纤激光器、非线性光学型光纤激光器、稀土类（如铒）掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器等
随着高容量光纤通信网的发展，波分复用技术得以广泛的采用，它要求多波长光源
具有波长间隔小、线宽窄、功率谱平坦等特点。
因此满足波分复用技术要求的多波长光
纤激光器成为研究的重点
多波长光纤激光器基本结构
1、增益介质
就增益介质而言，多波长光纤激光器通常采用光纤放大器(如掺稀土光纤放大器和拉曼光纤放大器作为增益介质，这将使得其具有结构紧凑、灵活方便等优点。
值得注意的是，多个波长同时共用同一增益介质将导致较强的模式竞争，要获得多波长同时稳定振荡，这是首先必须考虑的问题。
然而，大多掺稀土光纤放大器为均匀展宽的增益介质，对实现稳定的多波长运转是非常不利的，必须采用一些辅助手段来抑制或削弱它们的均匀展宽特性。
（EDFA）多波长掺铒光纤激光器常采用液氮制冷光纤至77k、声光频移位调制和非线性光学效应等辅助技术来抑制掺饵光纤的均匀展宽。
2、谐振腔
在多波长光纤激光器中，谐振腔起到至关重要的作用—完成多波长选模。
在大多实际情况下，多波长激光器要求相等波长间隔(ITU叮标准通信间隔200GHz、100GHz、50GHz 和25GHz)激射。
为实现这一目的，通常需要借助梳状滤波器才能满足要求
目前，常用于多波长激光器的梳状滤波器有如下几种:法布里一拍罗标准具，马赫一泽德干涉仪，特殊的光纤光栅及保偏光纤sagnac环滤波器。
3、泵浦源
泵浦激光器使用光源的主要目的是将电能有效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量。
最有效的激光泵浦灯将使激光材料在激发荧光的波长上产生最大的发射，而在有效吸收带之外的所有光谱范围内产生最小的发射。
所以一旦选定了激光增益介质，其泵浦源一般也基本确定。
如果选用掺饵光纤作为增益介质，泵浦源一般选用980nln或1480nm的激光源
如果选用半导体光放大器作为增益介质，大多采用电泵浦方式完成
如果选用拉曼光纤放大器作为增益介质，根据所采用拉曼光纤的拉曼频移量大小及目标激射波长，其拉曼泵浦波长也是基本确定的。
（1）掺饵光纤激光器（EDFL）的激射原理
由于掺饵光纤激光器的激射波段正好位于常用的1550nm通信波段，具有较低的闭值和较高的增益，使其成为了光纤通信系统的重要光源而得到广泛
的应用。
一般情况下，光纤激光器按照掺杂离子能级结构不同可可
分为三能级系统和四能级系统
掺饵光纤激光器的能级系统可视为三能级系统，掺饵光纤
（EDF）经过980nm或1480nm的泵浦激光器泵浦之后可
以激射出中心波段为1550nm左右的激光。
如图3.1所示，三能级系统的三个能级分别为基态能级E1，
亚稳态能级E2，高能级E3。
三能级的运转方式如下，首
先粒子被泵浦从基态能级E1抽运到高能级E3，之后粒
子通过无辐射跃迁的方式从高能级E3快速的转移到亚稳
态能级E2上。
由于粒子在
亚稳态能级E2上的寿命较长，因
此粒子将会在能级E2上大量的积
累，也就导致了
亚稳态能级E2和高能级E3之间的
粒子数反转。
最后粒子会以受激辐
射的形式跃迁
到基态E1并产生光子，然后经过
谐振腔振荡从而产生激光最后输
出。
（2）环形腔掺饵光纤激光器的结
构设计
环形腔是光纤激光器中常用的一种
谐振腔。
由于环形腔可以有效的避
免空间
烧孔效应，所以在激光器的设计中经常被用到。
如图给出了一个简单的环形腔
光纤激光器的示意图。
WDM耦合器将泵浦光藕合进入环形腔，掺饵光纤作为增益介质提供增益，隔离器保证激光的单向运转，偏振控制器用来调节腔内的偏振
态。
（3）均匀展宽与非均匀展宽
相比单波长的掺饵光纤激光器，多波长掺饵光纤激光器的发展相对缓慢，主要是因为掺饵光纤的均匀展宽导致了不能实现多波长的激射。
一般来说光谱展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽两种。
非均匀展宽：在非均匀展宽的情况下，由于不同运动速度的粒子对谱线展宽范围内的各个频率的贡献均不相同，只有特定的粒子才能在某个频率处受激辐射，其它的粒子不会与之相互作用。
与均匀展宽相比，非均匀展宽的最大区别就是各个粒子在受激辐射时只对
特定的频率有贡献，表现为相对的
独立性。
均匀展宽：由于原子自发
辐射产生的谱线并不是单一频率
的，而是会占据一定的频谱宽度，
如果这种频谱展宽是由于受激态的
有限寿命引起的，则称之为均匀展
宽。
均匀展宽是由增益介质中的各粒子对于某一确定的能级跃迁具有相同的光谱线展宽造成
的。
均匀展宽的最大特点就是各个粒
子在每个频率强度上都有相同的贡
献，而且这些贡献的几率分布也是相
同的。
（4）多波长激光稳定输出条件
假设在激光腔内同时有两个频率
分别为vl和叭的参在本征模式形成振荡，则增益饱和
时两个频率的光的增益系数分别为:
由增益系数公式我们可以得到双波长激光腔内的速率方程为:
其中a1和a2分别为两波长的腔内损耗，根据常微分方程组的特性我们可以知道，以上方程组要有稳定解，即是激光腔内两个模式能够稳定振荡必须足以下条件:
又称为弱光束藕合条件，即当激光腔内的交义增益饱和小于自增益饱和时，激光腔内才有可能形成稳定的双波长振荡。
交叉增益饱和系数反映了一个模式的光在激活介质中消耗的反转粒子数对另一个模式的光的增益的影响。
自增益饱和系数即为该模式对自身增益的影响
（5）抑制多波长掺饵光纤激光器的模式竞争
要获得稳定的激光谐振，必须使增益交叉饱和小于自我饱和。
而在均匀展宽的增益介质中，增益交叉饱和与自我饱和相等，导致了模式竞争。
因此，获得稳定的多波长激光振荡的条件是产生弱光耦合。
许多简洁且适用的技术已被陆续地提出用来抑制多波长掺饵光纤激光器的模式竞争，常见的有:1)通过特殊设计掺饵光纤(如双芯掺饵光纤、多模掺饵光纤)并利用它们的空间烧孔效
应来削弱其非均匀展宽;2)通过在激光腔内引入一些非线性光学效应(如四波混频、非线性偏振旋转、布里渊散射、非线性腔损耗等)来抑制掺饵光纤的均匀展宽。
（6）多波长掺铒光纤激光器发展趋势
从以上所讨论的各种技术的多波长 E D F L可以看出，对多波长 E D F L 的研究旨在减少或消除因 E D F的均匀展宽而造成的模式竞争和输出不稳定。
目前已经报道的多波长EDFL都具有较窄的增益频谱，因此限制了更多波长的激光振荡。
密集波分复用(DWDM)技术的成熟对多波长激光器的性能也提出了更高的要求。
另外，由于增益介质和激光腔的设计仍是制作高性能、低成本多波长光纤激光器的关键，如何改善目前多波长 E D F L中 E D F过长而产生的对环境敏感等因素和使得输出波长更加稳定且易于调节，是以后多波长 E D F L 研究发展的趋势
模式竞争
如果有多个模式的谐振频率落在均匀加宽工作物质的增益曲线振荡线宽范围内,由于各模式尽管频率不同，但使用的都是相同的反转粒子数密度，因此它们之间的竞争是很激烈的。
波分复用技术
波分复用（WDM）是指在同一根光纤中同时传送几个不同波长的光信号，进行光波长
划分复用通信,也叫光频分制。