掺铒光纤激光器(EDFL)的原理与应用简介

掺铒光纤激光器（ＥＤＦＬ）的原理与应用简介　

光信０３０４班　杨鹤猛 指导教师　王英　

摘要：　本文从增益介质，谐振腔结构和泵浦源三个构成激光器的必要条件出发，重点介绍了掺铒光纤激光器—ＥＤＦＬ的原理，接着简要介绍了光纤激光器的特点及分类，最后结合掺铒光纤激光器的特点阐明其应用并做了总结。　

关键字：光通信　光纤激光器　掺铒光纤激光器　环形腔　

１．引言　

掺铒光纤激光器简称ＥＤＦＬ（Ｅｒｂｉｕｍ　Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ｌａｓｅｒ），光纤激光器的一种，是在掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）技术基础上发展起来的。早在１９６１年，美国光学公司的Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。而８０年代英国Ｓｏｕｔｈｈａｍｐｔｏｎ大学的Ｓ．Ｂ．Ｐｏｏｌｅ等用ＭＣＶＤ法制成了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。近期，随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中，以光纤作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一。　

　ＥＤＦＬ利用光纤成栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于谐振腔，用９８０ｎｍ或１４８０ｎｍ泵浦激光激发，铒离子就会产生增益放大。由于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频激光，再经过光隔离器即能输出线宽窄、功率高和噪声低的激光。　

２．ＥＤＦＬ的工作原理　

（１）　ＥＤＦＬ的增益介质—ＥＤＦ　

ＥＤＦ作为ＥＤＦＬ的增益介质，其基本原理是在光纤的纤芯中能产生激光的稀有元素（如铒、钕、镨等），通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。利用掺铒光纤的非线性效应，把泵浦光输入到掺铒光纤中，使光线中的铒原子的电子能级升高。当高能级向低能级跃迁时，向外辐射出光子。当有光信号输入时，辐射光　的相位和波长会自发与信号光传输一致。这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放大。信号光在掺

铒光纤的输出过程中可不断被放大。用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源还可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。　

（２）　ＥＤＦＬ的谐振腔　

Ｆ—Ｐ腔，采用端面泵浦，使作为增益介质的掺铒光纤对泵浦光和激射光都能以单横模传播。其中要求腔镜１对泵浦光全透，对激射光全反；腔镜２对泵浦光全反，对激射光部分透。这样才能得到有用的稳定的激光输出。但实际上腔镜２很难同时满足对激光与泵浦光的透射与反射要求，因而必然有少量泵浦光从腔镜２输出。如图２。　

Ｆ—Ｐ腔虽然结构简单，但光纤端面与镜面存在间隙，安装成斜角，端面与纤轴不垂直，这些将导致输出激光不理想。同时用大数值孔径透镜来耦合泵浦光时，要求镀膜基体很薄，以得到最大泵浦效率，在高泵浦功率下，面镜介质膜容易损坏。因此，Ｆ—Ｐ结构难以得到实际应用。　

1 铒离子（Ｅｒ３＋）能级结构

4I 11/24I 13/24I 15/2９８０ｎｍ泵浦　

基态

高能态

亚稳态 泵浦光 掺铒光纤 腔镜１　腔镜２　

输出激光

２　

ＥＤＦＬ结构示意图　

根据实际需求，有多种不同谐振腔结构的ＥＤＦＬ，如采用光纤光栅的Ｆ—Ｐ腔，如图３示。　

如环形腔ＥＤＦＬ，进一步降低了损耗，提高了耦合效率。图４即为一种窄带滤波器型环形腔。

（３）　ＥＤＦＬ的泵浦源　

掺铒光纤激光器主要的泵浦波长有８００ｎｍ，９８０ｎｍ和１４８０ｎｍ三个，常用的为９８０ｎｍ。铒离子在８００ｎｍ附近具有吸收峰，这意味着可用功率较高而价格又相对便宜的ＡｌＧａＡｓ激光二极管进行泵浦。但在大多数情况下，用这个带进行泵浦的光纤器件性能都较差。因为这个带的基态吸收较弱，而且还与较强的激发态吸收带相重合。这两个吸收过程决定了利用这个带进行泵浦的放大器和激光器性能。而铒离子在９８０ｎｍ泵浦波长上不存在受激发射和激发态吸收，因此具有很高的能量转换效率。利用１４８０ｎｍ波长进行泵浦所获得的结果非常好，而且已有高功率的１４００ｎｍ激光二极管产品。尽管此时激光工作物质为两能级系统，但由于吸收和发射谱之间的位移使谐振泵浦产生了增益，它是斯塔克能级被非均匀占据的结果。　

EDF

pump laser

4 窄带滤波器型环形腔掺铒光纤激光器结构图

filter

3 光纤光栅Ｆ－－Ｐ腔

３．光纤激光器的特点及分类　

光纤激光器的历史几乎和激光器一样长。从１９６３年发明光纤激光器到二十世纪八十年代末第一批商用光纤激光器出现在市场上，经历了二十年的发展历程。这些激光器使用单模二极管泵浦，发射出几十毫瓦的激光，它们的高增益以及针对多种稀有离子跃迁发射单模连续波激光的能力得到了使用者的青睐。因为这是最常用的晶体激光器所无法做到的。　

与其它激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高波长，可调谐性好，散热效果好等特性，易于实现光纤集成和降低与光纤线路的耦合。　

我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。根据用途分类，有掺铒／镱光纤激光器，光纤喇曼激光器，光纤光栅分布反馈式（ＤＦＢ）激光器，全光纤激光器，多波长光纤激光器，高功率光纤激光器，窄线宽光纤激光器，短脉冲光纤激光器等。如多波长光纤激光器用于ＤＷＤＭ系统，高功率光纤激光器可用于激光武器，激光印刷和打标，全光网通讯等，窄线宽光纤激光器可用于光纤传感，激光指示和测距等，短脉冲光纤激光器可用于光学测量。　

４．ＥＤＦＬ的应用　

光纤激光器中最为大家所熟知的掺铒光纤激光器ＥＤＦＬ，因其特殊的波长以及对人眼安全等独有特点，在自由空间光通信、激光雷达、环境检测、工件校准以及工业加工领域有着广泛的实际应用。　

ＥＤＦＬ出射时光波长落在１５５０ｎｍ窗口，由掺饵光纤和光泵以及其他相关光路元件，如波长选择器，　偏振控制器，输入／输出耦合器等组成光板，具有低阈值，及与光纤通信系统兼容等　优点。因此，ＥＤＦＬ非常适用于大容量长距离光纤通信系统，而可调谐ＥＤＦＬ非常适用于ＤＷＤＭ系统。如，ＩＰＧ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ公司已经在德国推出了世界上第一台８０Ｗ波长可调的掺铒光纤激光器，并正式投入商业应用。该激光器可在人眼安全窗口实现１５５０－１５６７ｎｍ调谐。 掺铒光纤激光器（单模／多模）人眼安全波长，超高脉冲能量，超高光束质量，还可广泛用于：激光雷达／测距，远距离光传感，环境测试和监控。目前，掺铒光纤激光器方面有很多新的尝试，如用于光通信和光传感的纵模掺铒光纤激光器，在光纤环形镜中嵌入未抽运的掺铒光纤作为可饱和吸收体以抑制多纵模，用光纤环谐振腔作为滤波器抑制拍频噪声，用光纤光栅作为波长选择器件，最终得到了单纵模输出并消除了拍频噪声。又如采用纳米粒子直接掺杂的双包层大模场直径的掺铒光纤，该光纤具有极高的铒离子掺杂浓度，保证光纤的高