光纤激光器及其在通信中的应用

2003年第9期光通信　　　　　　　　　　　光机电信息　　　　　　　　　

光纤激光器及其在通信中的应用

张军1,2,潘玉寨1,3,胡贵军1,3,张亮1,3,王立军1

(1.中国科学院激发态物理开放实验室,吉林长春　130022;2.吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春　130026;

3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春　130022)

摘要:光纤激光器作为第三代激光器的代表,在光纤通信中发挥着非常重要的作用了光纤激光器的工作机理及优势,

方向。

　　早在20世纪60年代,掺稀土元素光纤激光器伴随着激光技术的研究得以发展,但受早期光纤损耗太大的限制,光纤激光器的研究进展相对缓慢。直至80年代光纤通信才得以迅猛发展,特别是英国南安普敦大学用金属化学汽相沉积(MCVD)法制成低损耗的掺铒光纤,而掺铒光纤

2　光纤激光器的工作原理

　　一般的光纤激光器大多是在光纤放大器的基础上发展起来的。它用掺稀土元素的光纤,加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器(如图1所示)。掺稀土元素的光纤充当光纤激光器的

增益介质。在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯,由于外泵浦光的作用,在光纤内很容易形成高功率密度,从而引起激光工作物质能级的粒子数反转,当适当加入反馈机制,很容易从纤芯输出激光。但是,早期的光纤激光器是将泵浦光直接μm的单模光纤纤芯,其耦耦合进入直径小于10

合效率低,导致光纤激光器的输出功率较低,一般输出毫瓦量级。对于大多数应用领域,更需要瓦级的光功率输出。双包层光纤的发明解决了这一难题。

双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层组成(如图2所示)。纤芯是掺稀土元素的单模光

激光器激射波长恰好位于光通信的低损耗窗口,随着掺铒光纤放大器(EDFA)在光通信中地位的不断提高,才使光纤激光器再次受到世界各国的普遍关注,从而得到迅速发展且在通信领域发挥

着越来越重要的作用。

为了满足增大通信容量的需求,目前人们主要采用时分复用技术(TDM)来增加单信道码率,采用波分复用技术(WDM)来增加原有光纤系统的通信信道。其中,以掺杂光纤为基质的光纤激光器不仅能够产生连续激光输出,而且能够实现皮秒(ps)甚至飞秒(fs)超短光脉冲的产生。光纤激光器在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性等方面已取得了长足进步,是目前光通信领域中的新兴技术。它可以利用现有的通信系统支持更高的传输速率和带宽,是未来高码率密集波分复用系统和相干光通信的基础,并在未来通信领域中起着不可替代的作用。

图1　光纤激光器的基本结构示意图

OpticalCommunication　　　　　　　OMEInformation　　　　　　　No.9,Sept.2003

μm范围内实现激光输出,波稀土离子在0.38～4

长选择容易且可调谐,这对DWDM系统具有非常重要的意义;

(6)光纤输出与现有通信光纤很匹配,易于耦

合且效率高,可形成传输光纤与有源光纤一体化,

图2　双包层光纤截面图

是实现全光通信的基础。

按增益介质分,光纤激光器主要有四类:稀土类掺杂光纤激光器(稀土离子如Er3+、Yb3+、Nd3+等15种元素);非线性效应光纤激光器(如

波导,内包层是横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率比纤芯小的多模光波导,外包层是折射率比内包层小的聚合物,最外层是由硬塑料等材料构成的保护层。双包层光纤与普通光纤的区别在内包层中传播,,合效率和入纤泵浦功率,耦合效率可达90%以上。双包层光纤的研制为瓦级甚至更高功率单模光纤激光器的实现奠定了坚实的基础。20世纪90年代后期,随着半导体激光器及其掺杂光纤制

光纤受激喇曼散射激光器、);3);塑料光纤激光)。下面具体介绍几种光纤激光器在光纤通信中的主要应用。

3　在光纤通信中的应用

3.1稀土掺杂类光纤激光器

作技术的日益成熟,光纤激光器的研究也取得了重大进展。输出功率和调谐范围等性能得到了显著提高,使远距离大容量光通信传输成为可能,非常适合密集波分复用系统(DWDM)。与半导体激光器相比,光纤激光器的优势主要体现在:

(1)可以将稀土离子吸收光谱对应的高功率、

　　稀土元素是掺杂类光纤激光器的核心,因为它决定着对光泵的吸收和激射光谱。稀土元素指的是化学元素周期表倒数第二行的镧系元素,共计15种,其范围从57号元素镧(La)到71号元素镥(Lu)。所有稀土原子都具有相同的5S25P66S2外层电子结构,属于满壳层结构,占据内部4f电子壳层的电子数的多少支配着它们的光学特性。由于4f电子受到电子壳层的屏蔽作用,所以它们的一些光学特性(如荧光特性和吸收特性等)不易受到外场的影响,且具有很好的稳定性。目前比较成熟的在有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Yb3+、Nd3+、Pr3+和Tm3+。3.1.1　掺铒光纤激光器

低亮度、廉价的多模LD光通过泵浦双包层光纤结构,实现高亮度、衍射受限的单模激光输出;

(2)光纤作为圆柱形波导介质,纤芯直径小,

纤内易形成高功率密度,从而引起激光工作物质能级的粒子数反转,构成的激光器具有激光阈值低、转换效率高、光束质量好等特点;

(3)光纤结构具有很高的“表面积/体积”比,

因而散热效果好无需庞大的水冷系统,只需简单的风冷即可;

(4)光纤具有很好的柔绕性,激光器可设计得

掺铒光纤激光器是在大家熟知的掺铒光纤放大器(EDFA)的基础上发展起来的,由于掺Er3+μm波长处具有很高的增益,正对应光纤在1.55

低损耗第三通信窗口,具有潜在的应用价值,故发展最为迅速。随着光通信技术的飞速发展以及光纤光栅技术和掺铒光纤技术的发展,掺铒光纤激光器的研究取得了突破性的进展,输出功率从原

相当小巧灵活,易于系统集成,同时可在恶劣环境下工作,适合于野外施工;

(5)光纤激光器的激射波长取决于掺稀土离

子,不受泵浦波长的限制,所以可以通过掺杂不同

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来的mW量级到最大输出80W单模激光。

同时,经过十几年的发展,EDFA技术已成为光纤通信技术最突出的成就之一,目前技术上较为成熟的EDFA已取代了传统的光2电2光中继方式,实现了在一根光纤中多路光信号的同时放大,大幅降低了光中继的成本,并可与传输光纤实现良好的耦合,具有高增益低噪声等优点,因此成功地应用于DWDM光通信系统,极大地增加了光纤中可传输信息的容量和传输距离。特别是EDFA和DWDM的出现和应用改变了光纤通信发展的格局,EDFA已成为光纤通信、CATV、光信息网络系统中的关键器件之一,放大器场容量就达到了年将达到96亿美元。正因为如此,掺铒光纤作为受激光

大的市场外,其在光纤通信领域也有突出表现。

随着宽带业务的不断增长,人们对光纤带宽的利用越来越多,现有的利用EDFA放大的C波段已不能满足未来宽带网络的需要。人们开始利μm的整个无用L、S波段乃至全波光纤中1.21.7损区域

,因此出现了许多新的光信号放大措施。其中喇曼放大器以高达40THz的增益带宽,适用于各种光纤的增益特性而备受青睐。但由于其要求高功率泵浦源故很难实用,高功率掺镱光纤激,目前已有几瓦,完全可以满足喇曼放大器对泵浦功率的要求;③有合适的波长输出,掺镱光纤μm单模激光,通信用喇曼放大激光器输出1.06

μm波段的器可以通过三级喇曼位移实现对1.55

信号光放大。特别是掺镱双包层光纤光栅激光器以其使用灵活、全光纤化、易于选频、波长稳定等优点,成为喇曼光纤放大器的首选泵浦源,其结构见图3。半导体激光器(LD)和光纤光栅(FBG)分别作掺镱光纤(YDF)的泵浦源和谐振腔。选用光纤光栅激光器,不但激光的激射波长得到了稳定,而且其激射谱线宽和载噪比(激射波长所带的光功率与本底噪声功率之比)也得到了明显的改善。另外,通过光纤光栅调节输出波长,高功率掺镱光

纤,它具有三能级系统,处于基态能级的铒离子在980nm或1480nm泵浦光作用下迁到高能级,然

后主要以非辐射跃迁的形式转移到亚稳态能级,在亚稳态能级和基态能间的受激跃迁产生1550nm激光。在通信市场,双包层Er/Yb共掺

高功率光纤激光器已成为光通信领域的另一个研究热点。在这个系统中,利用镱离子宽吸收谱、宽增益带的特性,通常是以镱离子作为泵浦光的吸收体将能量通过谐振吸收传递给邻近的铒离子,μm波长的高增益,输出符合光通信低提供1.55

损耗窗口的激光,并且可以用半导体激光器作为泵浦源,既经济又实惠。3.1.2　掺镱石英光纤激光器

由于掺镱石英光纤激光器能级机理简单,不存在对抽运光或信号光的激发态吸收(ESA),无浓度淬灭效应,因而可以有更高的掺杂浓度,利用较短的激活光纤就可以获得较高的增益,并且有较宽的吸收光谱(800～1100nm)和辐射光谱(975～1200nm),可以有多种抽运源,包括技术成熟的半导体激光器甚至可以是钕离子激光器,因此掺镱光纤激光器很容易实现高功率输出。近年来,高功率掺镱光纤激光器发展势头惊人,国外已经出现上千瓦的产品。除了在激光加工、医疗有很

图3　光纤光栅的激光器示意图

纤激光器还可以作为掺铒光纤放大器、掺铥光纤放大器(TDFA)和掺镨光纤放大器(PDFA)的泵浦源。

3.1.3　掺铥光纤激光器

随着通信容量需求的增加和WDM技术的发展,光纤通信对带宽的需求愈显突出,工作于S波段(1450～1510nm)的TDFA和掺铥光纤激光器作为EDFA的自然扩展受到人们的普遍重视。由

OpticalCommunication　　　　　　　OMEInformation　　　　　　　No.9,Sept.2003

于S波段光纤损耗低于0125dB/km,因此对TD2FA的研究是开发新的传输窗口,更好地发掘利用

性的改变。

PDFA在结构及工作原理上均与EDFA相

光纤丰富的带宽资源,提高光纤通信容量最有效的方法。S波段光纤TDFA可与C波段(1528～1562nm)和L波段(1570～1605nm)的传输窗口

似,是一种工作于1300nm波长,以掺镨光纤作为增益介质,以1017nm附近波长的激光器作为泵浦光源的光纤放大器。其特性主要取决于掺镨光纤的吸收和发射特性,即光谱特性。因为石英玻璃阻止了波长短于1360nm的增益,而氟化物玻璃基质将受激发态吸收的影响偏移到稍短的波长,在1330nm处有增益。采用氟化物玻璃作为,其泵,。由G.652光纤,μm波长附近,色散限制影响其零色散点在1.3

小,因此采用PDFA调制的1310nm波长的模拟光信号传输的距离比1550nm波长更远。目前,PDFA系统以其诱人的性价比将成为CATV系统

很好地衔接,组成超带宽的光传输系统,这极大地促进了TDFA的发展。特别是多模包层泵浦技术的出现,使高功率、高性能、高可靠性的TDFA商品化成为现实。

一般报道的掺铥光纤激光器所用的光纤基质均是氟化物玻璃光纤,它可以在790nm泵浦光的μm波段激光,泵浦下输出1.4

统;也可以通过段的激光输出,。与EDFA一样,TDFA有前向、后向和双向泵浦三种方式。其中,双向泵浦为最佳方式,一方面保证了泵浦光比较均匀地分布于整个光纤,减小ESA的影响并提高功率效率,另一方面也获得较低的噪声。据相关文献报道,利用双向泵浦得到了比前向和后向泵浦高5dB的增益,强信号得到了20%的功率转换效率,噪声指数(5.5dB)仅仅比前向泵浦高013dB。TDFA发展比较迅速,国外已经有相关产

改造的首选方案,将对我国特别是相对落后的中西部地区有线电视事业的发展起到巨大的推动作用。

3.2光纤受激喇曼散射激光器

与掺杂光纤激光器相比,这类激光器具有更高的饱和功率、可以在原有光纤基础上扩容,且无泵浦源限制,在DWDM及相干光通信系统中有着重要应用。光纤受激喇曼散射激光器的工作原理是建立在光纤的受激喇曼散射的基础上。受激喇曼散射是一种非线性效应,它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上,当向光纤中射入强功率的光信号时,输入光的一部分能变换成比输入光波长更长光波信号输出,这是由于输入光功率的一部分在光纤的晶格运动中消耗所产生的现象。如果输入光是泵浦激光,则变换波长的光又称为斯托克斯(Stokes)光或自发喇曼散射光。当在光纤两端加入反馈装置,即构成了激光器。

石英光纤具有很宽的受激喇曼散射增益谱,并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光同时在光纤中传输时,同时使

品上市。

3.1.4　掺镨光纤激光器

由于掺镨光纤放大器(PDFA)在1300nm波长窗口有良好的放大性能,相对于1550nm的有线电视光纤传输系统(CATV),PDFA对我国以前大量铺设的1310nm的CATV系统与同步数字传输系统(SDH)的低成本改造与系统升级有着重大实际意义。适于CATV系统传输的有1310nm和1550nm波段两窗口。目前我国已铺设的有线电

视光纤网90%以上均工作在1310nm波段这一窗口,在PDFA未出现之前,要进行远距离传输只能全部更换成1550nm,从而使成本大幅提高;而应用PDFA的1310nm系统价格较应用EDFA的1550nm系统更便宜,特别是在对原有1310nm系

统改造时更是如此。工程实用型PDFA的出现将使现有的光纤CATV网络建设的格局发生根本

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弱信号处于泵浦光的喇曼增益带宽范围内,弱信号光即可得到放大,例如1450nm的泵浦光输入会在1540～1560nm频段产生增益。基于这种喇曼放大特性,OFC2001国际会议上报道了喇曼光纤激光器的研制。从相关的报道看,各种喇曼光纤激光器的结构大体相似,一般均采用光纤布喇格光栅作为谐振腔的反射镜,并根据输出需要用布喇格光栅对组成几级Stocks分量的谐振腔实现单波长或多波长激光输出,其工作原理见图4。在掺镱光纤激光器的泵浦下,

以掺镨光纤为工作物质输出激光。泵浦光波长1064nm,输出脉冲为1438.4nm(二级Stocks),粗中间拉细的特种光纤中(见图5)产生的连续谱就很宽,可调谐波长范围为5001600nm。泵浦源端的光纤长为3cm,拉细光纤长度为15cm,尾纤输出端为15cm。该连续谱在后段标准电信光纤中输出喇曼脉冲,可调谐波长幅度达200nm,喇曼脉冲波长调谐范围为14001600nm。脉冲频谱带宽为20nm,相当于脉宽130fs的边带极限脉冲。这种激光器就是以改变泵浦功率来改变波长,当改变输入入射功率,则喇曼孤子波长亦发生改变。,常规单模光纤产93nm,输,。

光纤。μm段最理想的光放大器,对口1.2～1.6

DWDM超长距离光传输技术的开发与应用具有

重要意义。为了满足远距离大容量通信,采用双包层光纤激光器泵浦的级联喇曼光纤激光器,能获得喇曼光纤放大所需的关键波长,且得到1W左右的激光输出

。

图5　利用特种光纤产生的超连续谱

4　结束语

　　随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展,光纤激光器作为第三代激光器的代表正在不断向广度和深度方面推进,各种掺杂光纤的研制和包层泵浦高功率光纤激光器面市,无疑体现出

图4　受激喇曼散射光纤激光器

光纤激光器的巨大潜力。目前光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。其主要发展方向:能输出高功率的掺镱双包层光纤光栅激光器;能根据客户需要波长而输出特定波长的喇曼光纤激光器;针对WDM系统而开发的基于超连续谱的多波长光纤激光器;能改变波长间隔的多波长光纤激光器。尽管目前多数类型的光纤激光器仍处于实验室研究阶段,但已初露锋芒,并展现出美好的应用前景和广阔的潜在市场。(参考文献略)(No.4)

3.3　超连续谱(SC)光纤激光器

由于在TDM/WDM系统中的潜在应用,具有超连续谱的超短光脉冲的产生已引起人们的广泛兴趣。超短光脉冲不但能提高TMD系统中的单信道码率,同时其宽大的连续谱也能为WDM系统提供众多的波长信道。大部分超连续谱的产生主要有以下两种方法:压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。

现在最流行且报道最多的是利用光纤或光放大器的非线性产生超连续谱,其中利用光纤产生宽连续谱最为经济实用。据报道,所采用的光纤类型不同而产生连续谱带宽也不同。比如在两头

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光纤激光器及其在通信中的应用

张军1,2,潘玉寨1,3,胡贵军1,3,张亮1,3,王立军1

(1.中国科学院激发态物理开放实验室,吉林长春　130022;2.吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春　130026;

3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春　130022)

摘要:光纤激光器作为第三代激光器的代表,在光纤通信中发挥着非常重要的作用了光纤激光器的工作机理及优势,

方向。

　　早在20世纪60年代,掺稀土元素光纤激光器伴随着激光技术的研究得以发展,但受早期光纤损耗太大的限制,光纤激光器的研究进展相对缓慢。直至80年代光纤通信才得以迅猛发展,特别是英国南安普敦大学用金属化学汽相沉积(MCVD)法制成低损耗的掺铒光纤,而掺铒光纤

2　光纤激光器的工作原理

　　一般的光纤激光器大多是在光纤放大器的基础上发展起来的。它用掺稀土元素的光纤,加上一个恰当的反馈机制便形成了光纤激光器(如图1所示)。掺稀土元素的光纤充当光纤激光器的

增益介质。在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤芯,由于外泵浦光的作用,在光纤内很容易形成高功率密度,从而引起激光工作物质能级的粒子数反转,当适当加入反馈机制,很容易从纤芯输出激光。但是,早期的光纤激光器是将泵浦光直接μm的单模光纤纤芯,其耦耦合进入直径小于10

合效率低,导致光纤激光器的输出功率较低,一般输出毫瓦量级。对于大多数应用领域,更需要瓦级的光功率输出。双包层光纤的发明解决了这一难题。

双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层组成(如图2所示)。纤芯是掺稀土元素的单模光

激光器激射波长恰好位于光通信的低损耗窗口,随着掺铒光纤放大器(EDFA)在光通信中地位的不断提高,才使光纤激光器再次受到世界各国的普遍关注,从而得到迅速发展且在通信领域发挥

着越来越重要的作用。

为了满足增大通信容量的需求,目前人们主要采用时分复用技术(TDM)来增加单信道码率,采用波分复用技术(WDM)来增加原有光纤系统的通信信道。其中,以掺杂光纤为基质的光纤激光器不仅能够产生连续激光输出,而且能够实现皮秒(ps)甚至飞秒(fs)超短光脉冲的产生。光纤激光器在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性等方面已取得了长足进步,是目前光通信领域中的新兴技术。它可以利用现有的通信系统支持更高的传输速率和带宽,是未来高码率密集波分复用系统和相干光通信的基础,并在未来通信领域中起着不可替代的作用。

图1　光纤激光器的基本结构示意图

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μm范围内实现激光输出,波稀土离子在0.38～4

长选择容易且可调谐,这对DWDM系统具有非常重要的意义;

(6)光纤输出与现有通信光纤很匹配,易于耦

合且效率高,可形成传输光纤与有源光纤一体化,

图2　双包层光纤截面图

是实现全光通信的基础。

按增益介质分,光纤激光器主要有四类:稀土类掺杂光纤激光器(稀土离子如Er3+、Yb3+、Nd3+等15种元素);非线性效应光纤激光器(如

波导,内包层是横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率比纤芯小的多模光波导,外包层是折射率比内包层小的聚合物,最外层是由硬塑料等材料构成的保护层。双包层光纤与普通光纤的区别在内包层中传播,,合效率和入纤泵浦功率,耦合效率可达90%以上。双包层光纤的研制为瓦级甚至更高功率单模光纤激光器的实现奠定了坚实的基础。20世纪90年代后期,随着半导体激光器及其掺杂光纤制

光纤受激喇曼散射激光器、);3);塑料光纤激光)。下面具体介绍几种光纤激光器在光纤通信中的主要应用。

3　在光纤通信中的应用

3.1稀土掺杂类光纤激光器

作技术的日益成熟,光纤激光器的研究也取得了重大进展。输出功率和调谐范围等性能得到了显著提高,使远距离大容量光通信传输成为可能,非常适合密集波分复用系统(DWDM)。与半导体激光器相比,光纤激光器的优势主要体现在:

(1)可以将稀土离子吸收光谱对应的高功率、

　　稀土元素是掺杂类光纤激光器的核心,因为它决定着对光泵的吸收和激射光谱。稀土元素指的是化学元素周期表倒数第二行的镧系元素,共计15种,其范围从57号元素镧(La)到71号元素镥(Lu)。所有稀土原子都具有相同的5S25P66S2外层电子结构,属于满壳层结构,占据内部4f电子壳层的电子数的多少支配着它们的光学特性。由于4f电子受到电子壳层的屏蔽作用,所以它们的一些光学特性(如荧光特性和吸收特性等)不易受到外场的影响,且具有很好的稳定性。目前比较成熟的在有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Yb3+、Nd3+、Pr3+和Tm3+。3.1.1　掺铒光纤激光器

低亮度、廉价的多模LD光通过泵浦双包层光纤结构,实现高亮度、衍射受限的单模激光输出;

(2)光纤作为圆柱形波导介质,纤芯直径小,

纤内易形成高功率密度,从而引起激光工作物质能级的粒子数反转,构成的激光器具有激光阈值低、转换效率高、光束质量好等特点;

(3)光纤结构具有很高的“表面积/体积”比,

因而散热效果好无需庞大的水冷系统,只需简单的风冷即可;

(4)光纤具有很好的柔绕性,激光器可设计得

掺铒光纤激光器是在大家熟知的掺铒光纤放大器(EDFA)的基础上发展起来的,由于掺Er3+μm波长处具有很高的增益,正对应光纤在1.55

低损耗第三通信窗口,具有潜在的应用价值,故发展最为迅速。随着光通信技术的飞速发展以及光纤光栅技术和掺铒光纤技术的发展,掺铒光纤激光器的研究取得了突破性的进展,输出功率从原

相当小巧灵活,易于系统集成,同时可在恶劣环境下工作,适合于野外施工;

(5)光纤激光器的激射波长取决于掺稀土离

子,不受泵浦波长的限制,所以可以通过掺杂不同

2003年第9期光通信　　　　　　　　　　　光机电信息　　　　　　　　　

来的mW量级到最大输出80W单模激光。

同时,经过十几年的发展,EDFA技术已成为光纤通信技术最突出的成就之一,目前技术上较为成熟的EDFA已取代了传统的光2电2光中继方式,实现了在一根光纤中多路光信号的同时放大,大幅降低了光中继的成本,并可与传输光纤实现良好的耦合,具有高增益低噪声等优点,因此成功地应用于DWDM光通信系统,极大地增加了光纤中可传输信息的容量和传输距离。特别是EDFA和DWDM的出现和应用改变了光纤通信发展的格局,EDFA已成为光纤通信、CATV、光信息网络系统中的关键器件之一,放大器场容量就达到了年将达到96亿美元。正因为如此,掺铒光纤作为受激光

大的市场外,其在光纤通信领域也有突出表现。

随着宽带业务的不断增长,人们对光纤带宽的利用越来越多,现有的利用EDFA放大的C波段已不能满足未来宽带网络的需要。人们开始利μm的整个无用L、S波段乃至全波光纤中1.21.7损区域

,因此出现了许多新的光信号放大措施。其中喇曼放大器以高达40THz的增益带宽,适用于各种光纤的增益特性而备受青睐。但由于其要求高功率泵浦源故很难实用,高功率掺镱光纤激,目前已有几瓦,完全可以满足喇曼放大器对泵浦功率的要求;③有合适的波长输出,掺镱光纤μm单模激光,通信用喇曼放大激光器输出1.06

μm波段的器可以通过三级喇曼位移实现对1.55

信号光放大。特别是掺镱双包层光纤光栅激光器以其使用灵活、全光纤化、易于选频、波长稳定等优点,成为喇曼光纤放大器的首选泵浦源,其结构见图3。半导体激光器(LD)和光纤光栅(FBG)分别作掺镱光纤(YDF)的泵浦源和谐振腔。选用光纤光栅激光器,不但激光的激射波长得到了稳定,而且其激射谱线宽和载噪比(激射波长所带的光功率与本底噪声功率之比)也得到了明显的改善。另外,通过光纤光栅调节输出波长,高功率掺镱光

纤,它具有三能级系统,处于基态能级的铒离子在980nm或1480nm泵浦光作用下迁到高能级,然

后主要以非辐射跃迁的形式转移到亚稳态能级,在亚稳态能级和基态能间的受激跃迁产生1550nm激光。在通信市场,双包层Er/Yb共掺

高功率光纤激光器已成为光通信领域的另一个研究热点。在这个系统中,利用镱离子宽吸收谱、宽增益带的特性,通常是以镱离子作为泵浦光的吸收体将能量通过谐振吸收传递给邻近的铒离子,μm波长的高增益,输出符合光通信低提供1.55

损耗窗口的激光,并且可以用半导体激光器作为泵浦源,既经济又实惠。3.1.2　掺镱石英光纤激光器

由于掺镱石英光纤激光器能级机理简单,不存在对抽运光或信号光的激发态吸收(ESA),无浓度淬灭效应,因而可以有更高的掺杂浓度,利用较短的激活光纤就可以获得较高的增益,并且有较宽的吸收光谱(800～1100nm)和辐射光谱(975～1200nm),可以有多种抽运源,包括技术成熟的半导体激光器甚至可以是钕离子激光器,因此掺镱光纤激光器很容易实现高功率输出。近年来,高功率掺镱光纤激光器发展势头惊人,国外已经出现上千瓦的产品。除了在激光加工、医疗有很

图3　光纤光栅的激光器示意图

纤激光器还可以作为掺铒光纤放大器、掺铥光纤放大器(TDFA)和掺镨光纤放大器(PDFA)的泵浦源。

3.1.3　掺铥光纤激光器

随着通信容量需求的增加和WDM技术的发展,光纤通信对带宽的需求愈显突出,工作于S波段(1450～1510nm)的TDFA和掺铥光纤激光器作为EDFA的自然扩展受到人们的普遍重视。由

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于S波段光纤损耗低于0125dB/km,因此对TD2FA的研究是开发新的传输窗口,更好地发掘利用

性的改变。

PDFA在结构及工作原理上均与EDFA相

光纤丰富的带宽资源,提高光纤通信容量最有效的方法。S波段光纤TDFA可与C波段(1528～1562nm)和L波段(1570～1605nm)的传输窗口

似,是一种工作于1300nm波长,以掺镨光纤作为增益介质,以1017nm附近波长的激光器作为泵浦光源的光纤放大器。其特性主要取决于掺镨光纤的吸收和发射特性,即光谱特性。因为石英玻璃阻止了波长短于1360nm的增益,而氟化物玻璃基质将受激发态吸收的影响偏移到稍短的波长,在1330nm处有增益。采用氟化物玻璃作为,其泵,。由G.652光纤,μm波长附近,色散限制影响其零色散点在1.3

小,因此采用PDFA调制的1310nm波长的模拟光信号传输的距离比1550nm波长更远。目前,PDFA系统以其诱人的性价比将成为CATV系统

很好地衔接,组成超带宽的光传输系统,这极大地促进了TDFA的发展。特别是多模包层泵浦技术的出现,使高功率、高性能、高可靠性的TDFA商品化成为现实。

一般报道的掺铥光纤激光器所用的光纤基质均是氟化物玻璃光纤,它可以在790nm泵浦光的μm波段激光,泵浦下输出1.4

统;也可以通过段的激光输出,。与EDFA一样,TDFA有前向、后向和双向泵浦三种方式。其中,双向泵浦为最佳方式,一方面保证了泵浦光比较均匀地分布于整个光纤,减小ESA的影响并提高功率效率,另一方面也获得较低的噪声。据相关文献报道,利用双向泵浦得到了比前向和后向泵浦高5dB的增益,强信号得到了20%的功率转换效率,噪声指数(5.5dB)仅仅比前向泵浦高013dB。TDFA发展比较迅速,国外已经有相关产

改造的首选方案,将对我国特别是相对落后的中西部地区有线电视事业的发展起到巨大的推动作用。

3.2光纤受激喇曼散射激光器

与掺杂光纤激光器相比,这类激光器具有更高的饱和功率、可以在原有光纤基础上扩容,且无泵浦源限制,在DWDM及相干光通信系统中有着重要应用。光纤受激喇曼散射激光器的工作原理是建立在光纤的受激喇曼散射的基础上。受激喇曼散射是一种非线性效应,它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上,当向光纤中射入强功率的光信号时,输入光的一部分能变换成比输入光波长更长光波信号输出,这是由于输入光功率的一部分在光纤的晶格运动中消耗所产生的现象。如果输入光是泵浦激光,则变换波长的光又称为斯托克斯(Stokes)光或自发喇曼散射光。当在光纤两端加入反馈装置,即构成了激光器。

石英光纤具有很宽的受激喇曼散射增益谱,并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光同时在光纤中传输时,同时使

品上市。

3.1.4　掺镨光纤激光器

由于掺镨光纤放大器(PDFA)在1300nm波长窗口有良好的放大性能,相对于1550nm的有线电视光纤传输系统(CATV),PDFA对我国以前大量铺设的1310nm的CATV系统与同步数字传输系统(SDH)的低成本改造与系统升级有着重大实际意义。适于CATV系统传输的有1310nm和1550nm波段两窗口。目前我国已铺设的有线电

视光纤网90%以上均工作在1310nm波段这一窗口,在PDFA未出现之前,要进行远距离传输只能全部更换成1550nm,从而使成本大幅提高;而应用PDFA的1310nm系统价格较应用EDFA的1550nm系统更便宜,特别是在对原有1310nm系

统改造时更是如此。工程实用型PDFA的出现将使现有的光纤CATV网络建设的格局发生根本

2003年第9期光通信　　　　　　　　　　　光机电信息　　　　　　　　　

弱信号处于泵浦光的喇曼增益带宽范围内,弱信号光即可得到放大,例如1450nm的泵浦光输入会在1540～1560nm频段产生增益。基于这种喇曼放大特性,OFC2001国际会议上报道了喇曼光纤激光器的研制。从相关的报道看,各种喇曼光纤激光器的结构大体相似,一般均采用光纤布喇格光栅作为谐振腔的反射镜,并根据输出需要用布喇格光栅对组成几级Stocks分量的谐振腔实现单波长或多波长激光输出,其工作原理见图4。在掺镱光纤激光器的泵浦下,

以掺镨光纤为工作物质输出激光。泵浦光波长1064nm,输出脉冲为1438.4nm(二级Stocks),粗中间拉细的特种光纤中(见图5)产生的连续谱就很宽,可调谐波长范围为5001600nm。泵浦源端的光纤长为3cm,拉细光纤长度为15cm,尾纤输出端为15cm。该连续谱在后段标准电信光纤中输出喇曼脉冲,可调谐波长幅度达200nm,喇曼脉冲波长调谐范围为14001600nm。脉冲频谱带宽为20nm,相当于脉宽130fs的边带极限脉冲。这种激光器就是以改变泵浦功率来改变波长,当改变输入入射功率,则喇曼孤子波长亦发生改变。,常规单模光纤产93nm,输,。

光纤。μm段最理想的光放大器,对口1.2～1.6

DWDM超长距离光传输技术的开发与应用具有

重要意义。为了满足远距离大容量通信,采用双包层光纤激光器泵浦的级联喇曼光纤激光器,能获得喇曼光纤放大所需的关键波长,且得到1W左右的激光输出

。

图5　利用特种光纤产生的超连续谱

4　结束语

　　随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展,光纤激光器作为第三代激光器的代表正在不断向广度和深度方面推进,各种掺杂光纤的研制和包层泵浦高功率光纤激光器面市,无疑体现出

图4　受激喇曼散射光纤激光器

光纤激光器的巨大潜力。目前光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。其主要发展方向:能输出高功率的掺镱双包层光纤光栅激光器;能根据客户需要波长而输出特定波长的喇曼光纤激光器;针对WDM系统而开发的基于超连续谱的多波长光纤激光器;能改变波长间隔的多波长光纤激光器。尽管目前多数类型的光纤激光器仍处于实验室研究阶段,但已初露锋芒,并展现出美好的应用前景和广阔的潜在市场。(参考文献略)(No.4)

3.3　超连续谱(SC)光纤激光器

由于在TDM/WDM系统中的潜在应用,具有超连续谱的超短光脉冲的产生已引起人们的广泛兴趣。超短光脉冲不但能提高TMD系统中的单信道码率,同时其宽大的连续谱也能为WDM系统提供众多的波长信道。大部分超连续谱的产生主要有以下两种方法:压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。

现在最流行且报道最多的是利用光纤或光放大器的非线性产生超连续谱,其中利用光纤产生宽连续谱最为经济实用。据报道,所采用的光纤类型不同而产生连续谱带宽也不同。比如在两头