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二波混频高功率单频窄线宽光纤激光器

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第32卷第2期2011年2月发光学报CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVol.32No.2Feb．，2011

文章编号：1000-7032（2011）02-0159-05二波混频高功率单频窄线宽光纤激光器代志勇，张晓霞，彭增寿，李剑峰，欧中华，刘永智（电子科技大学光电信息学院光电传感与信息处理重点实验室，四川成都610054）

摘要：设计并制造了一种基于二波混频的高功率单频窄线宽光纤激光器。激光器采用长线形腔结构，以

Er3+/Yb3+双包层光纤作为增益介质，利用输出信号光分束反馈注入，与腔内振荡激光混频干涉，形成分布的

增益光栅与折射率光栅共同作用选模，获得稳定的1550．63nm单频高功率激光输出。在975nm多模激光二极管（LD）抽运下，激光器抽运阈值光功率为356mW。当抽运光功率为3．1W时，激光器输出信号光功率为653．7mW，对应的光-光转换效率为21．1%，斜率效率为24．6%，信噪比大于50dB。用延时自外差方法测量激光器输出的3dB光谱线宽为5．0kHz。

关键词：激光光学；光纤激光器；二波混频；单频；窄线宽中图分类号：TN253PACS：42．55．WdPACC：4255N文献标识码：ADOI：10．3788/fgxb20113202．0159

收稿日期：2010-07-18；修订日期：2010-09-01基金项目：国家自然科学基金（40774067）资助项目作者简介：代志勇（1970－），男，四川遂宁人，主要从事光纤激光器、光电传感与信息处理的研究。E-mail：emzydai@uestc．edu．cn，Tel：（028）83204363

1引言

高功率单频窄线宽光纤激光器在密集波分复用系统、相干激光雷达、分布式光纤传感器以及微波光子等诸多领域有重要应用［1-4］。窄线宽光纤

激光器可采用线形或环形谐振腔结构。长线形腔易因驻波效应在增益介质中形成空间烧孔，而导致多纵模振荡，使输出光谱线宽加宽；但随着谐振腔长变短，纵模间隔将加大，使用短线形腔结构能获得单频激光输出［5］。行波环形腔能有效地消除空间烧孔，避免多模振荡，容易获得单频激光输出［6］；但长的环形腔却容易受环境因素（如温度、振动）的影响而产生跳模。因此，无论是线形腔还是环形腔均需消除多纵模振荡，抑制跳模，才能获得稳定的单频窄线宽激光输出，目前主要有腔形结构设计、非线性二波混频、布里渊增益谱线宽压缩等方法。腔形结构设计可采用超短线形腔结构，增大纵模间距，获得单频激光输出；或在腔内插入高精细度滤波器选模，获得单频激光输出［7］；或在线形腔内加入偏振态控制元件，控制腔内光波的偏振态以消除空间烧孔，获得单频激光输出［8］。非线性二波混频则利用两光波混频干涉，在光纤中形成分布的增益光栅或光致折射率光栅。这种分布光栅具有窄带滤波效应，能消除多纵模振荡并抑制跳模，从而获得稳定的单频激光输出。例如，在腔内插入可饱和吸收体，利用增益饱和形成的增益光栅选模和抑制跳模，获得单频激光输出［1］；或通过腔外注入光与腔内激光混频干涉，形成增益光栅和折射率光栅选模，获得单频激光输出［9］。布里渊增益谱线宽压缩则利

用窄线宽激光在光纤中激发的窄带布里渊增益谱对输入激光进行线宽压缩，获得更窄的光谱线宽输出［10］。尽管超短线形腔能获得稳定的单频激

光输出，但过短的增益光纤却不利于获得高功率激光输出，同时也难以在腔内插入偏振控制等光学元件。为获得更高功率激光输出则需要增加增益光纤长度和提高抽运功率。文献［11］采用行波环形腔结构，结合可饱和吸收体稳频，以Er3+/

Yb3+双包层光纤作为增益介质，获得了功率为

867mW的单频激光输出。文献［12］采用种子源

加主振光放大，获得功率大于1W、线宽小于30kHz单频激光输出。本文提出一种基于二波混频的高功率单频窄线宽光纤激光器。一方面采用长线形腔结构，使160发光学报第32卷

用Er3+/Yb3+双包层光纤作为增益介质，结合包层抽运，获得高功率激光输出；进而将输出信号光分束反馈注入谐振腔内，反馈光与腔内振荡激光混频干涉，在增益介质中形成分布的增益光栅与折射率光栅，两者共同作用选择纵模，并有效地抑制跳模，获得稳定的单频激光输出。该光纤激光器输出功率高、光谱线宽窄、频率稳定，而且结构简单、全光纤化，可应用于光通信、分布式光纤传感和微波光子等领域。2实验装置组成与原理实验装置如图1所示。谐振腔由两只光纤布拉格光栅（FBG）、Er3+/Yb3+共掺双包层光纤、（2+1）×1泵浦合束器（Combiner）等组成。激光器用两只FBG作为谐振腔反射镜，其中FBGⅠ的反射率为99．4%，中心波长为1550．6nm，带宽为0．21nm；FBGⅡ的反射率为90．4%，中心波长为1550．7nm，带宽为0．18nm。激光器的增益介质采用Nufern公司的SM-EYDF-7/130双包层光纤，长度为4m。该双包层光纤的纤芯直径与内包层直径分别为7μm和130μm，在1535nm处吸收系数为38dB/m。实验装置用两只多模LD进行抽运，LD的中心波长为975nm，每只最大输出光功率为2W。两路泵浦光通过泵浦合束器耦合进增益光纤内。激光器谐振腔的总长度为8m，两相邻纵模间隔约为25MHz。󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠󰀠FBGⅠOCEr3+/Yb3+PCCombiner975nmLDFBGⅡISOOCLaseroutputISO图1高功率单频窄线宽光纤激光器实验装置Fig．1Experimentalsetupofhighpowersinglefrequencynarrowlinewidthfiberlaser实验装置使用线形腔结构，增益光纤长度达到4m，这样不仅有利于获得更窄的光谱线宽输出，而且有利于获得高功率激光。但在激光振荡产生过程中，过长的腔长却易因驻波效应在增益介质中形成空间烧孔，导致多模振荡，使输出光谱线宽加宽；同时还容易受环境因素（温度、振动）的影响，产生严重的跳模现象。为获得稳定的单频激光输出，实验装置增加了反馈光纤环路。反馈光纤环路由两只分光比为90∶10的1×2光纤耦合器（OC）、两只在线式光隔离器（ISO）和偏振控制器（PC）组成。其中光隔离器的作用是保证反馈光单向耦合进激光谐振腔中。通过反馈光纤环路，激光器输出信号光的10%将再次耦合进谐振腔内。在增益介质中，反馈光与腔内振荡激光产生混频干涉，其干涉光强呈空间的周期性分布。周期性分布的干涉光强一方面因增益饱和而形成分布的增益光栅，另一方面则通过光致折射率效应形成分布的折射率光栅［13］。分布的增益光栅

与折射率光栅共同作用，对纵模进行有效的选择，从而抑制多纵模振荡与跳模，使激光器工作在单频运转状态。众所周知，两光波干涉光强的衬比受光波偏振态的影响，因此试验装置通过PC调整反馈光的偏振态，使其与腔内振荡激光的偏振态平行，获得最强的干涉图样，从而提高增益光栅与折射率光栅的稳定性，使实验装置获得稳定的单频激光输出。实验中用光谱分析仪（ANDOAQ6319，测量精度为0．01nm）与光功率计（AN-DOAQ2140）测量实验装置的输出特性，同时用延

时自外差方法测量输出的3dB光谱线宽。

3结果与讨论

在实验中，首先观察无反馈光纤环路时实验装置的输出特性。连接好除反馈环路外的光路，调节LD的驱动电流，增大抽运光功率。当抽运光功率为3．1W时，用光功率计测量实验装置的输出信号光功率为713mW。输出信号光经衰减后，用光谱分析仪测量其光谱特性。测量得到信号光中心波长为1550．67nm，3dB光谱线宽为0．162nm，信噪比大于50dB。显然实验装置输

出的光谱线宽远大于其无源谐振腔所决定的光谱线宽。结果表明，实验装置工作在多纵模状态，输出光谱线宽被严重展宽。因此要获得窄线宽激光输出，就必须消除多纵模振荡。实验装置利用反馈光纤环路，将输出信号光的10%再次耦合进入谐振腔内。通过反馈光与腔内振荡激光在增益介质中混频干涉，形成纵模选择所需的增益光栅和折射率光栅。加入反馈光纤环路后，调节LD的输出光功率。当抽运光功率超过356mW时，光纤激光器开始起振。随着抽运光功率的增加，实验装置输第2期代志勇，等：二波混频高功率单频窄线宽光纤激光器161出光功率与光谱趋于稳定。图2为实验装置输出信号光功率随抽运光功率变化曲线。当抽运光功率为3．1W时，输出信号光功率为653．7mW，对应的光-光转换效率为21．1%，斜率效率为24．6%。此时信号光功率小于无反馈环路时的信号光功率，这是由于反馈光纤环路加入所带来的附加损耗所致。图3所示为实验装置输出光谱特性曲线，其中光谱仪的扫描范围设定为4nm，测量分辨率设定为0．01nm。由测试结果可知，输出信号光的中心波长为1550．63nm，信噪比大于50dB，3dB光谱线宽为0．01nm（光谱仪最小测量精度）。受光谱仪测量精度的限制，显然实验装置输出的光谱线宽要小于0．01nm。相比于无反馈光纤环路实验，实验装置的输出光谱线宽明显变窄。结果表明，反馈的信号光与腔内激光混频干涉形成了分布增益光栅和折射率光栅，两者共同作用实现了纵模的有效选择。将偏振控制器调整到最佳位置，在2h的连续观察时间内，激光器的输出光功率与光谱保持稳定，其中波长漂移范围小于0．01nm，光功率波动小于0．8%。实验中采用延时自外差方法观察实验装置单频运转特性和测量3dB光谱线宽。延时自外差测6003.0Pomppower/WOutputpower/W700500400300200100000.51.01.52.02.53.5图2输出功率随抽运光功率变化Fig．2Outputpowervspumppower0姿/nmRelativepower/dBm-10-30-40-50154915511552-2010图3光纤激光器输出光谱特性Fig．3Emissionspectrumofthefiberlaser量系统采用M-Z干涉仪结构，由40km单模光纤延时线、一只声光移频器（中心频率为70MHz）、两只3dB的1×2光纤耦合器、一只带宽10GHz的光电转换模块以及射频频谱仪（ADVANTESTR3267）等组成。其中射频频谱仪的频率测量范

围为100Hz～8GHz，最小带宽分辨率为10Hz，测量动态范围超过137dB。在抽运光功率为3．1W时，将射频频谱仪的扫频范围设置为0～700MHz，观察实验装置的单频运转情况，射频拍频谱

测试结果如图4（a）所示。由图可知，除去固有的零频分量外，只有70MHz处存在拍频分量，这表明实验装置已工作在单频运转状态。将偏振控制器调节到最佳位置，在2h的连续观察时间内未观察到跳模现象。结果表明，利用反馈光注入与腔内激光产生混频干涉不仅实现了纵模选择，而且有效地抑制了跳模，实验装置工作在稳定的单频运转状态。进一步将射频频谱仪的扫频中心频率设定为70MHz，扫频范围设定为500kHz，测量实验装置输出的3dB光谱线宽，测试结果如图4（b）所示。由测试结果可以得到实验装置的3dB光谱线宽为5kHz。

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光纤激光器原理

光纤激光器原理

光纤激光器原理
光纤激光器是一种基于光纤的激光发生器，其工作原理如下：
1. 激光增益：光纤激光器中使用的光纤被掺杂了能够放大光信号的掺杂剂（通常是稀土离子如铒离子）。

当一个弱的光信号（即激光器输入）通过掺杂光纤时，这些掺杂离子会吸收光信号的能量并发出与之频率相同的光子。

这个过程称为受激辐射，可以使光信号的能量逐渐增加。

2. 反射：光纤激光器中的光纤两端都有一个反射镜。

当光信号被放大到一定程度时，其中一部分光会漏出光纤，经过一个反射镜反射回来。

这个反射导致了光在光纤中来回传播，同时引起了光的干涉，形成了共振。

3. 泵浦：为了使掺杂离子能够发射光子，需要通过一个泵浦光源来提供足够的能量。

这个泵浦光源可以是激光二极管、光纤耦合激光器等。

泵浦光源的能量被输入掺杂光纤中，使掺杂离子激发并发射光子。

4. 单模振荡：光纤激光器中的光纤通常是单模光纤，这意味着只能传输一种频率的光。

在反射作用下，仅有特定频率的光信号能够形成振荡，并逐渐放大为激光信号。

其他频率的光则被过滤掉。

总结来说，光纤激光器的原理是通过掺杂光纤中的离子吸收、放大光信号，利用反射产生光的共振效应，并通过外部泵浦光源提供能量，最终形成高强度、单频率的激光输出。

光纤拉曼放大技术

光纤拉曼放大技术


在这方面应用高功率光纤激光器作为抽
运源显示出了明显的优势。虽然用波长 合适的半导体激光器可以直接抽运光纤 拉曼放大器，但能发射光纤拉曼放大所 需关键抽运波长的半导体激光器种类非 常有限，目前主要是~1.4μ ｍ的LD，而 且LD通常受到其固有特性的限制，输出 功率也较低，无法满足远距离大容量通 讯，特别是跨洋通讯光缆等拉曼放大的 要求。
我国在“十五”863计划中明确提出研制
宽带光纤拉曼放大器，要求在2003年11 月底前掌握波分服用（WDM）超长距离 光传输的系统技术，研制出宽带拉曼光 纤放大器。
宽带拉曼光纤放大器对抽运源 的要求主要有以下几点：
（1）要有较高的输出功率，对于分立式放大
器抽运功率要达到1W左右，分布式放大器的 抽运功率也需200mW以上； （2）要有合适的输出波长，抽运波长的选取 主要依据所需拉曼增益谱的中心波长而定。对 于石英光纤，拉曼增益峰的抽运光与信号光频 移约13.2THz（110nm），同时为了得到宽带、 平坦的增益曲线，通常也需采用多波长抽运。 为了使系统更简化，也希望实现一台抽运源能 提供多波长的高功率抽运，同时要求输出波长 稳定。为了抑制受激布里渊散射，各个抽运源 的线宽要大于1nm；
这种放大器及其相关产品的研发快速发展，如
Lucent公司利用拉曼放大和EDFA混合放大器 传输1.6Tbit/s（40×40Gbit/s）信号达400km， Alcated 公 司 利 用 拉 曼 放 大 器 获 得 了 32×190Gbit/s信号传输450km无中继；Masuda 等利用多波长抽运和多级放大，在1.55μ ｍ附 近获得132nm透明增益带宽；Suzuki等利用多 波长分布式光纤拉曼放大器将信道间隔为 50GHz、32×10 Gbit/s的DWDM信号传输了 640km。
khz 级窄线宽激光器生产工艺

khz 级窄线宽激光器生产工艺

khz 级窄线宽激光器生产工艺khz级窄线宽激光器是一种具有窄线宽特性的激光器，其制备过程需要特定的生产工艺。

本文将介绍khz级窄线宽激光器的生产工艺流程以及相关技术。

一、激光器的基本原理激光器是通过受激辐射过程产生的一束强度、方向和相位高度一致的光束。

其基本组成包括一个激光介质、一个泵浦源和一个光学共振腔。

激光器的工作原理是通过在激光介质中提供能量，使激光介质中的电子跃迁到高能级，然后在光学共振腔中受到反射和放大，最终形成一束激光。

二、khz级窄线宽激光器的特点khz级窄线宽激光器具有线宽窄、频率稳定等特点，适用于一些对频率精度要求较高的应用领域，如光纤通信、激光测量等。

窄线宽的激光器能够提供更高的分辨率和更低的误差。

三、khz级窄线宽激光器的生产工艺1. 材料准备：首先需要准备激光介质材料，常用的材料有气体（如氦氖气体）、固体（如Nd:YAG晶体）和半导体（如半导体激光二极管）等。

根据不同的材料选择合适的制备工艺。

2. 泵浦源的选择：根据激光介质的材料特性选择合适的泵浦源。

常用的泵浦源有光纤激光器、半导体激光二极管和固体激光器等。

3. 光学共振腔的设计：光学共振腔是激光器的核心部分，通过反射和放大光束。

其设计需要考虑激光介质的特性和所需输出的激光特性。

常见的光学共振腔有Fabry-Perot腔、倍频腔和放大腔等。

4. 温度控制：khz级窄线宽激光器的制备过程中，温度控制非常重要。

温度的变化会导致激光器频率的漂移，因此需要采取合适的温度控制措施，如使用温度稳定器等。

5. 激光器的调谐和稳定：khz级窄线宽激光器的线宽要求非常严格，需要进行精确的调谐和稳定操作。

调谐可以通过改变激光器的光学路径、改变光学共振腔长度或改变泵浦源的参数等方式实现。

6. 质量检测：在生产工艺的最后阶段，需要对激光器的质量进行检测。

主要包括频率稳定性、输出功率、线宽等参数的检测。

四、khz级窄线宽激光器的应用领域khz级窄线宽激光器由于其频率稳定性高、线宽窄等特点，被广泛应用于光纤通信、光谱分析、激光测量、光学频率合成等领域。

光纤激光器的原理与结构

光纤激光器的原理与结构

光纤激光器的原理与结构光纤激光器是一种利用光纤作为激光器介质的激光器。

它以光纤的光导特性为基础，具有小巧、灵活、高效等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。

光纤激光器的基本原理可以归纳为激光放大、光反馈和能量转换三个方面，下面将对其进行详细介绍。

第一，激光放大。

光纤激光器一般采用掺杂有特定材料的光纤作为放大介质。

其中，掺杂的材料可为稀土离子如铒、钕等，其主要作用是提供能级，实现电能到光能的转换。

当外界的能量供给（如光能、电能等）作用于掺杂材料时，稀土离子吸收入射光并转化为激活态，激活态颗粒与基底发生碰撞而迅速跃迁到较低能级并释放出辐射能，形成激光。

由于掺杂材料分布于光纤核心区域，使得光能在光纤中的驻留时间增加，从而增加放大系数，提高激光功率。

第二，光反馈。

为了获得高质量的激光输出，光纤激光器需要实现光的随轴反馈。

它一般采用光纤光栅和光耦合器等装置来实现。

光纤光栅是一种通过改变光纤折射率分布而形成的光波束反射镜，起到光反馈的作用。

光耦合器则是将输入光和输出光分别通过两根相互独立的光纤引入和引出，用以将反射的激光光束分离出来。

通过调整光栅结构和光耦合器的参数，可以实现激光的特定波长选择和功率调节，进而实现激光器的稳定输出。

第三，能量转换。

光纤激光器需要将外部能源（如电能）转化为激光输出。

一般情况下，光纤激光器采用半导体激光器作为光纤激励源。

通过将电能输入到半导体器件中，形成电子与空穴的复合，产生光子并通过光纤输送到激光器中进行放大和反馈，最终实现激光输出。

同时，光纤激光器还需要提供稳定的电源供给和温度控制系统，以保证激光器的正常工作。

光纤激光器的结构一般包括激光介质、激光泵浦、光栅和耦合器等组成。

其中，激光介质即掺杂有稀土离子的光纤，可为单模光纤或多模光纤。

激光泵浦是提供能源的装置，一般采用半导体激光器。

光栅是实现光的反馈的装置，采用了周期性折射率变化的结构。

耦合器则是实现输入光和输出光的分离，并且可根据需要进行功率调节和波长选择。