摘 要：對(duì)由不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖和不同分光比的耦合器構(gòu)成的光纖環(huán)形腔激光器的輸出特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。理論分析表明，激光器的輸出功率、斜率效率與摻鉺光纖的長(zhǎng)度、耦合器的分光比有關(guān)，且存在最佳值。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，在泵浦功率為120 mW，摻鉺光纖的摻雜濃度為4 000 ppm下，最佳的摻鉺光纖長(zhǎng)度為3 m左右，最佳輸出耦合比在80%附近，與理論分析基本一致。

關(guān)鍵詞：摻鉺光纖；光纖激光器；環(huán)形腔；耦合比

中圖分類(lèi)號(hào)：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)06-189-03

Theoretical and Experimentical Research on Output Characteristic of

Erbium-doped Fiber Ring Laser

SHEN Hongrong，WAN Shengpeng，LI Xiangtao

(Key Laboratory of Nondestructive Test Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang，330063，China)

Abstract：The output characteristics of fiber ring lasers composed of different length Er-doped Fibers(EDF) and different split ratio output couplers are studied experimentally.Theoretical analysis indicates the threshold and slope efficiency of the laser are related to the length of EDF and the split ratio of the output coupler，and one optimum value exists，these are according with the experimental result.

Keywords：Erbium-doped fiber；fiber laser；ring cavity；coupler ratio

1 引 言

光纖激光器是當(dāng)今光電子技術(shù)研究領(lǐng)域中最熱門(mén)的研究課題之一。隨著激光二極管泵浦技術(shù)

以及光纖材料和工藝研究的進(jìn)展，適合多種不同應(yīng)用目的的光纖激光器也紛呈異彩地涌現(xiàn)于世。其應(yīng)用領(lǐng)域也已從目前最為成熟的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)方面迅速地向其他更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展^[1]。

摻鉺光纖激光器(EDFL)以其優(yōu)良的性能成為高速光通信和電纜電視光傳輸系統(tǒng)理想光源的候選者之一。摻鉺光纖具有很高的增益和泵浦效率，其增益譜很寬。因此，摻鉺光纖激光器有相當(dāng)多的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，在DWDM通信方面具有重要意義；他有很好的單色性和高穩(wěn)定性，泵浦壽命長(zhǎng)，平均無(wú)故障工作時(shí)間在10 kh甚至100 kh以上；而且可采用半導(dǎo)體激光泵浦，具有高效率、低閾值、小型化、易與傳輸光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了光纖激光器比半導(dǎo)體激光器有較大的優(yōu)勢(shì)。而摻鉺光纖激光器由于其在1 550 nm波長(zhǎng)附近有很高的增益，正對(duì)應(yīng)低損耗的光纖第三通信窗口，具有廣闊的前景。被認(rèn)為是將來(lái)長(zhǎng)距離、大容量的超高速光纖通信、孤子通信系統(tǒng)以及各類(lèi)光傳感系統(tǒng)中的理想光源。

當(dāng)然，要使激光器處于最佳的工作狀態(tài)，必須對(duì)激光器的主要參數(shù)和諧振腔等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中首先對(duì)摻鉺光纖環(huán)形激光器的主要特性參數(shù)輸出功率、閾值功率與摻鉺光纖長(zhǎng)度、耦合比之間關(guān)系進(jìn)行理論分析，并給出其相對(duì)應(yīng)關(guān)系的理論表達(dá)式，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)給予了驗(yàn)證，這對(duì)摻鉺光纖激光器的設(shè)計(jì)和使用具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

2 摻鉺光纖激光器的基本原理

實(shí)驗(yàn)中所采用的環(huán)形腔光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。他由波分復(fù)用器(WDM)、摻鉺光纖(EDF)、隔離器(ISO)、耦合器(Coupler)以及與耦合器相連的光纖光柵(FBG)構(gòu)成，泵浦源采用980 nm的半導(dǎo)體激光器(LD)。泵浦光經(jīng)由WDM耦合進(jìn)入環(huán)路，經(jīng)EDF轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)為1 550 nm左右的光，通過(guò)隔離器傳輸?shù)今詈掀?Coupler)。一部分耦合至輸出端，另一部分耦合到FBG，經(jīng)FBG(中心波長(zhǎng)為1 550.376 nm，帶寬0.2 nm)濾波后，只有波長(zhǎng)在1 550 nm附近的光波經(jīng)過(guò)耦合器被反射回環(huán)路。由于隔離器的作用，反射光只能在環(huán)路中沿順時(shí)針?lè)较騻鞑?，再次?jīng)過(guò)EDF獲得適當(dāng)?shù)脑鲆婧蟮竭_(dá)FBG，重復(fù)上述過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)了環(huán)路振蕩。當(dāng)所獲得的增益大于腔內(nèi)損耗時(shí)，耦合器的輸出端得到波長(zhǎng)為1 550 nm的激光輸出。

圖1 環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

3 理論分析

影響激光器輸出功率的因素很多，泵浦功率、泵浦效率、增益介質(zhì)特性、耦合器的分光比和諧振腔損耗等都會(huì)對(duì)激光器輸出有影響。這里討論摻鉺光纖長(zhǎng)度和輸出耦合比對(duì)輸出功率的影響。

在摻鉺光纖環(huán)形腔激光器中，當(dāng)腔內(nèi)置隔離器時(shí)，激光器工作在行波狀態(tài)，激光在閾值以上的輸出功率可表示為^[2]：

其中Pi為腔內(nèi)進(jìn)入鉺光纖的激光功率；V為腔內(nèi)損耗因子，包括隔離器，偏振控制器等無(wú)源器件的損耗；R為輸出耦合器的耦合系數(shù)；G為摻鉺光纖的總增益。激光振蕩的閾值條件為：

在激光波長(zhǎng)λ處，腔內(nèi)的光功率可表示為：

圖2 輸出功率與鉺纖長(zhǎng)度關(guān)系

圖3 輸出功率與耦合比關(guān)系

由式(6)和式(7)可得出的斜率效率和激光閾值與輸出耦合器分光比的關(guān)系曲線。從圖4和圖5可以看出，輸出耦合器分光比有一最佳值，其比值太大和太小都會(huì)令激光器的斜率效率變壞。而激光閾值在分光比較小時(shí)變化緩慢，大于一定值后將迅速增加。

圖4 斜率效率與耦合比的關(guān)系

圖5 閾值功率與耦合比的關(guān)系

通過(guò)以上的討論分析可知，在一定條件下，激光的輸出功率和斜率效率與EDF的長(zhǎng)度和耦合器的耦合比有很大的關(guān)系，激光性能很好時(shí)存在一個(gè)最佳EDF長(zhǎng)度和耦合比。為此要找最佳EDF長(zhǎng)度和耦合比進(jìn)行激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照?qǐng)D1所示搭建實(shí)驗(yàn)裝置，泵浦源采用上海拜安信息科技有限公司提供的PS3200系列，中心波長(zhǎng)975.40 nm，3 dB帶寬為0.31 nm，其最大輸出功率為135.6 mW且連續(xù)可調(diào)；光譜儀采用日本AQ6319型光譜分析儀，最小分辨率為0.001 nm；光隔離器的隔離度為-48 dB；增益介質(zhì)采用上海翰宇公司EDFL-980-HP型L-Band摻鉺光纖，摻雜濃度為4 000 ppm，芯徑為5.7 m；實(shí)驗(yàn)所采用的光纖光柵的反射波長(zhǎng)為1 550.376 nm，反射率99.97%，反射光譜寬0.2 nm。

4.1 輸出功率與EDF長(zhǎng)度之間的關(guān)系

為了分析不同鉺纖長(zhǎng)度對(duì)激光輸出功率的影響，實(shí)驗(yàn)中選取了1 m，3 m，4 m和10 m四種不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖進(jìn)行測(cè)試，泵浦激光器的功率固定在120 mW，耦合比為80%。測(cè)試結(jié)果如圖6所示：

圖6 不同長(zhǎng)度鉺纖的輸出功率曲線

從圖6可以看出，長(zhǎng)度不同的摻鉺光纖，其激光輸出斜率效率和閾值功率明顯不同。4種不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖激光器，其中長(zhǎng)度為3 m的激光器斜率效率最大，可知摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度大約在3 m左右。通過(guò)理論計(jì)算^[5]，泵浦功率在120 mW下，最佳的鉺纖長(zhǎng)度為3.2 m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論基本一致。上述結(jié)果都是在摻雜濃度為4 000 ppm的情況下取得的，如果摻雜濃度發(fā)生變化，則最佳長(zhǎng)度也將發(fā)生變化。濃度增加，最佳長(zhǎng)度縮短，濃度降低，最佳長(zhǎng)度增加。

4.2 輸出功率與輸出耦合比之間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)采用耦合比分別為90∶10，80∶20，60∶40，50∶50四種耦合器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，泵浦功率為120 mW，鉺纖長(zhǎng)度L=3 m，并記錄在不同泵浦功率下激光器輸出功率的值，其數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 輸出功率與輸出耦合比的關(guān)系

圖7中的點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，曲線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線。從該圖可以看出，輸出耦合比存在一最佳值，該最佳值大約在80%附近。當(dāng)采用具有最佳分光比的耦合器時(shí)，同樣的泵浦功率會(huì)得到較大的激光輸出。但是如果輸出分光比太大，得到的反饋太小，腔內(nèi)激光振蕩強(qiáng)度將減弱，以致停止振蕩。

圖7 輸出功率與輸出耦合比的關(guān)系

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)由不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖和不同分光比的耦合器構(gòu)成的光纖環(huán)形腔激光器的輸出特性分別進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)理論分析，得出激光器的輸出功率、斜率效率與摻鉺光纖的長(zhǎng)度、耦合器的分光比有關(guān)，且存在最佳值的結(jié)論。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出最佳的摻鉺光纖長(zhǎng)度為3 m左右(泵浦功率120 mW，摻雜濃度4 000 ppm)，最佳輸出耦合比在80%附近，這與理論分析基本一致。這對(duì)摻鉺光纖激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用具有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介

沈紅榮 男，1982年出生，江蘇吳江人，碩士研究生。主要從事光纖激光器和光纖傳感的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。