環形腔摻鉺光纖激光器輸出特性理論與實驗研究

摘 要：對由不同長度的摻鉺光纖和不同分光比的耦合器構成的光纖環形腔激光器的輸出特性進行了理論和實驗研究。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度、耦合器的分光比有關，且存在最佳值。最后通過實驗得到，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。

關鍵詞：摻鉺光纖；光纖激光器；環形腔；耦合比

中圖分類號：TN248 文獻標識碼：A

文章編號：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

光纖激光器是當今光電子技術研究領域中最熱門的研究課題之一。隨著激光二極管泵浦技術

以及光纖材料和工藝研究的進展，適合多種不同應用目的的光纖激光器也紛呈異彩地涌現于世。其應用領域也已從目前最為成熟的光纖通訊網絡方面迅速地向其他更為廣闊的激光應用領域擴展^[1]。

摻鉺光纖激光器(EDFL)以其優良的性能成為高速光通信和電纜電視光傳輸系統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多的可調諧參數和選擇性，在DWDM通信方面具有重要意義；他有很好的單色性和高穩定性，泵浦壽命長，平均無故障工作時間在10 kh甚至100 kh以上；而且可采用半導體激光泵浦，具有高效率、低閾值、小型化、易與傳輸光纖耦合等優點。這些特點決定了光纖激光器比半導體激光器有較大的優勢。而摻鉺光纖激光器由于其在1 550 nm波長附近有很高的增益，正對應低損耗的光纖第三通信窗口，具有廣闊的前景。被認為是將來長距離、大容量的超高速光纖通信、孤子通信系統以及各類光傳感系統中的理想光源。

當然，要使激光器處于最佳的工作狀態，必須對激光器的主要參數和諧振腔等進行優化設計。文中首先對摻鉺光纖環形激光器的主要特性參數輸出功率、閾值功率與摻鉺光纖長度、耦合比之間關系進行理論分析，并給出其相對應關系的理論表達式，最后通過實驗給予了驗證，這對摻鉺光纖激光器的設計和使用具有實際的指導意義。

2 摻鉺光纖激光器的基本原理

實驗中所采用的環形腔光纖激光器結構如圖1所示。他由波分復用器(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)構成，泵浦源采用980 nm的半導體激光器(LD)。泵浦光經由WDM耦合進入環路，經EDF轉化為波長為1 550 nm左右的光，通過隔離器傳輸到耦合器(Coupler)。一部分耦合至輸出端，另一部分耦合到FBG，經FBG(中心波長為1 550.376 nm，帶寬0.2 nm)濾波后，只有波長在1 550 nm附近的光波經過耦合器被反射回環路。由于隔離器的作用，反射光只能在環路中沿順時針方向傳播，再次經過EDF獲得適當的增益后到達FBG，重復上述過程，即實現了環路振蕩。當所獲得的增益大于腔內損耗時，耦合器的輸出端得到波長為1 550 nm的激光輸出。

圖1 環形腔摻鉺光纖激光器結構示意圖

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、增益介質特性、耦合器的分光比和諧振腔損耗等都會對激光器輸出有影響。這里討論摻鉺光纖長度和輸出耦合比對輸出功率的影響。

在摻鉺光纖環形腔激光器中，當腔內置隔離器時，激光器工作在行波狀態，激光在閾值以上的輸出功率可表示為^[2]：

其中Pi為腔內進入鉺光纖的激光功率；V為腔內損耗因子，包括隔離器，偏振控制器等無源器件的損耗；R為輸出耦合器的耦合系數；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λ處，腔內的光功率可表示為：

圖2 輸出功率與鉺纖長度關系

圖3 輸出功率與耦合比關系

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令激光器的斜率效率變壞。而激光閾值在分光比較小時變化緩慢，大于一定值后將迅速增加。

圖4 斜率效率與耦合比的關系

圖5 閾值功率與耦合比的關系

通過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的長度和耦合器的耦合比有很大的關系，激光性能很好時存在一個最佳EDF長度和耦合比。為此要找最佳EDF長度和耦合比進行激光器的優化設計。

4 實驗結果及分析

按照圖1所示搭建實驗裝置，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且連續可調；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；實驗所采用的光纖光柵的反射波長為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長度之間的關系

為了分析不同鉺纖長度對激光輸出功率的影響，實驗中選取了1 m，3 m，4 m和10 m四種不同長度的摻鉺光纖進行測試，泵浦激光器的功率固定在120 mW，耦合比為80%。測試結果如圖6所示：

圖6 不同長度鉺纖的輸出功率曲線

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

4.2 輸出功率與輸出耦合比之間的關系

實驗采用耦合比分別為90∶10，80∶20，60∶40，50∶50四種耦合器進行實驗，泵浦功率為120 mW，鉺纖長度L=3 m，并記錄在不同泵浦功率下激光器輸出功率的值，其數據如表1所示。

表1 輸出功率與輸出耦合比的關系

圖7中的點為實驗測量數據，曲線為實驗數據的擬合曲線。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。當采用具有最佳分光比的耦合器時，同樣的泵浦功率會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，腔內激光振蕩強度將減弱，以致停止振蕩。

圖7 輸出功率與輸出耦合比的關系

5 結 語

本文通過對由不同長度的摻鉺光纖和不同分光比的耦合器構成的光纖環形腔激光器的輸出特性分別進行理論和實驗研究。通過理論分析，得出激光器的輸出功率、斜率效率與摻鉺光纖的長度、耦合器的分光比有關，且存在最佳值的結論。最后通過實驗得出最佳的摻鉺光纖長度為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。這對摻鉺光纖激光器的優化設計和使用具有指導意義。

參考文獻

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作者簡介

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、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。