单频DBR和DFB光纤激光器综述

　　　　　　　　　　　　JOURNALOFOPTOELECTRONICS LASER　Vol.9　No.4　Aug.

　　　　　　光电子 激光　第9卷　第4期1998年8月

1998

单频DBR和DFB光纤激光器综述

张劲松　裴　丽　魏道平　赵玉成　简水生

(北方交通大学光波所,北京100044)

　　　　　　　　摘要　综合报导近年来单频DBR,DFB光纤激光器研究进展,并阐述了各种光纤激光器的机理,实验装

置和研究结果。

关键词　单频光纤激光器;分布反馈;分布布拉格反射;空间烧孔效应;模式跳跃

TheSurveyofSingle-frequencyDBRandDFBFibreLasers

ZhangJingsong　PeiLi　WeiDaoping　ZhaoYucheng　JianShuisheng

(InstituteofLightwaveTechnology,NorthernJiaotongUniversity,Beijing100044)

Abstract　Therecentdevelopmentofsingle-frequencyDBRandDFBfibrelasersissurveyed,theprinci-ple,theexperimentalarrangementandtheresearchresultsofdifferentfibrelasersarealsodiscussed.Keywords　single-frequencyfibrelasers;distributedfeedback(DFB);distributedBraggreflector(DBR);spatialholeburning;modehops

1　引言

　　窄带,单频(单纵模)激光光源在光通信,传感,光谱学等领域有着广泛的应用。虽然早在1961年Elias

Snitzer就发现了钕掺杂玻璃包层波导中的激光现象

[1]

2　DBR光纤激光器

　　DBR光纤激光器的基本结构如图1所示。

,但以前人们主要使用半导体激光器。80年代中

期,由于英国南安普顿大学对掺铒光纤的研究取得突破性进展,光纤通信系统对直接光放大的迫切需求,以及90年代紫外写入光纤光栅等技术的日益成熟,且因为其与光纤的兼容性好,制作简便,波长选择容易,线宽窄,抗电磁干扰,稳定性高等优点,光纤光栅激光器愈受重视,得到大量研究并取得长足的发展。为了克服

增益介质的空间烧孔效应而实现单模运转,一种方案是环形光纤激光器

[2,3]

图1　DBR光纤激光器结构示意图Fig.1　SchematicdiagramofDBRfiberlaser

　　1990年R.Kashyap等首次将光纤光栅应用于光纤激光器以增强模式选择性。1.5μm单频DBR光纤

激光器首先由美国联合技术研究中心的G.A.Ball等利用掺铒光纤得以实现[7～9]。文献[7]在掺铒光纤两端紫外写入Bragg光栅构成0.5m的谐振腔,掺铒光纤芯径5μm,Δn=0.021,两Bragg光栅的反射率分别为72%,80%(18nm);用980nmTi:sapphire激光器作泵浦源,泵浦光与掺铒光纤的耦合效率约为49%;实验观察到18nm的激光输出;泵浦功率较低时,输出激光与被吸收泵浦光功率之比的斜率效率为27%;当输出激光功率达到4mw时,斜率效率显著下降,输出激

[6]

,但常发生模式跳跃,较DBR,

DFB光纤激光器严重,因为所用掺铒光纤较长(几米或几十米),模式间隔小,且需要一些价格昂贵的元件。另一种就是线形光纤光栅激光器,少数落在光栅反射

带宽内的纵模由于模竞争而最终实现单模输出。本文仅对结构简单,费用较少但仍有高质量激光输出的线形DBR,DFB光纤激光器(1.5μm)方面的研究工作作一综述,而对相对复杂的环形,Fox-Smith复合腔[4],耦合腔[5]等光纤激光器等不予讨论。　　收稿日期:

1997-08-16

　第4期　　张劲松等:单频DBR和DFB光纤激光器综述

·353·

双模振荡及模式间的能量交换,模式间隔0.07nm(5.

9GHz),与理论一致[14]。3.6cm长啁啾光栅DFB激光器输出功率5.4mW,线宽小于15kHz,斜率效率17%,泵浦阈值功率21mW。W.H.Loh等也进行了类似的研究,他们报道了10cm长1.55μm单频相移DFB掺铒光纤激光器[15],线宽小于13kHz,输出功率1mw。

光峰值功率约5mw,且利用Fabry-Perot频谱分析仪

证实了光纤激光器的单纵模运作,线宽小于47kHz。文献[8]在掺铒光纤两端紫外写入Bragg光栅构成10cm的谐振腔,两Bragg光栅的反射率相同均为95%,光纤端面磨成10°角以避免端面反射影响单模激光器运行,同时利用PZT轴向拉伸光纤光栅实现输出频率的连续调谐,调谐范围约9GHz,在调谐过程中没有模式跳跃发生,但其代价是输出功率仅100μW,斜率效率低。文献[9]和[10]基于速率方程理论和模耦合理论,经过一些近似处理,得到DBR光纤激光器单模运转的条件,并对具体参数进行了设计,理论预期与实验符合较好,他们的工作为实际设计制作单模光纤激光器提供了理论指导。

　　其他一些小组也进行了这方面的研究。为了获得更稳定的单模运行,J.L.Zyskind等制作成功谐振腔仅2cm和1cm长的DBR光纤激光器[11],输出功率仅分别为181μW,57μW;线宽由于频谱分析仪分辨率的没有精确地测出,还观察到自脉动现象。M.Ibsen等研制出取样Bragg光栅DBR光纤激光器[12],利用拉伸光纤光栅实现输出波长的连续调谐,调谐范围达16.7nm。

3　改进方案

　　DBR,DFB光纤光栅激光器面临的问题有:由于谐振腔较短,导致对泵浦的吸收效率低及斜率效率低,谱线较环形激光器要宽;三能级系统固态激光器普遍存在的自脉动行为对光纤激光器亦不例外;模式跳跃现象。为了解决这些困难,科研工作者们提出如下改进方案　　3.1　采用Er:Yb光纤作增益介质(但目前国内不易买到)。Yb3+离子起着吸收1μm附近的泵浦光,然后迅速将能量转移给Er离子以实现1.5μm区域光放大的作用。由于Yb离子有较大的吸收截面且可实现高浓度掺杂(与Er3+离子比较),因而Er:Yb光纤的对泵浦光吸收能力比普通掺铒光纤高三个数量级。另一优点是Yb离子在1μm附近的吸收带较宽,可以吸收0.98μm～1.06μm的泵浦光。Er:Yb光纤激光器于1993年由J.T.Kringlebotn等[16]第一次展现在人们面前。Er:Yb光纤一端与光纤光栅(Bragg波长14.8nm,反射率40%,带宽0.09nm)熔接,这造成0.6dB的损耗;另一端与二向色镜(泵浦光的透射率97%,激光的反射率近100%)相对接而构成谐振腔(腔长10cm),得到了7.6mw的输出激光(15nm),线宽小于1MHz,输出激光与入射泵浦光功率之比的斜率效率约为10%,泵浦(980nm)阈值功率为7mw。实验中没有自脉动行为,但受环境变化的干扰偶有模式跳变。1994年J.T.Kringlebotn等的工作进一步提高。这次采用更有效的Er:Yb光纤(ND844),Er:Yb光纤与光栅的熔接损耗降至0.12dB,腔长约为3cm,实验结果阈值功率为4mw,输出激光与入射泵浦光功率之比的斜率效率约为22%。　　3.2　W.H.Loh等[18]提出采用腔内泵浦方式提高输出功率。实验装置如图3所示。Ti:sapphire激光器(924nm)对掺Yb光纤激光器起一级泵浦作用,掺Yb光纤激光器(975nm)对DFB激光器起二级泵浦作用。由于掺Yb光纤在900nm附近有一吸收峰[19],能有效地吸收924nm泵浦光,以及位于975nm光栅(峰值反射率99.8%)构成的谐振腔内的DFB能充分地吸收975nm二级泵浦光,故与通常的泵浦方式相比,实验结果腔内泵浦方式输出功率提高了2倍。

[17]

3+

3+

3+

3　DFB光纤激光器

　　DFB光纤激光器基本结构如图2所示。

图2　DFB光纤激光器结构示意图Fig.2　SchematicdiagramofDFBfiberlaser

　　DFB光纤激光器优越于DBR光纤激光器之处主

要是只用一个光栅来实现光反馈和波长选择,因而频率稳定性更好,还避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。但是,虽然可以直接将光栅紫外写入掺铒光纤,因为纤芯含Ge少或没有,光敏性差,所以DFB光纤激光器实际制作并不容易。而DBR光纤激光器则可以将掺锗光纤光栅熔接在掺铒光纤的两端构成谐振腔,制作更为简便。

　　众所周知,因为Bragg波长区域存在禁带,均匀光栅DFB光纤激光器不能实现单频输出。为了获得稳定的单频运行,一种方法是在均匀光栅中引入c/2相移,另一方法是啁啾光栅DFB激光器。M.Sejka等成功地制作了这两种单频DFB掺铒光纤激光器。在没有引入c/2相移之前,他们观察到均匀光栅DFB激光器[13]

·3·

光电子 激光　　1998年　第9卷　

寿命等,使之尽快达到实用化水平,与其它各种激光器一起迎接二十一世纪的到来。参　考　文　献

图3　腔内泵浦DFB光纤激光器实验装置图Fig.3　ExperimentalconfigurationforintracavitypumpedDFBfiberlaser

1　E.Snitzer.Phys.Rev.Lett.,1961,7:444

2　K.Iwatsuki,H.Okamura,andM.Saruwatari.Wave-length-tunablesingle-frequencyandsingle-polarisationEr-dopedfibreringlaserwith1.4kHzlinewidth.Elec-:2033tron.Lett.,1990,26

3　A.Gloag,N.Langford,K.McCallionandW.Johnstone.

Continuouslytunablesingle-frequencyerbiumringfiber

laser.J.Opt.Soc.Am.B,1996,13(5):921

4　P.Barnsley.FiberFox-Smithresonators:Applicationto

single-longitudinal-modeoperationoffiberlasers.J.:1339Opt.Soc.Amer.A,1988,5

5　S.L.Gibert.Frequencystabilizationofatunableerbium-dopedfiberlaser.Opt.Lett.,1991,16:150

6　R.Kashyap,J.R.Armitage,R.Wyatt,S.T.Davey,and

D.L.williams.All-fibrenarrowbandreflectiongratingsat1500nm.Electron.Lett.,1996,26(11):730

7　G.A.Ball,W.W.MoreyandW.H.Glenn.Standing-wavemonomodeerbiumfiberlaser.IEEEPhoton.Tech.Lett.,1991,3(7):613

　　3.3　主振荡器和功率放大器(MOPA)一体化提高输出功率。G.A.Ball等的有关实验(如图4所示)

得到功率60mw,斜率效率41%,1.5μm的激光输出。同时采用有源反馈噪声抑制技术,输出激光噪声较小,CW状态下弛豫振荡区域100kHz至2MHz范围内的相对强度噪声RIN≤-100dB/Hz,宽带RMS≈0.39%。

[20]

图4　MOPA实验装置示意框图Fig.4　Blockdiagramforthemaster

oscillatorpoweramplifier

8　G.A.Ball,andW.W.Morey.Continuouslytuneablesin-gle-modeerbiumfiberlaser.Opt.Lett.,1992,17(6):4209　G.A.Ball,andW.H.Glenn.Designofasingle-modelin-ear-cavityerbiumfiberlaserutilisingBraggreflectors.J.LightwaveTech.,1992,10(10):1338

10　G.A.Ball,W.H.Glenn,W.W.MoreyandP.K.Cheo.

Modelingofshort,singlefrequency,fiberlasersinhigh-gainfiber.IEEEPhoton.Tech.Lett.,1991,5(6):911　J.L.Zyskind,V.Mizrahi,D.J.DiGiovanniandJ.W.

Sulhoff.Shortsinglefrequencyerbium-dopedfibrelaser.Electron.Lett.,1992,28(15):1385

12　M.Ibsen,B.J.Eggleton,M.G.SceatsandF.Ouellette.

BroadlytunableDBRfibrelaserusingsampledfibreBragggratings.Electron.Lett.,1995,31(1):3713　M.Sejka,P.Varming,J.HubnerandM.Kristensen.

DistributedfeedbackEr3+-dopedfibrelaser.Electron.Lett.,1995,31(17):1445

14　H.KogelnikandC.V.Shank.Coupled-wavetheoryof

distributedfeedbacklasers.J.Appl.Phys.,1972,43

(5):2327

15　W.H.LohandR.I.Laming.1.55μmphase-shifteddis-tributedfeedbackfibrelaser.Electron.Lett.,1995,31

(17):1440

16　J.T.Kringlebotn,P.R.Morkel,L.Reekie,J.L.Ar-chambault,andD.N.Payne.efficientdiode-pumpedsingle-frequencyerbium:ytterbiumfibrelaser.IEEE

　　3.4　利用共振泵浦抑制自脉动。自脉动行为是三能级系统固态激光器普遍存在的现象,通常是不受欢迎的,尤其是要求激光器低噪声运行时。研究表明[21,22],掺铒光纤激光器的自脉动与离子高掺杂浓度(导致离子对,离子团的形成)有关,但高掺杂浓度对单频短腔DBR,DFB光纤激光器的稳定和有效运转又是必须的。W.H.Loh基于简单的基态成二Stark能级模型,从理论上提出共振泵浦可以有效抑制自脉动。他们认为由于共振泵浦对增益的,导致持续自脉动的反转离子数大偏移可以有效地消除。并且还通过实验得到证实,在用1510nm泵浦替代980nm泵浦的实验中,作为高阈值泵浦功率的回报,不仅自脉动得到有效的抑制,相对强度噪声峰值也由-77dB/Hz下降到-90dB/Hz。

[24][23]

4　展望

　　如上所述,单频DBR,DFB光纤光栅激光器近年来得到迅猛的发展,但仍然处于实验室研究阶段。未来的任务是努力提高单频激光器的斜率效率和输出功率,减小线宽,增强稳定性,优化设计,降低成本,延长　第4期　　张劲松等:单频DBR和DFB光纤激光器综述

Photon.Tech.Lett.,1993,5(10):1162

17　J.T.Kringlebotn,J.L.Archambault,L.Reekie,J.E.

Townsend,G.G.VienneandD.N.Payne.Highlyeffi-cient,low-noisegrating-feedbackEr3+:Yb3+codoped

fibrelaser.Electron.Lett.,1994,30(12):972

18　W.H.Loh,B.N.Samson,Z.E.HarutjunianandR.I.

Laming.Intracavitypumpingforincreasedoutputpow-erfromadistributedfeedbackerbiumfibrelaser.Elec-tron.Lett.,1996,32(13):1204

19　H.M.Pask,R.J.Carman,D.C.Hanna,A.C.Tropper,

C.J.Mackechnie,P.R.BarberandJ.M.Dawes.Ytter-bium-dopedsilicafibrelasers:versatilesourcesforthe1-1.2μmregion.IEEEJ.Sel.TopicsQuantum.Elec-tron.,1995,1:2

20　G.A.Ball,C.E.Holton,G.Hull-AllenandW.W.

Morey.60mW1.5μmsinglefrequencylow-noisefiberlaserMOPA.IEEEPhoton.Tech.Lett.,1994,6(2):192

·355·

21　F.Sanchez,P.LeBoudec,P.L.FrancoisandG.

Stephan.Phys.Rev.1993,A48:2220

22　F.Sanchez,M.LeFlohic,G.M.Stephan,P.LeBoudec

andP.L.Francois.IEEEJ.QuantumElectron.1995,

31:481

23　W.H.Loh.Suppressionofself-pulsingbehavioriner-bium-dopedfiberlaserswithresonantpumping.Opt.Lett.,1996,21(10):73424　W.H.LohandJ.P.deSandro.Suppressionofself-puls-ingbehaviorinerbium-dopedfiberlaserswithresonantpumping:experimentalresults.Opt.Lett.,1996,21(18):1475

张劲松　男,1969年11月出生于湖北蕲春。1990年于上海复旦大学物理系获理学学士学位,1996年于武汉大学物理系获理学硕士学位,现在北方交通大学光波技术研究所攻读博士学位。主要从事光纤光栅,光纤激光器等方面的研究。