环形腔掺铒光纤激光器输出特性理论与实验研究

摘 要：对由不同长度的掺铒光纤和不同分光比的耦合器构成的光纤环形腔激光器的输出特性进行了理论和实验研究。理论分析表明，激光器的输出功率、斜率效率与掺铒光纤的长度、耦合器的分光比有关，且存在最佳值。最后通过实验得到，在泵浦功率为120 mW，掺铒光纤的掺杂浓度为4 000 ppm下，最佳的掺铒光纤长度为3 m左右，最佳输出耦合比在80%附近，与理论分析基本一致。

关键词：掺铒光纤；光纤激光器；环形腔；耦合比

中图分类号：TN248 文献标识码：A

文章编号：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

光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最热门的研究课题之一。随着激光二极管泵浦技术

以及光纤材料和工艺研究的进展，适合多种不同应用目的的光纤激光器也纷呈异彩地涌现于世。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展^[1]。

掺铒光纤激光器(EDFL)以其优良的性能成为高速光通信和电缆电视光传输系统理想光源的候选者之一。掺铒光纤具有很高的增益和泵浦效率，其增益谱很宽。因此，掺铒光纤激光器有相当多的可调谐参数和选择性，在DWDM通信方面具有重要意义；他有很好的单色性和高稳定性，泵浦寿命长，平均无故障工作时间在10 kh甚至100 kh以上；而且可采用半导体激光泵浦，具有高效率、低阈值、小型化、易与传输光纤耦合等优点。这些特点决定了光纤激光器比半导体激光器有较大的优势。而掺铒光纤激光器由于其在1 550 nm波长附近有很高的增益，正对应低损耗的光纤第三通信窗口，具有广阔的前景。被认为是将来长距离、大容量的超高速光纤通信、孤子通信系统以及各类光传感系统中的理想光源。

当然，要使激光器处于最佳的工作状态，必须对激光器的主要参数和谐振腔等进行优化设计。文中首先对掺铒光纤环形激光器的主要特性参数输出功率、阈值功率与掺铒光纤长度、耦合比之间关系进行理论分析，并给出其相对应关系的理论表达式，最后通过实验给予了验证，这对掺铒光纤激光器的设计和使用具有实际的指导意义。

2 掺铒光纤激光器的基本原理

实验中所采用的环形腔光纤激光器结构如图1所示。他由波分复用器(WDM)、掺铒光纤(EDF)、隔离器(ISO)、耦合器(Coupler)以及与耦合器相连的光纤光栅(FBG)构成，泵浦源采用980 nm的半导体激光器(LD)。泵浦光经由WDM耦合进入环路，经EDF转化为波长为1 550 nm左右的光，通过隔离器传输到耦合器(Coupler)。一部分耦合至输出端，另一部分耦合到FBG，经FBG(中心波长为1 550.376 nm，带宽0.2 nm)滤波后，只有波长在1 550 nm附近的光波经过耦合器被反射回环路。由于隔离器的作用，反射光只能在环路中沿顺时针方向传播，再次经过EDF获得适当的增益后到达FBG，重复上述过程，即实现了环路振荡。当所获得的增益大于腔内损耗时，耦合器的输出端得到波长为1 550 nm的激光输出。

图1 环形腔掺铒光纤激光器结构示意图

3 理论分析

影响激光器输出功率的因素很多，泵浦功率、泵浦效率、增益介质特性、耦合器的分光比和谐振腔损耗等都会对激光器输出有影响。这里讨论掺铒光纤长度和输出耦合比对输出功率的影响。

在掺铒光纤环形腔激光器中，当腔内置隔离器时，激光器工作在行波状态，激光在阈值以上的输出功率可表示为^[2]：

其中Pi为腔内进入铒光纤的激光功率；V为腔内损耗因子，包括隔离器，偏振控制器等无源器件的损耗；R为输出耦合器的耦合系数；G为掺铒光纤的总增益。激光振荡的阈值条件为：

在激光波长λ处，腔内的光功率可表示为：

图2 输出功率与铒纤长度关系

图3 输出功率与耦合比关系

由式(6)和式(7)可得出的斜率效率和激光阈值与输出耦合器分光比的关系曲线。从图4和图5可以看出，输出耦合器分光比有一最佳值，其比值太大和太小都会令激光器的斜率效率变坏。而激光阈值在分光比较小时变化缓慢，大于一定值后将迅速增加。

图4 斜率效率与耦合比的关系

图5 阈值功率与耦合比的关系

通过以上的讨论分析可知，在一定条件下，激光的输出功率和斜率效率与EDF的长度和耦合器的耦合比有很大的关系，激光性能很好时存在一个最佳EDF长度和耦合比。为此要找最佳EDF长度和耦合比进行激光器的优化设计。

4 实验结果及分析

按照图1所示搭建实验装置，泵浦源采用上海拜安信息科技有限公司提供的PS3200系列，中心波长975.40 nm，3 dB带宽为0.31 nm，其最大输出功率为135.6 mW且连续可调；光谱仪采用日本AQ6319型光谱分析仪，最小分辨率为0.001 nm；光隔离器的隔离度为-48 dB；增益介质采用上海翰宇公司EDFL-980-HP型L-Band掺铒光纤，掺杂浓度为4 000 ppm，芯径为5.7 m；实验所采用的光纤光栅的反射波长为1 550.376 nm，反射率99.97%，反射光谱宽0.2 nm。

4.1 输出功率与EDF长度之间的关系

为了分析不同铒纤长度对激光输出功率的影响，实验中选取了1 m，3 m，4 m和10 m四种不同长度的掺铒光纤进行测试，泵浦激光器的功率固定在120 mW，耦合比为80%。测试结果如图6所示：

图6 不同长度铒纤的输出功率曲线

从图6可以看出，长度不同的掺铒光纤，其激光输出斜率效率和阈值功率明显不同。4种不同长度的掺铒光纤激光器，其中长度为3 m的激光器斜率效率最大，可知掺铒光纤的最佳长度大约在3 m左右。通过理论计算^[5]，泵浦功率在120 mW下，最佳的铒纤长度为3.2 m，实验结果与理论基本一致。上述结果都是在掺杂浓度为4 000 ppm的情况下取得的，如果掺杂浓度发生变化，则最佳长度也将发生变化。浓度增加，最佳长度缩短，浓度降低，最佳长度增加。

4.2 输出功率与输出耦合比之间的关系

实验采用耦合比分别为90∶10，80∶20，60∶40，50∶50四种耦合器进行实验，泵浦功率为120 mW，铒纤长度L=3 m，并记录在不同泵浦功率下激光器输出功率的值，其数据如表1所示。

表1 输出功率与输出耦合比的关系

图7中的点为实验测量数据，曲线为实验数据的拟合曲线。从该图可以看出，输出耦合比存在一最佳值，该最佳值大约在80%附近。当采用具有最佳分光比的耦合器时，同样的泵浦功率会得到较大的激光输出。但是如果输出分光比太大，得到的反馈太小，腔内激光振荡强度将减弱，以致停止振荡。

图7 输出功率与输出耦合比的关系

5 结 语

本文通过对由不同长度的掺铒光纤和不同分光比的耦合器构成的光纤环形腔激光器的输出特性分别进行理论和实验研究。通过理论分析，得出激光器的输出功率、斜率效率与掺铒光纤的长度、耦合器的分光比有关，且存在最佳值的结论。最后通过实验得出最佳的掺铒光纤长度为3 m左右(泵浦功率120 mW，掺杂浓度4 000 ppm)，最佳输出耦合比在80%附近，这与理论分析基本一致。这对掺铒光纤激光器的优化设计和使用具有指导意义。

参考文献

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[2]Pfeiffer T，Schmuck H，Bulow H.Output Power Characteristics of Erbium-doped Fiber Ring Lasers\[J\].IEEE Photonics Technol.Lett.，1992，4(8)：847-849.

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[6]熊伦.拉曼光纤放大器的应用与研究进展\[J\].现代电子技术，2007，30(2)：186-188.

作者简介

沈红荣 男，1982年出生，江苏吴江人，硕士研究生。主要从事光纤激光器和光纤传感的研究工作。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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