激光器件

摘要

微结构光纤，也称光子晶体光纤或多孔光纤，是最近几年刚兴起的一种十分引人注目的新型硅玻璃光纤，其沿光纤轴向按照一定规律分布着延伸的空气孔，从光纤横截面上看，这些空气孔呈二维周期性结构分布，中心的空气孔周期被破坏而形成缺陷(纤芯)，光可以沿中心的缺陷传输。微结构光纤根据导光机制的不同可分为两种:全内反射型微结构光纤和光子带隙型微结构光纤。前者与普通光纤的导光机制相同，纤芯折射率高于周围多孔介质的有效折射率，形成全内反射型波导结构把光在纤芯中传输。而光子带隙型微结构光纤的导光机制则完全不同，它是由光纤包层横截面的折射率规则的周期分布，出现光子带隙效应，从而把某些频率的光在纤芯中传输。由于空气孔的大小，间距和排列方式的灵活多变，赋予微结构光纤许多“奇异’，性能如带宽无限的单模传输特性、大芯径单模传输特性侧、近乎理想的色散可控性、丰富而强烈的非线性效应及非线性可控性、超强的双折射效应等。基于这些优异的性能，微结构光纤不仅可能成为比普通光纤更加优异的光传输介质，而且可以用来制作各种前所未有的、新奇的光电子器件。这使得它在新一代光纤通信系统及许多重要领域如飞秒激光的压缩与产生、各种气体性质研究、光纤激光器件等方面具有非常广阔的应用空间。由于微结构光纤具有普通光纤所不具有的一些特性，通过稀土掺杂等手段，作为增益介质应用到光纤激光器和光纤放大器中，有可能研制出比目前光纤激光器件性能更加优异的新一代微结构光纤激光器件。本文结合国际上在微结构光纤激光器件方面的最新研究进展情况，对微结构光纤在光纤激光器件方面的应用和特性进行了详细地概述。 关键字：光纤激光器：微结构光纤

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摘要...................................................................I 一、微结构增益光纤及其特点.............................................1

1、微结构光纤比普通光纤更容易做成大(小)模场面积的单模光纤 ..........1 2、微结构光纤比普通光纤可以做到更大的数值孔径 ......................2 3、微结构光纤比普通光纤可以做到更高的非线性 ........................2 二、微结构光纤激光器件的理论分析和实验研究.............................4

1、微结构光纤激光器件的理论分析方法 ................................4 2、低泵浦功率和高效、高性能的掺饵微结构光纤激光器件 ................5 3、高功率的掺镜微结构光纤激光器件 ..................................5 4、短长度、紧凑和高效的微结构拉曼光纤激光器件 ......................8 参考文献...............................................................9

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一、微结构增益光纤及其特点

光纤激光器和光纤放大器一般是由增益介质、泵浦源、输入输出藕合结构等组成。根据增益介质的不同，主要有两类光纤激光器件。一是采用活性介质，利用受激辐射机制实现光的直接放大。二十世纪80年代，人们发现，在硅基的导波光纤芯子中掺入某些微量元素，即可使光纤出现改性，使其由被动性传输介质变为主动性传输介质例如，在硅基光纤芯子中掺入少量的等稀土离子，传输介质即可变为激光介质，因此可用来制作出各种稀土掺杂的光纤激光器和放大器。不同稀土掺杂离子具有不同的受激辐射频谱，从而可实现不同波段的放大。例如掺饵光纤可实现1530nm波段约40nm带宽范围内光的放大哪，掺镜光纤可实现1060nm波段几十纳米内信号光的放大。另一种是基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，光纤拉曼激光器件即属于该类。光纤的拉曼增益范围宽达40THz。并在13THZ附近有一较宽的主峰，只要泵浦光的波长适当，利用光纤的拉曼散射效应可实现光纤整个低损耗区波段(1270~1670nm)的信号光的放大。微结构光纤同普通光纤一样，通过在纤芯区域掺杂稀土离子，稀土掺杂增益光纤，以其为增益介质的激光器件为稀土掺杂微结构光纤激光器件，而利用微结构光纤的拉曼散射效应可制成微结构光纤拉曼激光器件。由f微结构光纤独特的结构特点，作为增益介质较普通光纤具有如下几个显著的特点。

1、微结构光纤比普通光纤更容易做成大(小)模场面积的单模光纤

众所周知，光纤中传导的模式数量由归一化频率V决定。对于普通单模光纤，其单模条件是

VSTF()2a(n2CCn2CL)1/22.405其中nCO和nCL分别是光纤纤芯和包层的折射率，a是纤芯直径，入是波长对于普通光纤，要使模场面积

增大(减小)，需要增大(减小)纤芯，为了维持单模传输，由上式可知，光纤的

221/2NA(nCOnCL)数值孔径必然减小(增大)，光纤材料和制造工艺上所能达到的最小(最大)折射率差了模场面积的进一步增大(减小)。 对于微结构光纤，其单模条件与普通光纤类似，可定义为：

VPCF()2A(n2COn2CL)1/2 1

其中A是空气孔的间距。微结构光纤的纤芯与包层的折射率差不是由材料决定，而是由空气孔的大小及分布情况所决定，通过改变空气孔的大小、间隔和分布情况不但可以精确而灵活的控制纤芯与包层的折射率差，而且该折射率差可以在很大的范围内变化;另外，微结构光纤与普通光纤不同的一点是，当波长入小于空气洞的间距时，包层有效折射率强烈依赖于波长，随着波长的减小，纤芯和包层的有效折射率差也相对减小，从而使V接近一个常数，此时微结构光纤具有带宽无限的单模传输的独特特性。因此，微结构光纤可以同时做到大(小)模场面积和宽波长带宽内保持单模特性。目前，在1060nm，模场面积为350m的大模场面积微结构单模光纤

2已经拉制成功并应用到激光器件中，在1550nm，微结构光纤的模场面积可以小到1。7m。

2利用大模面积光纤的稀土掺杂激光器件，可以减小所用增益光纤的长度，降低非线性效应，从而使具有高峰值功率光纤激光器和放大器系统的性能得到很大的改善。而利用小模场面积的稀土掺杂激光器件，由于更好的限光能力，可以很大程度的降低所用泵光的功率，因此，可以实现低阑值、低泵浦功率的高效激光器件。 2、微结构光纤比普通光纤可以做到更大的数值孔径

NA(n2COn2CL)1/2光纤的数值孔径表示为

由于微结构光纤的纤芯与包层的折射率差是由空气孔的分布情况所决定，它使得纤芯和包层可以做到很高的折射率对比度。目前，数值孔径高达0.8的微结构光纤，这对于普通光纤是难以想象的。高数值孔径光纤用于激光器件中，可以在光纤孔径不大的情况下，接受更多的泵浦光，一方面使泵浦光藕合更容易，另一方面又有利于改善泵浦光的吸收效率。

3、微结构光纤比普通光纤可以做到更高的非线性

2n2Aeff描述光纤非线性特性的有效非线性系数可以表示为

-202其中n2是材料的非线性系数，对于纯硅材料，n22.210m/W。Aeff为有效模场面积，入是自由空间的光波长。由上式可知，要增大有效非线性系数，，有两种方法，即增大材料的非线性系数n2和减小光纤的有效模场面积志。纯硅材料不是高

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非线性材料，对厂我们目前使用的CorningSMF28普通单模光纤，其有效非线性系数只有1Wkm。通过掺杂及优化设计光纤各种参数，该值最大也只能做到20W1km-1。包层和纤芯材料所能得到的最大折射率差了其有效模场面积的进一步减小和非线性系数的进一步提高而微结构光纤则不同，如前所述，通过灵活调整包层中空气孔的大小、形状、多少及分布情况，可方便的改变包层有效折射率，从而设计成小模场面积的微结构光纤，可提供比传统光纤的每单位长度高10~100倍的非线性系数，而且同时还能保持宽波长范围的单模特性。目前，在1550nm有效

W-1km-1的纯硅微结构光纤已有出售。其模场直径只有1um。如果非线性系数高达631-1通过掺杂等手段，提高材料的非线性系数，该值可进一步提高。

利用高非线性微结构光纤，可使非线性设备所用的光纤长度大幅度缩短或所需的泵光功率强度减小，例如最近报道的一个基于自相位调制的非线性光开关只用了3.3m的微结构光纤，而用传统光纤则需要1km。而最近报道的第一个微结构光纤拉曼放大器、只用75m长的微结构光纤，得到了大于42dB的信号增益。由此可见，这种高非线性微结构光纤为开发新一代具有紧凑、高效的光纤非线性设备提供了可能。 4、性能优异的微结构双包层光纤

双包层光纤是一种具有特种结构的光纤，它比普通光纤增加了一个内包层，其横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯，包绕在单模纤芯外围，将激光辐射在纤芯内;泵光在内包层中传输，可多次经过纤芯，增加了泵浦长度，泵浦效率大大提高。目前所见报道的激光转换效率最高已达80%。同时，可对双包层光纤采用包层、多模、并行泵浦技术，由于泵光入射面积的增加，允许采用多个多模大功率的半导体激光器作泵源，可将连续激光输出提高到几十瓦甚至上千瓦的量级，目前用双包层掺YB石英光纤制成的光纤激光器，已在1100nm波长上实现了110w的连续激光输出。国内，利用全国产的器件，也已实现了输出功率为瓦量级的高功率激光输出。包层泵浦技术与调Q技术相结合可以得到高脉冲能量、高峰值功率的短脉冲光纤激光器。据报道，包层泵浦调口光纤激光器的脉冲能量已达mJ量级，峰值功率高达kw量级。这种高功率、高能量包层泵浦光纤激光器在光通信、光传感、航空航夭、生命科学、精密仪器加工等领域应用非常广泛。

同祥，可以把双包层和包层泵浦的概念移植到微结构光纤中，研制双包层的微结构光纤和高功率包层泵浦的微结构光纤激光器件不同的是，微结构光纤的两个包

3 3

层都是由空气孔组成，内包层为有效折射率较高的小空气孔分布，外包层为有效折射率较低的大空气孔分布。由前面所述，由于微结构光纤能通过改变空气孔的大小及分布状况，灵活而精确的控制有效折射率，使得它较普通光纤更容易做成大模场面积和大数值孔径光纤。双包层光纤可以把两个特性集于一身，即将纤芯做成大模场面积，内包层做成大数值孔径。高数值孔径内包层保证了在包层孔径不大的情况下，接收更多的泵浦光，不但使泵浦光藕合更容易，而且可以增加光纤纤芯与内包层的面积比，将大大改善泵浦光的吸收效率。同样，大模场面积的纤芯保证了高功率的激光在光纤中传输时，不受非线性效应的影响，从而保证了激光器有更高的激光输出性能。因此，这种双包层的微结构光纤在高功率激光器件应用方面具有更优异的性能。

二、微结构光纤激光器件的理论分析和实验研究 1、微结构光纤激光器件的理论分析方法

由于微结构光纤的结构比较复杂和多样化，为了清楚和全面的了解具有不同结构和参数的微结构光纤及微结构光纤激光器件的各种特性，理论分析是非常必要和重要的。日前，已经发展了许多分析微结构光纤的模型，如最常用的全矢量数值方法包括平面波展开方法、局域函数法、多级方法、超晶格法、有限差分法、有限单元法以及基于有限差分或有限单元法的光束传播法（BPM）等等。利用这些全矢量数值方法进行微结构光纤传导模式分析通常采用的步骤可以归结为：从电磁场的矢量波动方程的特征值问题入手，通过把所求的电场或磁场在频域或时域中展开，使问题转化为代数特征值方程组进行求解。这几种方法各有特点，简繁程度不同，可根据微结构光纤的结构特点和应用场合选择合适的模型。利用这些分析方法，结合放大器和激光器的理论分析模型，可以用来全面分析微结构光纤激光器件的特性并进行优化设计，图1是分析微结构光纤激光器和放大器的理论分析方法和过程框图。微结构光纤与普通光纤的最本质区别在于光束在光纤中传输的模场分布不同，在普通单模光纤中传输的光场分布可以简单的等效成LP01模分布或高斯场分布，而对于微结构光纤则不同，不同的结构具有不同的光场分布。因此，必须先利用微结构光纤的分析方法进行数值求解计算，得到光纤中所有光束的场分布，然后将这些场分布代入分析普通光纤激光器和放大器的速率方程和功率传播方程中，接着利用光纤厂家提供的光纤参数和边界条件数值求解该速率方程和功率传播方程，最后得到光

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纤激光器件的增益、噪声等各种特性。

2、低泵浦功率和高效、高性能的掺饵微结构光纤激光器件

微结构光纤灵活多变的空气孔分布和可以得到更大的包层和纤芯折射率对比度，使`自可以具有更小的模场面积，这使设计低泵浦功率的微结构掺饵光纤放大器成为可能。在具有优化的空气孔间距和空气孔直径的情况下，所需的泵浦功率存在最小值，空气孔直径越大，该最小值越小，例如在空气孔直径为0.5A时(A为空气孔间距)，得到15dB增益所需的最小泵浦功率为1.13mW，在空气孔直径为0.8A时，该值仅为0.69mW这是因为空气孔直径与孔间距的比值越大，微结构光纤的限光能力越好，模场面积越小，单位面积上光强度增强，因此需要更小的泵浦功率。

在稀土掺杂光纤激光器和放大器中，重叠积分因子是一个非常重要的物理量，它描述在光纤中传播的光场与主动掺杂离子之间的相互作用程度，信号光和泵浦光的重叠因子决定着放大器或激光器的效率，其值越大越好。微结构光纤的结构多样性使它有可能设计成大重叠积分因子的掺杂光纤。

3、高功率的掺镜微结构光纤激光器件

在稀土掺杂激光器件中，由于镜离子具有能级简单，制造高浓度离子掺杂光纤容易，功率转化效率高等优点，成为人们最先研究的激光器件。2000年，英国Bath大学的wadsworth和Knight等第一个实验报道了连续波的掺镜光子晶体光纤激光器。

2001年，英国的南安普顿大学研制成功高非线性和具有反常色散的保偏掺德光子晶体光纤。该光纤的掺杂部分也为镜铝离子共掺，德的掺杂浓度达2000PPm，椭圆状纤芯，孔间距2.7um，空气填充率70%，在波长1550，nm处拍长0.3mm，零色散波长低于1um。并用它进行了第一个锁模光子晶体光纤激光器的实验，其所用光纤横截面形状和实验装置。泵浦光经对泵光高透的二向色镜透

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射，由透镜L1祸合进入掺稳光子晶体光纤，高反射镜HR与光子晶体光纤的端面形成F-P激光谐振腔，声光可调谐滤波器AOTF有频移、滤波和偏振态选择三个作用，信号光在腔内经AOTF多次频移反馈实现锁模，半波片用于准直光子晶体光纤与声光调制滤波器的光轴，透镜LZ用于将从高反镜HR反射的信号光更好的重新藕合入光子晶体光纤，最后形成的激光由二向色镜DM反射输出。实验中所用光纤长度为lm，泵源为波长为966nm的单模半导体激光器，最大输出功率为140mw，藕合入光纤中的效率为25%。实验得到了波长1038nm，平均功率大于17mw，15Ps的锁模脉冲，激光器的斜率效率为、75%;激光阐值为~5mw;另外，通过改变加在声光滤波器上的射频频率实现了从1030、1050nm的波长调谐。

这两篇报道的激光器所用的光子晶体光纤的纤芯都比较小，当激光器的功率较大时，由于纤芯中单位面积光强度较大，由于光子晶体光纤空气孔包层结构影响散热，很容易由于热膨胀而损坏光纤，实验中已经发现在小芯、大空气孔填充率的光纤中，当功率大于100mlw时就出现了光纤损伤。为了避免这种情况需要微结构光纤具有大模场面积。同时人们也把双包层光纤和包层泵浦的概念应用到微结构光纤中来了，用于研制高功率的掺镜微结构光纤激光器件。

Furusawa和Malniwoksi等报道了第一个双包层光子晶体光纤和包层泵浦的光子晶体光纤激光器。文中报道的双包层光子晶体光纤的电子扫描图像图(sa)为该光

纤内包层为5个圆环的小空气孔，外包层为2个圆环的大空气孔，为了打破包层的对称性从而增强泵浦吸收，该光纤的纤芯偏移了一个环。该光纤的内包层数值孔径为0.3、0.4，空气孔直径d=2.71um，空气孔间距A=9.7um，光纤外径为175um。该光纤在1047nm波长处的模场直径为12.3um，模场与掺杂区域的重叠积分因子约为60%。利用该光纤进行激光器实验的实验装置采用由二向色镜和光纤端面的非涅尔反

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射构成的F-P谐振腔结构，藕合方式为透镜藕合，藕合效率约为70%。图8(b)是其得到的激光输出功

率随吸收的泵浦功率变化的实验特性曲线，当用单模976nm泵浦4.5m光纤时得到的曲线为图中实心圆表示的曲线，其斜率效率为82%。图中另一条曲线(方块)表示的是915nm多模激光器包层泵浦的实验曲线，斜率效率为70%，激光器的最大输出功率大于lw，在如此大的功率下没有因为热问题使光纤损伤。

Wadsworht等利用一个纤芯直径为15um，内包层数值孔径大于0.8，外包层形状为六边形的大模面积和大数值孔径的双包层光纤，在输入泵浦功率为20w时，得

到了3.9w的高功率输出。

Limpert和Shcerbier等实现了输出功率高达80w的光子晶体掺镜光纤激光器。该激光器所用双包层微结构光纤的电子扫描图像如图9(a)所示。该光纤的内包层由孔直径d=2um，孔间距A=11.5um的六角点阵形的小空气孔组成，其数值孔径为0.55。为了实现大模场面积，在光纤拉制过程中纤芯区域的三个毛细管被稳掺杂的硅棒替代，形成直径达28um的三角形纤芯，稳离子掺杂直径为9um，掺杂浓度为o.6at%，为了改善光纤的性能，还同时共掺了少量的铝和氟。光纤的外包层为六边形的大空气孔，其非圆对称形状避免了包层泵浦螺旋光的产生，从而具有更高的泵光吸收效率，其在976nm的泵光吸收系数为9.6dB/m，这远高于具有接受同等泵光强度内包层的普通大模面积双包层光纤(典型值2dB/m)。测得该光纤的模场直径为21um，模场面积为350um，这是目前文献报道的具有最大模场面积的光子晶体光纤。在利用该光纤进行的激光器实验中，采用高反射率的二向色镜和光纤端面形成的F-P谐振腔，泵浦激光器为976nm的光纤排输出，祸合方式为透镜祸合，内包层的藕合效率为55%。利用。23m的光纤，在1070nm测得的激光输出与输入泵浦功率的关系曲线如图9(b)所示，由图可见，在输入泵浦功率为105W时，得到的激光输出功率高达

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80w，激光器的斜率效率为78%，泵浦功率阂值为0.75W。在高达80W的激光输出功率时，没有观察到热光问题。最近，他们又利用图10(a)所示的另一种大模面积双包层掺镜微结构光纤实现了功率高达20w的激光输出，该光纤的纤芯直径为24um，空气孔直径为0.29um，臆离子的掺杂浓度为0.75at%，内包层具有更大的数值孔径为0.66。图10(b)是利用4m该光纤得到的激光输出特性曲线，该激光器的斜率效率为73%，在输入泵浦功率为360w的时候，得到了260w的最大输出功率，在单位长度上光纤的忍受平均功率达到了65W，没有出现热问题。他们认为只要合理设计微结构光纤，最高输出功率可以提高到几kw，这标志着微结构双包层光纤激光器已经达到并正在超越普通双包层光纤激光器的水平。 4、短长度、紧凑和高效的微结构拉曼光纤激光器件

光纤拉曼激光器件由于具有噪声低、增益带宽由泵光波长和拉曼光纤介质决定，可以实现掺杂光纤所不能放大的波段等优点，是进一步拓宽通信系统带宽以致开发光纤的整个低损耗区带宽的最具潜力和竞争力的光纤激光器件。因此，近几年成为关注和研究的热点，增益带宽大于100nm的拉曼光纤放大器已见报道。但基于目前传统光纤的拉曼放大器所用光纤长度少则几公里，多则几十公里，这不仅增加了设计拉曼光纤放大器的复杂性(尤其是对于由不同光纤组成的长度达几十公里的分布式拉曼放大器)，而且由于瑞利散射噪声的影响，了放大器系统性能的进一步提高。可以通过灵活调整包层中空气孔的大小、形状、多少及分布情况，可方便的改变包层有效折射率，从而设计成小模场面积的微结构光纤，可提供比传统光纤的每单位长度高10、100倍的非线性系数，这使得开发新一代短长度的紧凑、高效的光纤拉曼放大器提供了可能。2002年，Yuosff和Lee等报道了第一个微结构光纤拉曼放大器，他们利用波长1536nm的高功率光纤脉冲激光器做泵源，只用75m长的在波长1550nm有效模场面积为的纯硅微结构光纤，在入纤泵浦峰值功率为6.7W时，得到了大于42dB的信号增益，噪声系数为6dB。其后，在0FC2002上，Nisslno和eslvas等第一次报道了连续波泵浦的波长在1060nm的微结构光纤拉曼激光器，该激光器的阈值为5W，斜率效率70%。2003年，Fuochi和Poil等从理论上详细研究了具有三角形空气孔排列的光子晶体光纤的参数选择对光纤有效模场面积和拉曼增益系数的影响，并首次理论研究了纤芯掺锗光子晶体光纤的拉曼增益特性。这些研究表明，高非线性的微结构光纤为开发新一代紧凑高效光纤拉曼激光器和放大器提供了另一

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条非常好的途径。对于微结构光纤拉曼放大器来说，完全有可能实现象研制集总式掺饵光纤放大器一样，于通信线路光纤分布情况进行开发和设计，它不仅具有传统光纤拉曼放大器的所有优点，还可以克服传统光纤拉曼放大器中瑞利散射影响严重、必须根据线路的实际使用光纤情况进行设计从而灵活性差等缺点。这无论对于现有光纤通信系统还是新一代以微结构光纤为主的光纤通信系统都具有非常重要的意义。

参考文献

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