光纖激光器綜述摘要：

光纖激光器作為(wei) 光源在光通信領域已得到廣泛應用，而隨著大功率雙保層光纖激光器的出現，其應用正向著激光加工(laser oem)、激光測距、激光雷達、激光藝術成像、激光防偽(wei) 和生物醫療等更廣闊的領域迅速擴展。本文以下內(nei) 容概述了光纖激光器的原理、特點、應用及其發展前景。

一．光纖激光器的簡述

光纖激光器和放大器的研究與(yu) 應用引起了廣泛的重視和興(xing) 趣，已能製備以矽和氟化鉛為(wei) 基質的摻雜稀土金屬元素的光纖。用這些光纖製作成光源或光放大器在降低光通信係統的成本方麵具有巨大的潛力。接鉸和餌離子的光纖激光器已有多種波長的輸出，包括900nm，1060nm和1550nm等。用輸出波長為(wei) 800nm的I‘D作為(wei) 泵浦源也可以獲得光通信重要窗口波長(1550nm)的輸出。

激光輸出諾可以通過改變稀土離子所處的玻璃基質進行改變。由摻雜稀土元素離子的氟化錯光纖可以在紅外區產(chan) 生波長為(wei) 1050nm，1350nm，l 380nm和l 550nm的激光輸出，其中1350nm波長非常有價(jia) 值，因為(wei) 利用以矽為(wei) 基質的光纖要想得到這個(ge) 波長的輸出非常困難。此外，這種光纖能在2．08ftm，2．3f4m和2．7Pm的中紅外波長區產(chan) 生激光輸出也具有十分重要的價(jia) 值。這種光源可能在通信，醫學，大氣通信和光譜學方麵得到應用。

光纖激光器的輸出方式可以是連續的，也可以是脈衝(chong) 的。光纖激光器的調Q和鎖模以及亞(ya) 納秒脈衝(chong) 業(ye) 已獲得。光纖激光器可以在其整個(ge) 熒光譜範圍內(nei) 進行調節輸出。最重要的是可以獲得窄帶寬，單縱模的輸出。因此也可用於(yu) 相幹通信以及其他單色性要求較高的應用場合。光纖放大器的優(you) 越性能以及用LD作為(wei) 泵浦源實現了放大，使其在光通信係統中的應用越來越廣泛。

在過去的幾年中，光纖激光器和放大器得到了飛速的發展，世界上許多實驗室都卷入了這方麵的研究工作。這些研究工作涉及下述所提到的所有方麵。以後將會(hui) 利用可見和紅外波長區的稀土元素躍遷，發現更多的譜線以滿足各種不同的需要。光纖中的光學過程的理論和基礎研究也將進一步發展以優(you) 化其性能。

實驗研究還需要進一步器件化以及滿足實際需要。對新型光纖和諧振腔的研究還將繼續。高功率的窄脈衝(chong) 以及偏振控製，可調諧線寬輸出都是應用所需要的。與(yu) 光纖兼容的調製器和隔離器也是目前所急需的。光纖激光器的研究無疑將刺激光纖器件的發展。光纖放大器在局域的和廣域的光通信係統中應用前景廣闊，這些都需要進一步的研究。

目前有關(guan) 光纖激光器和放大器的研究大部分來自與(yu) 光通信有關(guan) 的實驗室和研究機構，因為(wei) 他們(men) 在光纖製備方麵得天獨厚，但實際上在其它領域光纖激光器和放大器的應用也初見端倪，例如光譜學，非線性光學，計量學，全息學，傳(chuan) 感器和醫學等領域，甚至在印刷和滑雪過程中。我們(men) 將會(hui) 看到，在整個(ge) 國際科技界中涉及光纖激光器的技術領域將會(hui) 越來越多。

二．光纖激光器原理　

　　利用摻雜稀土元素的研製成的放大器給光波技術領域帶來了革命性的變化。由於(yu) 任何光放大器都可通過恰當的反饋機製形成器，因此光纖激光器可在放大器的基礎上開發。目前開發研製的光纖激光器主要采用摻稀土元素的作為(wei) 增益介質。由於(yu) 光纖激光器中纖芯很細，在泵浦光的作用下內(nei) 極易 形成高功率密度，造成工作物質的能級“粒子數反轉”。因此，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成振蕩。另外由於(yu) 基質具有很寬的熒 光譜，因此，光纖激光器一般都可做成可調諧的，非常適合於(yu) WDM係統應用。

　　和半導體(ti) 器相比，光纖激光器的優(you) 越性主要體(ti) 現在：光纖激光器是波導式結構，可容強泵浦，具有高增益、轉換效率高、閾值低、輸出光束質量好、線寬窄、結構簡單、可靠性高等特性，易於(yu) 實現和的耦合。

　　我們(men) 可以從(cong) 不同的角度對光纖激光器進行分類，如根據光纖激光器的諧振腔采用的結構可以將其分為(wei) Fabry-Perot腔和環行腔兩(liang) 大類。也可根據輸出 波長數目將其分為(wei) 單波長和多波長等。對於(yu) 不同類型光纖激光器的特性主要應考慮以下幾點：（1）閾值應越低越好；（2）輸出功率與(yu) 抽運光功率的線性要好； （3）輸出偏振態；（4）模式結構；（5）能量轉換效率；（6）器工作波長等。

     三、包層泵浦器技術

　　雙包層的出現無疑是領域的一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的製作成為(wei) 現實。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦器以來，包層泵浦技術已被廣泛地應用到器和放大器等領域，成為(wei) 製作高功率光纖激光器首選途徑。圖1 (a)示出一種雙包層的截麵結構。不難看出，包層泵浦的技術基礎是利用具有兩(liang) 個(ge) 同心纖芯的特種摻雜。一個(ge) 纖芯和傳(chuan) 統的單模纖芯相似，專(zhuan) 用於(yu) 傳(chuan) 輸信號光，並實現對信號光的單模放大。而大的纖芯則用於(yu) 傳(chuan) 輸不同模式的多模泵浦光(如圖1(b)所示)。這樣，使用多個(ge) 多模二極管同時耦合至包層 上，當泵浦光每次橫穿過單模纖芯時，就會(hui) 將纖芯中稀土元素的原子泵浦到上能級，然後通過躍遷產(chan) 生自發輻射光，通過在內(nei) 設置的光柵的選頻作用， 特定波長的自發輻射光可被振蕩放大而最後產(chan) 生輸出。目前，該技術被稱為(wei) 多模並行包層泵浦技術(Cladding pumped technology)，法國Keopsys公司在該技術上形成了一專(zhuan) 利，稱為(wei) “V-Groove Technologe”。

多模並行包層泵浦技術特性決(jue) 定了該類光纖激光器有以下幾方麵的突出性能。

1、高功率

　　一個(ge) 多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個(ge) 多模泵浦二極管並行設置，即可允許設計出很高功率輸出的光纖激光器。

2、無需熱電冷卻器

　　這種大功率的寬麵多模二極管可在很高的溫度下工作，隻須簡單的風冷，成本低。

3、很寬的泵浦波長範圍

　　高功率的光纖激光器內(nei) 的活性包層摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個(ge) 寬且又平坦的光波吸收區(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類型的波長穩定裝置

4、效率高

　　泵浦光多次橫穿過單模纖芯，因此其利用率高。

5、高可靠性

　　多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來其穩定性要高出很多。其幾何上的寬麵就使得光纖激光器的斷麵上的光功率密度很低且通過活性麵的電流密度亦很低。這樣一 來，泵浦二極管其可靠運轉壽命超過100萬(wan) 小時。 目前實現包層泵浦器的技術概括起來可分為(wei) 線形腔單端泵浦、線形腔雙端泵浦、全環形腔雙包層器三大類，不同特色的雙包層器可由 該三種基本類型拓展得到。 　　OFC’2002的一篇文獻采用如圖2所示腔體(ti) 結構，實現了輸出功率為(wei) 3.8W、閾值為(wei) 1.7W，傾(qing) 斜效率高達85%的新型包層泵浦器 [1]。在產(chan) 品技術方麵，美國IPG公司異軍(jun) 突起，已開發出700W的摻鐿雙包層光纖激光器，並宣稱將推出2000W的光纖激光器。

     四、拉曼光纖激光器技術

　　拉曼光放大技術為(wei) 長距離傳(chuan) 輸提供了一種新的獲取功率預算的手段，成為(wei) 關(guan) 注焦點。對於(yu) 拉曼放大泵源，方法之一是采用多隻14XXnm泵浦器通過偏振 複用獲得拉曼泵源，但其成本相對較高且結構複雜。方法二是采用拉曼器(RFL)來產(chan) 生特定波長的大功率，目前該技術已得到相當程度的發展並形 成了商用產(chan) 品(如美國IPG、法國Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模塊)，並被認為(wei) 是用於(yu) 拉曼放大和遠泵EDFA放大應用的合理光源。

4.1 線形腔拉曼光纖激光器

　　若從(cong) 線形腔拉曼器的輸出波長來劃分，可以分為(wei) 單波長和多波長拉曼器兩(liang) 大類。不同線形拉曼器的結構基本相似，都采用布拉格光柵 作為(wei) 其諧振腔的反射鏡。就RFL所采用的有源增益介質來看，通常采用摻GeO2的摻雜作為(wei) 增益介質，最近的報道是采用摻P2O5的摻雜作為(wei) 增益介質，兩(liang) 者的區別在於(yu) 所取得的Stock偏移不同，一般，摻GeO2的摻雜為(wei) 440cm-1，而摻P2O5的摻雜為(wei) 1330cm-1，因此采用 P2O5摻雜所需要的拉曼頻率變換的次數要少，可以提高效率並降低RFL的複雜度。N.Kurukithoson等在ECOC’2001會(hui) 議中報道了 一個(ge) 采用二級拉曼變換獲得1480nm輸出的RFL實驗，其泵浦光波長為(wei) 1061nm[2]，和采用摻GeO2的摻雜的RFL相比，減少了一級拉 曼上變換。ECOC’2001的另一篇論文中報道了采用摻P製作的1480nm單波長拉曼器實現+28dBm輸出的EDFA[3]。 OFC’2001會(hui) 議中有一篇論文報道了以二級Stocks輸出的Raman光纖激光器作為(wei) 泵浦源激勵單模產(chan) 生超連續譜的實驗[4]。它由拉曼激光器和超連續(SC)腔體(ti) 兩(liang) 部分構成，其中Raman光纖激光器器工作原理圖見圖3。在摻鐿激光器的泵浦下，以摻鐠為(wei) 工作物質輸出。泵浦光為(wei) 1064nm，輸出脈衝(chong) 為(wei) 1483.4nm的（二級Stocks），輸出功率為(wei) 2.22W。

　　近期浮現出的另一種稱為(wei) 多波長拉曼光纖激光器 (MWRFL)引起了廣泛的注意，其中雙波長拉曼光纖激光器(2lRFL)和三波長拉曼光纖激光器(3lRFL)已成功演示，IPG等已開始形成產(chan) 品。

　　阿爾卡特公司在OFC’2002會(hui) 議上報道的一種可重構三波長拉曼器(3lRFL)圖4所示[5]，得到了輸出波長分別為(wei) 1427nm、 1455nm和1480nm的輸出，可用於(yu) C+L波段的拉曼放大器中。另外通過調整輸出耦合器，每個(ge) 波長的輸出功率可在50mW—400mW範圍內(nei) 可 調。整個(ge) 3lRFL的主體(ti) 部分由11隻光柵(FBG)和300米的摻P組成，並以輸出波長為(wei) 1117nm的Yb3+包層泵浦器作為(wei) 泵浦 源。其內(nei) 部的Stocks功率遷移如圖5所示。其基本的原理分為(wei) 以下三步：首先，在1117nm泵浦光的作用下，利用P2O5產(chan) 生頻移，得到1312nm 的一級Stocks分量；然後在一級Stocks的作用下，利用石英的頻移，得到1375nm的二級Stocks分量；最後，通過再次利用石英的 頻移，同時得到1427.0nm、1455.0nm和1480.0nm的輸出。應當指出，由於(yu) 各拉曼峰值相距較遠，因此，不同Stocks之間的交互 作用是不可忽視的。如圖3虛線所示，1427.0nm的Stocks分量泵浦1455.0nm和1480.0nm並使之獲得增益，同理，1312nm的 Stocks分量可使1375nm、1427nm、1455nm和1480nm獲得額外的拉曼增益。

　　OFC’2002的另外兩(liang) 篇論文報道了在泵浦光的作用下產(chan) 生四級Stocks分量的可重構Raman光纖激光器，其輸出波長均為(wei) 1428nm、1445nm和1466nm[6][7]。OFC’2001的一篇論文報道了一個(ge) 3lRFL，其輸出譜線分別為(wei) ：1427nm的譜線譜寬為(wei) 0.8nm，1455nm和1480nm的譜線譜寬為(wei) 0.4nm[8]。

4.2 環行腔拉曼光纖激光器

　　環行腔結構在技術中具有重要的地位和作用，也是構建拉曼器的另一種 重要方式。OFC’2001中的一篇論文報道了一種雙波長的環行拉曼光纖激光器(2lRFL)[9]，其結構如圖6所示。圖中，除光柵1480A的反 射率為(wei) 90%外，其他的光柵的反射率均大於(yu) 99%，拉曼A和B是長度分別為(wei) 120米和220米的色散補償(chang) (DCF)。在工作波長為(wei) 1313nm的Nd:YLF光纖激光器作為(wei) 泵浦源作用下，該器的二級Stocks波長為(wei) 1480nm和1500nm。報道的數據表明，該光纖激光器在 3.2W的泵浦下，可以獲得大於(yu) 400mW的輸出。另外通過調整光柵1480B的反射率，可以對輸出波長的功率進行控製和調整，該特性使得該類光 纖器可較好地用到增益平坦的拉曼放大中。

五、新型的光纖激光器技術

　　早期對光纖激光器的研製主要集中在研究短脈衝(chong) 的輸出和可調諧波長範圍的擴展方麵。今天，密集波分複用(DWDM)和光時分複用技術的飛速發展及日益進步加 速和刺激著多波長器技術、超連續器等的進步。同時，多波長光纖激光器和超連續光纖激光器的出現，則為(wei) 低成本地實現Tb/s的DWDM或 OTDM傳(chuan) 輸提供理想的解決(jue) 方案。就其實現的技術途徑來看，采用EDFA放大的自發輻射、飛秒脈衝(chong) 技術、超發光二極管等技術均見報道。

5.1 多波長光纖激光器

　　文獻[10]提出的一種基於(yu) 半導體(ti) 光放大器（SOA）的多波長光纖激光器如圖7所 示。圖中SOA1長度是500mm，在1522nm處提供的小信號增益為(wei) 23dB，SOA2的長度是250mm，在1530nm處可提供10.5dB的小 信號增益，兩(liang) 隻SOA均為(wei) InGaAsP/InP屋脊波導型。F-P腔的自由譜線範圍(FSR)為(wei) 47.75GHz，精細度為(wei) 8.1，損耗為(wei) 12dB。偏振控製器PC1和PC2分別用於(yu) 補償(chang) SOA1和SOA2對TE軸、TM軸的偏振相關(guan) 增益誤差。該結構在1554nm—1574nm範圍內(nei) ，實 現了波長間隔為(wei) 50GHz、50通道的多波長DWDM光源，在50通道之間最大光功率差異小於(yu) 1.6dB，消光比大於(yu) 15dB，器的線寬小於(yu) 5GHz。

　　為(wei) 獲得平坦的功率輸出譜，文獻[11]提出了一種改正型的方案如圖8所示。圖中FRM為(wei) 法拉第旋轉鏡，VOA為(wei) 可調光衰減器。由於(yu) 光反饋臂的引入，一 個(ge) 直觀的特性是可對其輸出的進行反饋監視，另外該改正型結構還可對的輸出光性能提供較大程度的改善。據報道該結構在1554.7— 1574.7nm的波長範圍內(nei) ，實現了通道間隔為(wei) 50GHz、52通道的多波長DWDM光源，且通道之間的最大光功率差異小於(yu) 0.3dB，消光比達到 32dB，器輸出的線寬為(wei) 500MHz。

　　經典 的Sagnac幹涉裝置在信息科學領域的超快速響應技術中有多種應用，其中包括：超快速光調製器的全光開關(guan) 、全光解複用、信號再生、邏輯運算、信號格式變 換以及全光波長變換等。最近，OFC’2002的一篇文獻將Sagnac幹涉裝置拓寬到器的應用[12]。該文獻報道的基於(yu) NOLM的多波長拉曼光源，在四階斯托克斯波內(nei) ，可以實現20個(ge) 波長通道輸出。在OFC’2002的另一篇論文中，報道了一種采用偏振複用拉曼泵源、F-P可調濾波器和色散補 償(chang) 組成的去偏振多波長環行腔體(ti) 拉曼光纖激光器。在由1428.2、1445.8、1463.4nm泵浦波長的拉曼泵源作用下，3dB帶寬範圍內(nei) 的輸出 波長可達到58個(ge) ，通道間隔為(wei) 50GHz。

　　目前相關(guan) 的會(hui) 議報道已指出用AWG目前最多可輸出400個(ge) 信道，每個(ge) 信道間隔25GHz（波長間隔0.4nm），輸出波長能覆蓋整個(ge) C波段和L波段。 然而這些信道的波長間隔都是固定的，是無法改變的。目前研製的器輸出的多波長信號，其信道間隔也是一定的。OFC2001會(hui) 議上報道了一個(ge) 可調諧波長 間隔的多波長輸出的光纖激光器。其原理圖見圖9。法拉弟旋轉鏡（FRM）用於(yu) 補償(chang) FRM與(yu) 偏振分束器（PBS）之間的PMD，並且能穩定前後傳(chuan) 輸方向的正 交偏振態。利用在保偏中偏振模的耦合作為(wei) 可調波長間隔濾波器。光纖激光器腔內(nei) 的偏振分束器和偏振保持及其相關(guan) 器件組成波長濾波器。當不對PMF施 加壓力時，沿偏振快軸的光分量能通過濾波器，傳(chuan) 輸與(yu) 波長無關(guan) ；當對PMF施加壓力時，在施加壓力處，偏振模產(chan) 生耦合，波長間隔就由施加壓力的位置不同而不 同。施加壓力的方式是用夾子夾住PMF的不同位置。例如在PMF的4m處施加壓力，則可得到9個(ge) 信道輸出，波長調諧範圍為(wei) 1548.2nm- 1559.9nm，波長間隔為(wei) 1.46nm。峰值功率漂移在6dB內(nei) 。當施加壓力的位置在8m處，光纖激光器輸出14個(ge) 信道波長，波長間隔為(wei) 0.73nm。

　　文獻[15]提出了另一種可調諧的器方案如圖10(a)所示，其主要的特色是波長間隔可調。圖中具有不同波長峰值的n個(ge) 光柵(FBG)采 用圖10（b）結構被安裝成FBG陣列，並級聯起來以形成多波長激射。波長的調諧通過改變光柵的周期來實現。采用四個(ge) FBG製成的FBG陣列，在初始 工作波長在1547.64、1549.21、1551.36、1554.1nm的情況下，可調諧得到波長間隔不同的四個(ge) 波長，分別為(wei) 1547.64、 1551.64、1556.60、1561.24nm。

5.2 基於(yu) 的超連續光纖激光器

　 　具有超連續譜的超短光脈衝(chong) 在TDM/WDM係統中有著重要的意義(yi) 。超短光脈衝(chong) 不但能提高TMD係統中的單信道碼率，同時其寬大的連續譜也能為(wei) WDM係統 提供眾(zhong) 多的波長信道。大部分超連續譜的產(chan) 生主要有以下兩(liang) 種方法：壓縮超短光脈衝(chong) 所得到的寬頻譜和利用器件的非線性展寬脈衝(chong) 的頻譜。

　　現在最流行的也報道得最多的是利用或光放大器的非線性產(chan) 生超連續譜。其中利用產(chan) 生寬連續譜最為(wei) 經濟實用。據報道，所采用的 類型不同，產(chan) 生連續譜帶寬也不同。比如在兩(liang) 頭粗中間拉細的特種中（見圖11）[16]，產(chan) 生的連續譜就很寬，可調諧波長範圍為(wei) 500nm-- 1600nm。泵浦源端的長為(wei) 3cm，拉細長度為(wei) 15cm，尾纖輸出端為(wei) 15cm。該連續譜在後段標準電信中輸出Raman脈衝(chong) ，可調諧波長 幅度達200nm，Raman脈衝(chong) 波長調諧範圍為(wei) 1400nm--1600nm。脈衝(chong) 頻譜帶寬為(wei) 20nm，相當於(yu) 脈寬130fs的邊帶極限脈衝(chong) 。當改變輸 入入射功率，則Raman孤子波長也發生改變。這種器就是以改變泵浦功率來改變波長。

5.3 鎖模器

　 　連續調諧多波長鎖模器一直是技術很活躍的研究領域。OFC’2001和OFC’2002中多篇論文報道了該類器技術[17][18]。 LI等報道了利用色散補償(chang) （DCF）增加腔內(nei) 色散，在主動鎖模環形器中實現了3個(ge) 波長的輸出，並通過調節調製頻率，實現了單波長和雙波長 的連續調諧。現已研製成功線寬窄到2kHz的器、調諧範圍達到75nm的寬調諧器以及重複頻率達到21GHz的高重複頻率器。

　　平常常見的基於(yu) NOLM器隻由NOLM環組成，沒有圖12的 3dB耦合器上的兩(liang) 個(ge) 支路，主要是用來產(chan) 生壓縮後的超短脈衝(chong) ，不具有鎖模功能。圖12所示的是改進的NOLM器，能進行亮暗脈衝(chong) 轉換，能選擇 脈衝(chong) 波長，產(chan) 生高重複率的信號。調節PC1使B端輸出最大功率時，在A端可得到亮脈衝(chong) ；調節PC1使環內(nei) 形成反射模時在A端就形成暗脈衝(chong) 。在耦合器2支路 上可以通過濾波器選擇輸出波長，並通過EDFA對選定波長進行放大。當控製脈衝(chong) 與(yu) 主環頻率失諧時，當產(chan) 生控製脈衝(chong) 的DFB器的驅動頻率是主環的頻 率f的n分之一時，可得到是控製脈衝(chong) n倍重複率的輸出脈衝(chong) 。例如主環頻率f為(wei) 19.4kHz時，控製脈衝(chong) 調製頻率為(wei) 1145MHz，DFB器驅動頻率 失諧在1/4f，則可得到4.58GHz重複率的輸出脈衝(chong) 。

5.4 頻率上變換器

　 　P.Xie和T.R.Gosnell用鈦寶石器的860nm泵浦幾十厘米長的，通過更換不同的輸出鏡獲得了紅、橙、綠、藍4種顏色的，功率 分別為(wei) 300mW、44mW、20mW和3mW，斜效率分別為(wei) 52％、11.5％、12.4％和3％。包層泵浦上轉換器的研究工作是國際上的最新 研究熱點，它在常規器研究工作的基礎上，利用頻率上轉換技術大大擴展了器的頻率範圍，可獲得近紅外光、可見光乃至更短波長的輸出。

六．光纖形式激光器的優(you) 點

    1．波導式結構

光纖激光器具有波導式的結構，可以在光纖纖芯中產(chan) 生較高的功率密度。它所基於(yu) 的矽光纖的工藝現在已經非常成熟，因此可以製作出高精度，低損耗的光纖。如果光纖的選擇使泵浦和信號波長均運行於(yu) 單模工作狀態，則泵浦和信號光場之間的重合性非常好。由於(yu) 光纖的幾何特點，使得這種結構具有較高的麵積一體(ti) 積比，因而其散熱效果很好。

以上這些特點就決(jue) 定了矽為(wei) 基質的光纖激光器可以在較低的功率泵浦下工作在連續的輸出狀態，而其它塊狀玻璃介質的激光器一般僅(jin) 能工作在脈衝(chong) 狀態，常需要相當高的泵浦能量以獲得激光輸出。

   光纖的圓柱形結構還具有下列兩(liang) 個(ge) 優(you) 點，便於(yu) 在光通倍和醫學中應用。

(1)．由於(yu) 光纖激光器本質上是一種光纖結構，因此它可以以較高的鍋台效率與(yu) 目前的光纖傳(chuan) 輸係統連接。

(2)．由於(yu) 光纖結構小巧便於(yu) 操作，在醫學的某些應用中是理想的，例如深入到人的胃中。

   事實上，基於(yu) 光纖結構的激光器使得某些器件成為(wei) 可能。我們(men) 可以利用定向鍋台器的優(you) 點得到光纖形式的分束器。這一點對避免光纖係統連接時的衍射損耗非常有利。這樣就可以不離開光纖形式完成光波的分束，利用這一特點就可以形成全光纖反射器，幹涉儀(yi) 和諧振腔。這種光纖激光器的設計使得低閉值操作，波長調諧和窄譜線輸出都成為(wei) 可能。

   摻稀土元素離子激光器的一個(ge) 重要性質在於(yu) 其輸出光譜特性受到摻雜離子周圍分子環境的顯著影響。這種性質引起兩(liang) 個(ge) 可利用的特性。其一是可以通過改變基質玻璃的組份來調節指出波長。其二是當基質是玻璃時，可以觀察到較寬的熒光。通過對圖1—1所示的腔結構進行改進，例如加上一個(ge) 波長選擇反射器，就可以得到50nm或更寬範圍內(nei) 的可調諧激光輸出。

光纖激光器可以提供許多輸出波長，其中某些波長對於(yu) 光通信是非常重要的。輸出光波長由摻雜到纖芯中的稀土元素離子所決(jue) 定。在光譜段上1．33f4m和1．55flm波長的輸出是最重要的，因為(wei) 它們(men) 對應於(yu) 光通信的兩(liang) 個(ge) 低損耗窗口。1．55捍m的輸出操作可以利用半導體(ti) 器件作為(wei) 泵浦源，因此意味著用較低的成本即可實現有價(jia) 值的激光輸出。目前，利用光纖激光器得到了2—3捍m範圍內(nei) 的激光譜線輸出，這個(ge) 波段的輸出在更低損耗的中紅外通信中有著潛在的應用價(jia) 值。

七．光纖激光器的現狀及發展趨勢

國內(nei) 現狀

　　我國商用光纖激光器目前全部依賴進口，原因是我們(men) 還沒有實現光纖激光器的商品化和產(chan) 業(ye) 化。

　　我國光纖激光器的研製其實並不落後，已經有好幾個(ge) 單位實現了連續200W以上的輸出功率，但我國光纖激光器的產(chan) 業(ye) 化工作明顯滯後。下麵分析一下我國光纖激光器產(chan) 業(ye) 化發展滯後的原因。

　　前文已經提到，發展全光纖激光器需要5大關(guan) 鍵技術，不難看出，這5大關(guan) 鍵技術除半導體(ti) 泵浦激光器外，其他4大關(guan) 鍵技術全部與(yu) 光纖技術密切相關(guan) ，準確的說，是與(yu) 能量光纖技術密切相關(guan) 。能量光纖技術是以信號光纖技術為(wei) 基礎發展起來的，而信號光纖技術主要是為(wei) 光纖通信服務的，因此，能量激光和光通信這兩(liang) 個(ge) 技術領域通過光纖這種特殊的媒質聯係起來，使從(cong) 事光纖和光纖器件研製和生產(chan) 的單位能夠深入地介入這兩(liang) 個(ge) 技術領域並成為(wei) 其核心力量。在光通信走入低穀的時候，適逢光纖激光器取得曆史性突破之時，國外許多從(cong) 事光通信光纖器件研製生產(chan) 的單位開始轉向能量光纖器件的研製和開發，以尋求新的發展機遇、拓展生存空間。這些投入能量光纖激光器開發的單位目前已經成為(wei) 光纖激光器發展的重要力量，為(wei) 發展新型全光纖激光器作出了巨大貢獻。

　  我國進行光纖器件生產(chan) 和開發的單位雖然非常多，但總體(ti) 技術水平較弱，在光通信走入低穀的時候，相關(guan) 單位基本上隻能選擇在本行業(ye) 苦苦支撐或關(guan) 閉生產(chan) 線兩(liang) 種方式，無力投入巨大資源進行能量光纖器件的研製和開發，所以，當全光纖激光器飛速發展對能量光纖器件提出迫切需求的時候，我國在這方麵基本上還是一片空白。對於(yu) 我國最早從(cong) 事光纖激光器研製的單位來說，麵對國內(nei) 的這種局麵，發展全光纖激光器基本上沒有基礎可言，因此，透鏡整形聚焦端麵泵浦外腔結構的方案成為(wei) 現實選擇。這種結構很接近傳(chuan) 統的全固態激光器，對光纖技術的依賴程度很低，采用非光纖技術即可製作。但是，實踐證明，光纖激光器隻有采用全光纖結構才能充分體(ti) 現整體(ti) 的一致性、完整性、和諧性和匹配性，采用充分展現光纖激光器的優(you) 勢，因此，全光纖結構方案更加符合光纖激光器發展的本質規律，所以，在世界範圍內(nei) ，全光纖激光器成為(wei) 主流方案有其必然性。

　　全光纖激光器需要能量激光器技術與(yu) 光纖技術有機結合起來，從(cong) 某種程度上來說，光纖技術在光纖激光器的發展中所占的比重很大，因此，能量激光技術和能量光纖技術是光纖激光器發展不可或缺的兩(liang) 條腿。目前，我國從(cong) 事光纖器件研製和生產(chan) 的單位仍然主要集中在光纖通信的產(chan) 業(ye) 鏈條之中，涉足能量激光技術的很少，這是我國光纖激光器發展麵臨(lin) 的巨大問題。本文希望我國從(cong) 事光纖器件研製和生產(chan) 的單位突破行業(ye) 界限，關(guan) 注光纖激光器的發展，積極參與(yu) 新型能量光纖器件的研製開發，為(wei) 我國光纖激光器國產(chan) 化和產(chan) 業(ye) 化作出貢獻。應該看到，新型大功率全光纖激光器具有廣闊的市場，發展能量型光纖器件，對於(yu) 光纖器件研製生產(chan) 單位是大有作為(wei) 的。還應該看到，國外光纖激光器取得突飛猛進的發展也是最近幾年的事情，盡管我國目前與(yu) 國外的水平差距很大，但是落後的時間並不長，隻要我國光纖器件的研製生產(chan) 單位積極開展相關(guan) 產(chan) 品的研製開發工作，我們(men) 是能夠在光纖激光器的研製生產(chan) 方麵站在國際前列的

2002年南開大學報道了在摻Yb3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調Q 脈衝(chong) 輸出和混合調Q 雙包層光纖激光中得到峰值功率大於(yu) 8kW ,脈寬小於(yu) 2ns 的脈衝(chong) 輸出。

　　2003年南開大學報道了利用脈衝(chong) 泵浦獲得100kW 峰值功率的調Q 脈衝(chong) ,以及得到的60nm 可調諧的調Q 脈衝(chong) 。

　　2003年11月20日報道，上海科學家在激光領域取得新成果，成功開發出輸出功率高達107W的光纖激光器。此激光器的全稱為(wei) “高功率摻鐿雙包層光纖激光器”，與(yu) 目前已有的激光器相比它的維護費用和功率消耗都要低得多，壽命是普通激光器的幾十倍。該課題組的負責人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著廣泛的應用前景，與(yu) 市民生活直接相關(guan) 的如食品的生產(chan) 日期、防偽(wei) 標誌等，若以激光打印代替現在的油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利於(yu) 環保，具有國際流行的新趨勢。上海科學家研製的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個(ge) 新台階，最大輸出功率達107W，已經遙遙領先於(yu) 全國同行。

　　2004年，南開大學又報道了連續泵浦206kW峰值功率的調Q 脈衝(chong) 。

　　2004年12月3日，烽火通信報道，繼推出激光輸出功率達100W以上的雙包層摻鐿光纖後，經過艱苦的攻關(guan) 再創佳績，將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W，達到國際領先水平。

這是烽火通信在特種光纖領域邁出的重要一步，同時也是我國在高功率激光器用光纖領域的重大突破。摻鐿雙包層光纖激光器是國際上新近發展的一種新型高功率激光器件，由於(yu) 其具有光束質量好、效率高、易於(yu) 散熱和易於(yu) 實現高功率等特點，近年來發展迅速，並已成為(wei) 高精度激光加工(laser oem)、激光雷達係統、光通信及目標指示等領域中相幹光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光增益介質是雙包層摻鐿光纖，因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決(jue) 定了該類激光器的轉換效率和輸出功率。烽火通信作為(wei) 國內(nei) 唯一一家進行雙包層摻鐿光纖研究的單位，在成功推出輸出功率達100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產(chan) 品後，又加大的研發力度，使得其輸出功率實現440W以上，達到國際領先水平。

國外發展及現狀

光纖激光器並不是什麽(me) 新的器件，盡管到目前才引起廣泛研究和重視。可以毫不誇張地說光纖激光器的曆史和激光器本身的曆史幾乎一樣長。第一個(ge) 光纖激光器的榮譽應歸於(yu) Sn5t2er和Koester，他們(men) 在l 963年和1964年分別發表了多組份玻璃光纖中的光放大結果Lt．23，當時他們(men) 正為(wei) 美國光學公司(Amer5can 0pticaI勘rpoNt50n)工作。不久以後，光纖激光器被用於(yu) 光學信息處理方麵的工作c31。在光纖放大器方麵的早期工作還有前蘇聯的Letokhov和PavliLL4J。令人感興(xing) 趣的一篇非常重要的文章是屑於(yu) 高銀和Hockham的c53，他們(men) 在1966年首先討論了利用光纖作為(wei) 通信介質的可能性。在光纖激光器發展的最初階段就考慮了用半導體(ti) 光源進行泵浦的可能性r61。在70年代，Bell實驗室(現在的AT8LT)的一個(ge) 小組也開展了這方麵的研究工作。

在1975—1985這十年中有關(guan) 這個(ge) 領域的文章較少，不過在這十年中許多發展光纖激光器所必須的工藝技術趨於(yu) 成熟。低損耗的矽單模光纖和半導體(ti) 激光器都已商品化並得到了廣泛的應用，而且還進行了氟化鎊光纖的製作和完善了基於(yu) 矽光纖的定向耦合器的製作。這些都為(wei) 光纖激光器的研製鋪平了道路。半導體(ti) 激光器，尤其是高功率輸出的半導體(ti) 激光器作為(wei) 泵浦源在光纖激光器中極為(wei) 重要。而熔矽型定向鍋台器則對全光纖的激光器的設計起著舉(ju) 足輕重的作用。

    在80年代中後期的幾年中，英國南安普敦大學的電子工程係和物理係也卷入了這個(ge) 領域的研究?8Ih，他們(men) 在其中扮演了非常重要的角色，是他們(men) 演示了用MCVD方法製作的單模光纖所構成的激光器的運行，從(cong) 而再度喚起人們(men) 對這個(ge) 研究領域的興(xing) 趣。此後該校的這兩(liang) 個(ge) 研究小組先後報導了光纖激光器的調Q，鎖模，單縱模輸出以及光纖放大器方麵的研究工作。英國通信研究實驗室(BTRL)於(yu) 1987年首次報導了其研究結果LJlotlll。BTRL的研究人員展示了用各種定向鍋合器製作的精巧的光纖激光器裝置，他們(men) 在增益和激發態吸收等研究領域中也作了大量的基礎工作，在用氟化桔光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方麵做了開拓性的工作，最重要的是製成了利用半導體(ti) 激光器作為(wei) 泵浦源的光纖激光器和放大器。其它在這個(ge) 領域內(nei) 發表過研究成果的研究機構還有德國漢堡的技術大學E1zi，NTTL““，HoyaLIdi，日本的三菱L151，美國的P01aroid Co叩oration(’氏，斯坦福大學[”和GTEL’：；等。當然世界上還有許多研究機構活躍於(yu) 這個(ge) 研究領域。

八．結語

　隨著光通信網絡及相關(guan) 領域技術的飛速發展，器技術正在不斷向廣度和深度方麵推進；技術的進 步，特別是以光柵、濾波器、技術等為(wei) 基礎的新型器件等的陸續麵市，將為(wei) 器的設計提供新的對策和思路。包層泵浦器和單波長、 2lRFL和3lRFL的麵市，無疑體(ti) 現出器的巨大潛力。盡管目前多數類型的器仍處於(yu) 實驗室研製階段，但已經在實驗室中充分顯示其優(you) 越 性。目前器的開發研製正向多功能化、實用化方向發展。其中比較突出的器類型有：能根據客戶需要波長而輸出特定波長的Raman 器，針對WDM係統而開發的基於(yu) 超連續譜的多波長器，能改變波長間隔的多波長器。可以預見，器將成為(wei) LD的有力競爭(zheng) 對手，必將在 未來光通信、軍(jun) 事、工業(ye) 加工、醫療、光信息處理、全色顯示和印刷等領域中發揮重要作用。