多波長光纖激光器

為了進一步提高通信容量,現(xiàn)代光纖WDM通信系統(tǒng)正朝著信道數(shù)越來越多的方向發(fā)展。最直接提供多路信號的方法就是采用多個單波長激光器。但如果單純地增加光源數(shù)量,勢必會增加成本,因此性能穩(wěn)定的多波長激光器更為人們看好。多波長激光器可以同時為多個信道提供所需光源,使光發(fā)射端的設(shè)計更為緊湊、經(jīng)濟,因而在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中有很重要的用途。同時,性能優(yōu)良的多波長光源在激光測距、光譜分析和分布光纖傳感等領(lǐng)域中也有極大的應(yīng)用價值。所以,多波長激光器的研制無疑具有重要的意義。

早期對激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調(diào)諧波長范圍的擴展方面。今天，密集波分復(fù)用(DWDM)和光時分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進步加速和刺激著多波長光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光器等的進步。同時，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現(xiàn)的技術(shù)途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光三極管等技術(shù)均見報道。

國內(nèi)外對于光纖激光器的研究方向和熱點主要集中在高功率光纖激光器、高功率光子晶體光纖激光器、窄線寬可調(diào)諧光纖激光器、多波長光纖激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器和超短脈沖光纖激光器等幾個方面。

1962年世界上第一個GaAs半導(dǎo)體激光器問世以來，已有五十余年的歷史，半導(dǎo)體激光器已廣泛地應(yīng)用于激光通信、光盤存儲、激光檢測等領(lǐng)域。

隨著半導(dǎo)體激光器連續(xù)輸出功率的日益提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴大，其中大功率半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器(DPSSL)是它最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。這一技術(shù)綜合了半導(dǎo)體激光器與固體激光器的優(yōu)點，不僅將半導(dǎo)體激光器的波長轉(zhuǎn)換為固體激光器的波長，而且伴隨光束質(zhì)量的改善和光譜線寬的壓縮，以及實現(xiàn)脈沖輸出等。半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕，直接電子注入具有很高的量子效率，可以通過調(diào)整組份和控制溫度得到不同的波長與固體激光材料的吸收波長相匹配，但它本身的光束質(zhì)量較差，且兩個方向不對稱，橫模特性也不盡理想。而固體激光器的輸出光束質(zhì)量較高，有很高的時間和空間相干性，光譜線寬與光束發(fā)散角比半導(dǎo)體激光小幾個量級。對于DPSSL，是吸收波長短的高能量光子，轉(zhuǎn)化為波長較長的低能量光子，這樣總有一部分能量以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)換為熱。這部分熱能量將如何從塊狀激光介質(zhì)中散發(fā)、排除成為半導(dǎo)體泵浦固體激光器的關(guān)鍵技術(shù)。為此，人們開始探索增大散熱面積的方法。

方法之一就是將激光介質(zhì)做成細長的光纖形狀。

所謂光纖激光器就是用光纖作激光介質(zhì)的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纖激光器。由于光纖的纖芯很細，一般的泵浦源(例如氣體放電燈)很難聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纖激光器沒有得到很好的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)的發(fā)展，以及光纖通信蓬勃發(fā)展的需要，1987年英國南安普頓大學(xué)及美國貝爾實驗室實驗證明了摻鉺光纖放大器(EDFA)的可行性。它采用半導(dǎo)體激光光泵摻鉺單模光纖對光信號實現(xiàn)放大，這種EDFA已經(jīng)成為光纖通信中不可缺少的重要器件。由于要將半導(dǎo)體激光泵浦入單模光纖的纖芯(一般直徑小于10um)，要求半導(dǎo)體激光也必須為單模的，這使得單模EDFA難以實現(xiàn)高功率，報道的最高功率也就幾百毫瓦。

為了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包層進入。初期的設(shè)計是圓形的內(nèi)包層，但由于圓形內(nèi)包層完美的對稱性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形內(nèi)包層的出現(xiàn)，使激光轉(zhuǎn)換效率提高到50%，輸出功率達到5瓦。1999年用四個45瓦的半導(dǎo)體激光器從兩端泵浦，獲得了110瓦的單模連續(xù)激光輸出。近兩年，隨著高功率半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)和雙包層光纖制作工藝的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率逐步提高，采用單根光纖，已經(jīng)實現(xiàn)了1000瓦的激光輸出。

隨著光纖通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，超快速光電子學(xué)、非線性光學(xué)、光傳感等各種領(lǐng)域應(yīng)用的研究已得到日益重視。其中，以光纖 作基質(zhì)的光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調(diào)諧性能等方面，已明顯取得進步，是光通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使之支 持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集波分復(fù)用系統(tǒng)和未來相干光通信的基礎(chǔ)。光纖激光器技術(shù)是研究的熱點技術(shù)之一。

光纖激光器由于其具有絕對理想的光束質(zhì)量、超高的轉(zhuǎn)換效率、完全免維護、高穩(wěn)定性以及體積小等優(yōu)點，對傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生巨大而積極的影響。 最新市場調(diào)查顯示:光纖激光器供應(yīng)商將爭奪固體激光器及其他激光器在若干關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的市場份額，而這些市場份額在未來幾年將穩(wěn)步看漲。到2010年，光纖激光器將至少占領(lǐng)工業(yè)激光器28億美元市場份額的四分之一。光纖激光器的銷售量將以年增幅愈35%的速度攀升，從2005年的1.4億美元增至2010年的6.8億美元。而同期，工業(yè)激光器市場每年增幅僅9%，2010年達到28億美元。