多波长光纤激光器

    随着高容量光纤通信网的发展，波分复用技术得以广泛的采用，它要求多波长光源具有波长间隔小、线宽窄、功率谱平坦等特点。因此满足波分复用技术要求的多波长光纤激光器成为研究的重点，此外多波长光纤激光器在光谱测量、光纤传感等领域也有着广泛的用途。

    1.波分复用

    波分复用技术之所以得到越来越广泛的应用，主要是由于波分复用系统具有很大的经济性。在长距离光缆通信中，线路的投资占总投资的70~80%，采用波分复用系统，相当于成倍地增加光纤线路的传输容量。这样整个投资就会大大减少，通信网的容量也就增大了许多。

    (1)波分复用的基本概念

    波分复用（WDM）是指在同一根光纤中同时传送几个不同波长的光信号，进行光波长划分复用通信,也叫光频分制。

    在波分复用系统中由于同时传输具有数个不同波长的光载波，因此对于传输光纤而言，应对传输波长l，2 ，3表现相同的低损耗特点。

    (2)波分复用系统对光源的具体要求

    波分复用系统中对光源的要求是：传输的频率稳定，波长间隔要小。如不满足第一个条件，将会导致各信道之间的串扰，降低复用质量；不满足第二个条件，则在传输光纤的有限窗口内复用的路线将减少。

    2.多波长光纤激光器简介

    (1)光纤激光器的结构和特点

    光纤激光器具有泵浦效率高，散热条件好，与光纤系统连接方便等特点，近年来，一直是学者们研究的重点。其中掺铒光纤激光器的输出波长约为1550nm，对光纤通信尤为重要，因为硅光纤的最低损耗窗口正对应此波长。此时激光是由 至 的跃迁产生的，为三能级系统。本文中主要讨论的是掺铒光纤激光器。

    和其它的激光器类似，光纤激光器由三部分组成：泵浦源、增益介质和激光腔。

    掺铒光纤激光器主要的泵浦波长有800nm，980nm和1480nm三个，常用的为980nm。铒离子在800nm附近具有吸收峰，这意味着可用功率较高而价格又相对便宜的AlGaAs激光二极管进行泵浦。但在大多数情况下，用这个带进行泵浦的光纤器件性能都较差。因为这个带的基态吸收较弱，而且还与较强的激发态吸收带相重合。这两个吸收过程决定了利用这个带进行泵浦的放大器和激光器性能。而铒离子在980nm泵浦波长上不存在受激发射和激发态吸收，因此具有很高的能量转换效率。利用1480nm波长进行泵浦所获得的结果非常好，而且已有高功率的1400nm激光二极管产品。尽管此时激光工作物质为两能级系统，但由于吸收和发射谱之间的位移使能级被非均匀占据的结果。

    掺铒光纤是激光器中的增益介质。采用980nm泵浦时，掺铒光纤是三能级系统，光纤的长度与增益之间不是线性的关系。如果光纤太短，则增益不够。但光纤太长，产生的激光被再吸收从而导致输出功率下降。因此并不能简单地通过增加其长度来降低激光器的阈值。

    无谐振腔镜的光分布反射器，第三种则是与定向耦合器有关的横向耦合的Fabry-Parot谐振腔有谐振腔镜的光纤谐振腔一般为线形腔，其腔镜多半由镀膜的介质镜构成。由于它和光纤耦合时损耗较大，因此完全由介质镜构成腔镜的情况并不多见。典型的全光纤激光器结构，腔的反射镜由两个光纤圈构成。

    (2)多波长振荡光纤激光器产生的背景

    1983年，美国在其东北部超级光纤线路上首次使用了适合波分复用要求的多波长半导体光源。它使得在不改变光纤线路的情况下，大大提高了通信系统的容量。双波长半导体光源的应用使得WDM技术的实现变为可能，但是它也存在着制造成本高，工艺复杂，与系统中的光纤耦合困难等缺点，使得它在WDM中的应用受到了很大限制。

    (3)典型的多波长振荡光纤激光器实验装置

    目前，关于多波长光纤激光器方面的报道非常多，从产生多波长的机理来分主要有四种：利用机械斩波的方法调节腔的损耗；激光腔中含有滤波装置，如内置的F-P标准具；选择性反馈，如多级光栅串接；光纤中传导模式的差异和偏振态的变化；从工作环境来分，有在常温下工作的，也有在液氮中工作的。

    在贝尔实验室的Namkyoo park和Paul F.Wysocki等提出的实验装置中，以简单的环形腔结构实现了24个波长的同时激射。这个结果主要是通过采用可控的偏振态变化以及液氮制冷来增强光谱烧孔和偏振烧孔效应来实现的。该装置中不含有任何波长选择性器件，而是利用腔中的偏振变化来实现对波长的选择。由于液氮的作用，使得掺铒光纤在低温下以非均匀加宽为主。这样大大增加了激射波长的数目。Jong chow和Graham Town 等人也提出了实验装置，在该装置中存在着滤波结构--以光纤光栅为主体所构成的梳状滤波器。激射的波长数目和线宽由梳状滤波器的性质决定。英国电信实验室的Alistair I Poustie和 Neil Finlayson 提出的多波长激光器结构，其特点是在由单模光纤所构成的环形腔中加入一段多模光纤，利用泵浦源特性所产生的宽带光源以及LP01和LP11之间传播常数的差异产生的空间模式差拍效应，实现多个波长的输出。

    从以上的几个实验装置我们可以发现：多波长振荡现象是否能够出现和稳定，与激光器增益介质的加宽特性有着密切的关系。室温多波长振荡的数目一般只能达到五至七个。但如果将掺铒光纤浸没在液氮中，则此时输出的波长数目将大大增加。另外偏振态的变化对振荡波长的数目和腔的损耗也有着明显的作用。