多波長光纖雷射器

基本介紹

• 中文名：多波長光纖雷射器
• 外文名：multi-wavelength fiber laber

1概述

為了進一步提高通信容量,現代光纖WDM通信系統正朝著信道數越來越多的方向發展。最直接提供多路信號的方法就是採用多個單波長雷射器。但如果單純地增加光源數量,勢必會增加成本,因此性能穩定的多波長雷射器更為人們看好。多波長雷射器可以同時為多個信道提供所需光源,使光發射端的設計更為緊湊、經濟,因而在密集波分復用系統中有很重要的用途。同時,性能優良的多波長光源在雷射測距、光譜分析和分布光纖感測等領域中也有極大的套用價值。所以,多波長雷射器的研製無疑具有重要的意義。

2多波長摻餌光纖雷射器的研究進展

多波長雷射器多採用多路光柵選頻的半導體雷射器或半導體雷射器陣列來實現,但其工藝複雜,價格昂貴。經過多年的發展,光纖雷射器正日趨成熟,它的出現,為WDM系統提供了一種重要意義的新光源。DWDM通信系統要求多波長光源具有輸出波長密集(通道波長間隔小),頻寬大,線寬窄,功率譜平坦等特性,摻餌光纖雷射器比較適合製作用於DWDM系統的多波長光纖雷射器。

多波長摻餌光纖雷射器的實現形式多種多樣,可對其大致分類如下:

1.直接利用摻餌光纖的增益特性,在諧振腔內插入梳狀濾波器,通過液氮對摻餌光纖進行冷卻來獲得多波長雷射輸出在此類方法中,基於光纖光柵的Sganac干涉儀、取樣光纖Brgag光柵和Fbayr-perot(F-p)標準具,以及光纖Mach-zehnder(M-z)干涉儀等都可以用作梳狀濾波器。XuewneShu等人將一個FBG非對稱的置於光纖asgnac環形鏡中得到了一種結構簡單的梳狀濾波器,由其構成的光纖雷射器實現了3波長雷射輸出。JongChow等人在環形腔光纖雷射器中用取樣Brgag光柵實現了間隔1.nm的5波長雷射輸出;他們還用兩個完全相同的光纖惆啾光柵製成寬頻透射F-P濾波器,實現了間隔0.65nm的H波長的雷射輸出。Yamashita5.等人用腔內F一P標準具製成了17波長的雷射器,波長間隔o.nsm2。H.L.An等人利用雙通的M一z干涉儀實現了波長,波長間隔1.n6m的雷射輸出。Namky。。Park等人利用一段保偏光纖進行選頻得到了24個波長的輸出。x.P.Dong等人則利用高雙折射環鏡做梳狀濾波器得到了多波長的雷射輸出。

此種方法所面臨的最大問題是摻餌光纖的均勻展寬問題。在常溫下,摻餌光纖的均勻展寬線寬為11nm。理論和實驗研究表明,當多波長雷射器的輸出波長間隔小於餌光纖的均勻展寬線寬時,不可避免地存在著嚴重的模式競爭和模式跳變問題,從而導致雷射器的輸出頻率特性十分複雜,輸出功率也很不穩定。要提高多波長光纖雷射器的工作性能,使得多個波長的光波能較為穩定地同時振盪,就需要設法削弱這種均勻展寬效應。所以以上方法均採用了77K的液氮對摻餌光纖進行冷卻,使摻餌光纖的均勻展寬降為nIm左右,但這種方法很難實現實用化。

2.在環形腔中引入移頻器或相位調製器實現常溫下穩定的多波長輸出Bellem盯e等人在環形腔中引入移頻器獲得了常溫下穩定的多波長雷射輸出l[26],由於反饋的光強經過腔內循環一周后被移動到了相鄰的頻率上去,不會造成一個波長上的連續增益放大而飽和,摻餌光纖的均勻展寬被極大地抑制。此後,KejinagZhou等人利用正弦相位調製器取代移頻器,根據傅立葉展開可知,對光強的相位調製同樣可使得光場的頻率發生移動,因而同樣實現了多波長雷射輸出。esungKwnaKim等人也分別用此種方法在摻餌光纖雷射器中得到了多波長的雷射輸出。套用這種方法可以很方便地獲得常溫下穩定的多個波長輸出,各波長之間的間隔可控,但具體的波長位置無法精確控制。

3.利用特殊結構的摻餌光纖來獲得常溫下穩定的多波長輸出

Gryadno等人用雙芯摻餌光纖製成環形腔雷射器,雙芯摻餌光纖由相互平行、間距很小的兩根纖芯組成。由於不同波長的光在兩芯中的禍合周期不同,它們的強度分布也不一樣,所以雙芯摻餌光纖是非均勻展寬介質。設定纖芯的參數和光纖長度,在腔內可以有多個波長的雷射同時振盪,從而在室溫下得到了3波長雷射的輸出,波長間隔為o.nsm。

套用這種方法可以獲得常溫下穩定的多個波長輸出,但波長的個數、各波長之間的間隔等不能方便的進行控制,而且需要特殊的製作工藝來獲得特殊結構的摻餌光纖,提高了整個雷射器的成本。

4.利用偏振燒孔效應來削弱不同波長的光對反轉粒子數的競爭,也可以實現常溫下多波長的穩定輸出,這種條件下的多波長光纖雷射器大多具有“開關”特性,後面將對此類可開關多波長光纖雷射器進行詳細的討論。

利用各種非線性效應來獲得常溫下穩定的多波長輸出

利用普通單模光纖或色散位移光纖中的布里淵散射(SBS),可在摻餌光纖雷射器中得到穩定的多波長輸出。此類方法中,SBS提供窄頻寬的增益,使布里淵散射波與泵浦波之間存在由光纖中聲速決定的精確的頻移量,在1.5林m波段,其頻移量為10GHz。而EDF提供線性增益來補償諧振腔的損耗,對布里淵信號進行放大,以提高多波長信號的輸出功率。此類多波長光纖雷射器雖然在室溫下就能穩定工作,但是用來產生SBS效應的泵浦源一可調諧DFB雷射器價格昂貴,使整個雷射器的成本居高不下。

另外,利用四波混頻(FWM)這種非線性效應也可獲得穩定的多波長輸出。uxemnigLiu等人將一段高非線性光子晶體光纖插入腔內,利用光子晶體光纖中的FWM效應克服EDF中的模式競爭,並和EDF的增益相結合,在摻餌光纖雷射器中得到了穩定的雙波長輸出。

以上各種方法各有利弊,而研製出成本低廉,結構簡單、可在室溫下穩定工作的多波長光纖雷射器是目前主要的研究方向。

3可開關多波長光纖雷射器的研究進展

這些結構中,不同波長的激射具有相同的泵浦閩值,很難調整或控制某一特定波長的性質。然而,在一些諸如感測、儀器測試的套用中,要求雷射能夠從一波長調到另一波長,或同時輸出多個波長,即雷射器具有可開關性能。這種雷射器需要在多波長光纖雷射器的基礎上加入“開關”特性來有效控制各波長的產生。為滿足此種需求,幾種結構新穎的可開關多波長光纖雷射器(MW一FLS)相繼出現。

可開關多波長光纖雷射器在實現多波長的基礎上能夠分別控制各個波長的性質,所以,對應不同波長的雷射輸出應存在某種不同特性,從而可通過調整這種特性達到雷射輸出可開關的目的。我們依據產生多波長激射的方法,將可開關多波長光纖雷射器基本分為兩類:一是利用不同的腔體產生不同波長的激射;二是利用偏振燒孔效應產生不同波長的激射。下面將近期報導的可開關多波長光纖雷射器按以上分類分別進行介紹。

利用不同的腔體來產生不同波長的激射

利用不同的腔體來產生不同波長的激射,可方便地對不同波長的激射分別進行控制。根據是否共用增益介質可分為兩類:利用不同的增益介質形成交疊腔產生不同波長的激射;利用共同增益介質、不同腔體產生不同波長的激射。

(1)利用不同的增益介質形成交疊腔產生不同波長的激射

QingheMoa等人利用三個級聯光纖光柵的交疊腔結構得到了可開關三波長的摻餌光纖雷射器,各種狀態下雷射輸出功率的差異小於1.sdBm。寬頻反射鏡與三個FBGS構成三個交疊的F一P腔,分別利用不同長度的摻餌光纖作為產生激射波長入1、入:、入:的增益介質。可變光衰減器可以用來調整腔損耗。腔內的增益鉗制效應及模式競爭效應的強度依賴於腔內損耗、EDF的長度以及泵浦情況,所以,腔損耗、EDF的長度經過最佳化後,通過調整泵浦功率的大小,雷射器可工作在任意一個單波長或兩個、三個波長同時激射的狀態。

(2)利用共同增益介質、不同腔體產生不同波長的激射

L.Talaverano等人利用此結構得到了可開關四波長的輸出,輸出波長由四個FBGs確定,波長間隔可調。Yz.ux等人則利用同一段增益介質,在兩個交疊F-P腔的情況下,得到了可開關雙波長的雷射輸出,波長間隔在0.35一23.n5m範圍內可調。

2.利用偏振燒孔效應產生不同波長的激射使不同波長的激射

分別利用不同偏振態的粒子起振,即利用偏振燒孔效應,可以減小光纖的均勻展寬寬度,從而解決多波長輸出在室溫下的穩定性問題,而且通過調整諧振腔內的偏振態,可以達到分別控制各個波長的目的。

(1)利用高雙折射光纖引入偏振燒孔效應產生不同波長的激射在有雙折射特性的光纖光柵中,基模兩正交偏振態之間存在著有效折射率的差異Aneff,則對應的兩不同共振波長存在A禮一ZAneffA的間距,A為光柵的周期。將高雙折射光纖光柵套用於雷射器進行波長選擇,合理的選擇光柵參數,調整腔內的偏振態,則可得到對應不同偏振態的單波長輸出或兩波長同時輸出。由於兩波長分別利用不同偏振態的粒子起振,即存在偏振燒孔效應,可大大降低模式競爭效應,從而很好地解決雙波長輸出的穩定性問題,並能達到波長開關的目的。

JHernandez一Cordeor等人利用高雙折射光纖中FBG引入的偏振燒孔效應得到了可開關雙波長輸出,波長間隔0.26nm。Bong.Ahnyu等人則利用高雙折射光纖中的取樣FBG做波長選擇器件組成了可開關Mw一FL。GuaatmDaS等人則利用保偏摻餌光纖中各向異性的增益效應得到了1、2、3、4個波長的輸出,波長間隔Inm左右。由於橢圓纖芯的摻餌光纖具有偏振各向異性的增益效應,開關亦可通過調整偏振控制器的狀態來實現。

(2)利用偏振依賴元件,引入偏振燒孔效應產生不同波長的激射寫在保偏光纖上的長周期光柵可看做一依賴偏振的損耗元件。YongWbokLee等人將此器件套用於雷射器,通過調整腔內偏振態的變化,得到了可開關雙波長的雷射輸出。

利用一種單模光纖一多模光纖一單模光纖結構,引入空間模式拍頻效應,使多模光纖的不同偏振方向的反射模在波長上分離開,利用偏振燒孔效應可實現常溫下多波長的穩定輸出。LiZhihong,s.jarabo,AlistairJ.poustie等人分別利用此結構得到了不同個數、不同間隔的多波長的輸出。遲榮華等人則利用類似結構在摻鏡光纖雷射器中得到了2、3、4、6個波長的輸出,每個波長均為單一方向線偏振光。這種方法非常簡單,只是無法有效控制產生波長的位置及個數。

孫軍強等人則利用多量子阱光波導(MQw)做等效反射腔鏡,實現了可開關多波長光纖雷射器。多量子阱光波導始終被偏置在閩值以下,反射率可達95%。根據入射光的偏振態與入射強度的不同,經反射後,輸出的不同偏振態的光極大地增強了雷射諧振腔內的偏振態非均勻性,從而產生了偏振燒孔效應,可實現穩定的多波長振盪。

以上介紹了近期實現的可開關多波長光纖雷射器的幾種新方法。這些方法各有特色,利用不同的增益介質形成交疊腔雖可有效克服模式競爭效應,引入開關性能,但需多段摻雜光纖,且開關特性的控制較複雜。利用共同增益介質的樹狀拓撲結構,所需器件多一些,但開關簡單,各波長特性容易控制,且各波長的功率均衡性較好,是接近實用化的一種方法。利用高雙折射光纖引入偏振燒孔效應,雖產生的波長個數受一些限制,但開關簡單,而且產生的為偏振光,便於套用。可見,目前的研究方向應是開關簡單,各波長之間切換時功率均衡性較好,能穩定工作的可開關多波長的摻餌光纖雷射器。