基于光纤光栅调谐的掺铒光纤激光器研究

谢宝良习聪玲顾逸

（嘉兴学院机电工程学院，嘉兴 314000）

【摘要】介绍了掺铒光纤激光器的原理与结构。设计了基于光纤光栅调谐的环形掺铒光纤激光器，试验中用带尾纤的1480nm半导体激光器作为泵浦源，设计的光纤激光器采用光纤光栅作为光纤激光器的调谐装置。根据光纤光栅的温度改变对光纤激光器的波长来进行调谐。1480nm半导体激光器实验工作电流为320 mA，输出的激光波长范围为1538nm到1540nm，输出功率为4.2mW。

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关键词 导波与光纤光学；可调谐光纤激光器；布拉格光纤光栅；激光二极管

0引言

光纤激光器近年来得到快速的发展，因为光纤激光器具有泵浦效率高、激光阈值低、内量子效率高，并且可调谐参数多而宽等优点。掺铒光纤激光器更具有一定优势，因为掺铒光纤激光器波长正好在光通信的第三窗口即1550nm波段附近，所以掺铒光纤激光器在光纤通信系统中有着一定的应用前景。因为铒光纤有一定的结构优势，比如它能在在较低的泵浦功率下，在掺铒光纤芯区可获得较高的功率密度。基于这些优点，掺铒光纤激光器也在光纤传感中起着非常重要的作用。

光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质组成。本次实验中采用光纤光栅进行光纤激光器的波长调谐，调谐的方法是通过改变光纤光栅的温度，来达到所需要输出波长；同时利用掺铒光纤放大器具有对光增益的作用，来提高激光输出功率；并通过调节抽运功率来改变激光器谐振腔的精细度，产生多波长窄线宽的激光输出。设计的激光器稳定型好、抗电磁干扰能力强、有很好的参考价值。

1原理与结构

1.1基本原理

激励过程是光放大的必要条件，实现离子数翻转的条件是：工作物质要有丰富的泵浦吸收带；寿命较长的激光上能态；泵浦源足够强。一旦激光工作物质达到粒子数反转状态，就可以对光起放大作用。如果把激光工作物质放在光谐振腔内，使光来回反射多次通过激光工作物质，就有可能形成光的自激振荡。要形成激光，必须满足同时两个条件。第一是形成大量离子数反转，当处于激光上能级的粒子数超过处于激光下能级的粒子数时才能使介质发生受激辐射，这样就可以产生增益。激光的形成也必须满足第二个条件，粒子数反转形成的过程要借助于光子能量较高的光源进行泵浦，并且要求参与激光工作的能级超过两个。

开始，采用泵浦源把电子激发到高于激光工作能级的上一个能级，如果泵浦时候没达到激光的阈值条件，产生的是泵浦光和辐射光不相干的光，叫做自发辐射。当高于激光阈值条件是泵浦，就会产生谱线宽较窄的的尖峰激光输出，产生激光的功率和泵浦光输入功率成正比的关系。

1480nm泵浦系统可用二能级系统来描述，考虑均匀展宽情况，忽略放大自发辐射，二能级速率方程可简化为

其中，“－”表示同向泵浦，“＋”表示反向泵浦。

1.2基本结构

在500～1600nm范围内铒光纤有共有五个吸收带，吸收峰是514.5nm、532nm、667nm、800nm、980nm和1480nm附近。现在比较成熟的、适合泵浦铒光纤的半导体激光器仅有980nm激光二极管和1480nm激光二极管。泵浦源发出的激光会把掺铒光纤中铒离子激发到高能级激发状态，当微弱输入信号耦合进掺铒光纤时，处于高能级的铒离子即会从高能级激发到低能级，并且释放出一个光子，产生很强的辐射光，就是受激辐射，产生相干光，也就是产生的激光和输入的信号光在方向上一致，这样信号光就得以放大。

实验中采用1480nm激光二极管做抽运源，该激光二极管最大输出功率为300 mW，中心波长为1474nm,阈值电流为25 mA,最大抽运电流为1300mA,激光二极管输出光功率随和抽运电流近似呈线性关系,如图1所示。实验采用的掺铒光纤掺铒浓度700ppm,截止波长为853.5 nm，模场直径为6.68ｕm。实验掺铒光纤长度为9 m，要产生激光必须要有谐振腔，设计的可调谐光纤激光器用掺铒光纤作为激光器的谐振腔。实验结果用ANDO公司的AQ6319光谱仪进行激光功率和波长测量，AQ6319光谱仪最小分辨率为0.01nm，测量范围为50nm~2250nm。设计的激光器结果如下图2所示。实验装置有激光二极管（LD）、波分复用器（WDM）、隔离器（ISO）\掺铒光纤（EDF）、光纤光栅（FBG）构成的， 实验使用50:50光纤耦合器。

设计的光纤激光器采用称前向泵浦结构：信号光与泵浦光结合，并且一同进入掺铒光纤中，该实验装置具有良好的噪声性能。实验采用1480nm的激光二极管最为泵浦源，因为1480nm的激光二极管激励波谱线宽是980nm的激光二极管的四倍，并且容易耦合，可靠性高。基于这些优点，实验选择1480nm的激光二极管最为泵浦源。从1480nm激光二极管产生的抽运光激光经过波分复用器激励掺铒光纤，因为掺铒光纤具有增益特性，经过掺铒光纤的光被光栅选择。经过掺铒光纤的激励光再次回到波分复用器的输入端作为信号光，而再次被掺铒光纤放大吸收，该实验装置为环形结构，构成循环装置，经过多次放大后的光最终形成激光输出。如果激光二极管工作电流比较小，抽运功率比较小，不能达到激光的阈值条件，所以就只能形成激光，只能产生荧光输出。本次实验通过反复观察发现该实验装置的激光二极管的工作电流为90mA时，输出功率才能达到激光的阈值条件，产生微弱的激光。

Fig.2Experiment design of ring cavity Er3+ doped fiber laser

在实验中，光纤光栅采用布拉格光栅，通过干燥箱对光栅进行加热，用天津泰斯特仪器有限公司生产的202A-0台式电热干燥箱。温度从19.4℃到100℃变化，实验过程为每升高10℃记录一次数据。激光二极管驱动电流为320mA，抽运功率为4.2mW。观察光谱仪上激光输出的中心波长和谱宽的变化。实验记录到光栅最高温度时100℃。

2结果及分析

实验温度测量为19.4℃，考虑法布里-珀罗谐振腔的激光二极管。根据激光二极管的功率和电流的关系，通过不断的改变激光二极管的工作电路，来改变二极管的抽运功率，来实现激光二极管的输出功率的调节。本次实验采用的激光二极管最高输出功率为300 MW,在实验开始不断的改变激光二极管的工作电路，让工作电路在20 mA到90 mA之间不断发生变化，可调谐光纤激光器没有输出激光。原因是激光二极管的泵浦效率太低，无法达到该实验装置产生激光的阈值条件，所以光谱仪只能得到较为平坦的荧光输出。实验发现当泵浦功率达到90mA的时候，光谱仪可以检测到较弱的激光输出，所以该实验激光器要产生激光的阈值电流为90mA。激光二极管的工作电路在不断增大，产生激光慢慢趋于稳定，通过多次实验发现工作电路在750mA输出激光最稳定，所以750mA为该激光器的最佳工作电流。通过不断的增加激光二极管的工作电流，来提高激光二极管的泵浦功率，可以提高产生激光功率。实验采用的激光二极管输出功率随驱动电路的变化如下图所示，下图为图3。

Fig.3Relationship between output power of laser and LD applied current

通过以上实验可以得出以下结论：第一，激光二极管输出功率会随着工作电路的变化而发生变化，工作电流减小，抽运功率减少，工作电流增大，抽运功率增加。并且激光二极管的输出功率和工作电流之前呈线性关系，线性度非常好。第二，该实验也发现，设计的光纤激光器的阈值电流为90mA，当工作电流小于等于90 mA时候，无激光输出。当工作电流大于90mA时候开始产生激光，并且最佳工作电流为750mA。

实验中，通过调节光纤光栅的温度，来达到对激光输出波长和普宽的调谐，其实光纤光栅就像一个光滤波器一样。另外实验中改变激光二极管的工作电流，也就是改变抽运功率，来达到激光功率调节。

实验中，调节激光二极管的工作电流为320mA，输出功率为4.2mW。采用一个布拉格光栅来对激光器输出波长的选择。加热实验箱，实验箱温度从18℃到100℃不断升高，每次实验增加10℃，通过观察光谱仪发现输出波长漂移了2.1 nm，并且谱线宽为0.0011左右。然后再增加一个布拉格光栅，发现设计的光纤激光器的输出波长有了更大的调谐范围，所以得出结论，要获得更大的调谐范围，可以多增加几个布拉格光栅。下图为实验箱测的31℃和81℃的时候，光谱仪测到的输出激光的中心波长和谱宽图。

3结论

本文设计一种可调谐环形光纤激光器，采用1480nm激光二极管作为抽运源。实验采用布拉格光栅作为激光器的波长调谐，通过改变光纤光栅的温度来实现波长选择。采用光纤光栅的一个非常的优点是光栅可以与光纤兼容，降低激光器的阈值，并且实验增加一个布拉格光栅观察调谐范围，发现如果要获得更大的激光调谐范围，可以增加光栅的数量。本次实验也测量激光二极管的抽运功率和工作电流的关系，结论为工作电流和输出功率成线性关系。通过多次实验发现激光二极管工作电流为750mA为最佳激光输出。设计环形可调谐光纤光栅激光器结构简单、激光输出功率稳定、抗电磁干扰能力强，对光纤激光器的研究具有一定的价值。

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参考文献

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［责任编辑：曹明明］