为了进一步提高通信容量,现代光纤WDM通信系统正朝着信道数越来越多的方向发展。最直接提供多路信号的方法就是採用多个单波长雷射器。但如果单纯地增加光源数量,势必会增加成本,因此性能稳定的多波长雷射器更为人们看好。多波长雷射器可以同时为多个信道提供所需光源,使光发射端的设计更为紧凑、经济,因而在密集波分复用系统中有很重要的用途。同时,性能优良的多波长光源在雷射测距、光谱分析和分布光纤感测等领域中也有极大的套用价值。所以,多波长雷射器的研製无疑具有重要的意义。

多波长雷射器多採用多路光栅选频的半导体雷射器或半导体雷射器阵列来实现,但其工艺複杂,价格昂贵。经过多年的发展,光纤雷射器正日趋成熟,它的出现,为WDM系统提供了一种重要意义的新光源。DWDM通信系统要求多波长光源具有输出波长密集(通道波长间隔小),频宽大,线宽窄,功率谱平坦等特性,掺饵光纤雷射器比较适合製作用于DWDM系统的多波长光纤雷射器。

多波长掺饵光纤雷射器的实现形式多种多样,可对其大致分类如下:

1.直接利用掺饵光纤的增益特性,在谐振腔内插入梳状滤波器,通过液氮对掺饵光纤进行冷却来获得多波长雷射输出在此类方法中,基于光纤光栅的Sganac干涉仪、取样光纤Brgag光栅和Fbayr-perot(F-p)标準具,以及光纤Mach-zehnder(M-z)干涉仪等都可以用作梳状滤波器。XuewneShu等人将一个FBG非对称的置于光纤asgnac环形镜中得到了一种结构简单的梳状滤波器,由其构成的光纤雷射器实现了3波长雷射输出。JongChow等人在环形腔光纤雷射器中用取样Brgag光栅实现了间隔1.nm的5波长雷射输出;他们还用两个完全相同的光纤惆啾光栅製成宽频透射F-P滤波器,实现了间隔0.65nm的H波长的雷射输出。Yamashita5.等人用腔内F一P标準具製成了17波长的雷射器,波长间隔o.nsm2。H.L.An等人利用双通的M一z干涉仪实现了波长,波长间隔1.n6m的雷射输出。Namky。。Park等人利用一段保偏光纤进行选频得到了24个波长的输出。x.P.Dong等人则利用高双折射环镜做梳状滤波器得到了多波长的雷射输出。

此种方法所面临的最大问题是掺饵光纤的均匀展宽问题。在常温下,掺饵光纤的均匀展宽线宽为11nm。理论和实验研究表明,当多波长雷射器的输出波长间隔小于饵光纤的均匀展宽线宽时,不可避免地存在着严重的模式竞争和模式跳变问题,从而导致雷射器的输出频率特性十分複杂,输出功率也很不稳定。要提高多波长光纤雷射器的工作性能,使得多个波长的光波能较为稳定地同时振荡,就需要设法削弱这种均匀展宽效应。所以以上方法均採用了77K的液氮对掺饵光纤进行冷却,使掺饵光纤的均匀展宽降为nIm左右,但这种方法很难实现实用化。

2.在环形腔中引入移频器或相位调製器实现常温下稳定的多波长输出Bellem盯e等人在环形腔中引入移频器获得了常温下稳定的多波长雷射输出l[26],由于反馈的光强经过腔内循环一周后被移动到了相邻的频率上去,不会造成一个波长上的连续增益放大而饱和,掺饵光纤的均匀展宽被极大地抑制。此后,KejinagZhou等人利用正弦相位调製器取代移频器,根据傅立叶展开可知,对光强的相位调製同样可使得光场的频率发生移动,因而同样实现了多波长雷射输出。esungKwnaKim等人也分别用此种方法在掺饵光纤雷射器中得到了多波长的雷射输出。套用这种方法可以很方便地获得常温下稳定的多个波长输出,各波长之间的间隔可控,但具体的波长位置无法精确控制。

3.利用特殊结构的掺饵光纤来获得常温下稳定的多波长输出

Gryadno等人用双芯掺饵光纤製成环形腔雷射器,双芯掺饵光纤由相互平行、间距很小的两根纤芯组成。由于不同波长的光在两芯中的祸合周期不同,它们的强度分布也不一样,所以双芯掺饵光纤是非均匀展宽介质。设定纤芯的参数和光纤长度,在腔内可以有多个波长的雷射同时振荡,从而在室温下得到了3波长雷射的输出,波长间隔为o.nsm。

套用这种方法可以获得常温下稳定的多个波长输出,但波长的个数、各波长之间的间隔等不能方便的进行控制,而且需要特殊的製作工艺来获得特殊结构的掺饵光纤,提高了整个雷射器的成本。

4.利用偏振烧孔效应来削弱不同波长的光对反转粒子数的竞争,也可以实现常温下多波长的稳定输出,这种条件下的多波长光纤雷射器大多具有“开关”特性,后面将对此类可开关多波长光纤雷射器进行详细的讨论。

利用各种非线性效应来获得常温下稳定的多波长输出

利用普通单模光纤或色散位移光纤中的布里渊散射(SBS),可在掺饵光纤雷射器中得到稳定的多波长输出。此类方法中,SBS提供窄频宽的增益,使布里渊散射波与泵浦波之间存在由光纤中声速决定的精确的频移量,在1.5林m波段,其频移量为10GHz。而EDF提供线性增益来补偿谐振腔的损耗,对布里渊信号进行放大,以提高多波长信号的输出功率。此类多波长光纤雷射器虽然在室温下就能稳定工作,但是用来产生SBS效应的泵浦源一可调谐DFB雷射器价格昂贵,使整个雷射器的成本居高不下。

另外,利用四波混频(FWM)这种非线性效应也可获得稳定的多波长输出。uxemnigLiu等人将一段高非线性光子晶体光纤插入腔内,利用光子晶体光纤中的FWM效应克服EDF中的模式竞争,并和EDF的增益相结合,在掺饵光纤雷射器中得到了稳定的双波长输出。

以上各种方法各有利弊,而研製出成本低廉,结构简单、可在室温下稳定工作的多波长光纤雷射器是目前主要的研究方向。

这些结构中,不同波长的激射具有相同的泵浦闽值,很难调整或控制某一特定波长的性质。然而,在一些诸如感测、仪器测试的套用中,要求雷射能够从一波长调到另一波长,或同时输出多个波长,即雷射器具有可开关性能。这种雷射器需要在多波长光纤雷射器的基础上加入“开关”特性来有效控制各波长的产生。为满足此种需求,几种结构新颖的可开关多波长光纤雷射器(MW一FLS)相继出现。

可开关多波长光纤雷射器在实现多波长的基础上能够分别控制各个波长的性质,所以,对应不同波长的雷射输出应存在某种不同特性,从而可通过调整这种特性达到雷射输出可开关的目的。我们依据产生多波长激射的方法,将可开关多波长光纤雷射器基本分为两类:一是利用不同的腔体产生不同波长的激射;二是利用偏振烧孔效应产生不同波长的激射。下面将近期报导的可开关多波长光纤雷射器按以上分类分别进行介绍。

利用不同的腔体来产生不同波长的激射

利用不同的腔体来产生不同波长的激射,可方便地对不同波长的激射分别进行控制。根据是否共用增益介质可分为两类:利用不同的增益介质形成交叠腔产生不同波长的激射;利用共同增益介质、不同腔体产生不同波长的激射。

(1)利用不同的增益介质形成交叠腔产生不同波长的激射

QingheMoa等人利用三个级联光纤光栅的交叠腔结构得到了可开关三波长的掺饵光纤雷射器,各种状态下雷射输出功率的差异小于1.sdBm。宽频反射镜与三个FBGS构成三个交叠的F一P腔,分别利用不同长度的掺饵光纤作为产生激射波长入1、入:、入:的增益介质。可变光衰减器可以用来调整腔损耗。腔内的增益钳制效应及模式竞争效应的强度依赖于腔内损耗、EDF的长度以及泵浦情况,所以,腔损耗、EDF的长度经过最佳化后,通过调整泵浦功率的大小,雷射器可工作在任意一个单波长或两个、三个波长同时激射的状态。

(2)利用共同增益介质、不同腔体产生不同波长的激射

L.Talaverano等人利用此结构得到了可开关四波长的输出,输出波长由四个FBGs确定,波长间隔可调。Yz.ux等人则利用同一段增益介质,在两个交叠F-P腔的情况下,得到了可开关双波长的雷射输出,波长间隔在0.35一23.n5m範围内可调。

2.利用偏振烧孔效应产生不同波长的激射使不同波长的激射

分别利用不同偏振态的粒子起振,即利用偏振烧孔效应,可以减小光纤的均匀展宽宽度,从而解决多波长输出在室温下的稳定性问题,而且通过调整谐振腔内的偏振态,可以达到分别控制各个波长的目的。

(1)利用高双折射光纤引入偏振烧孔效应产生不同波长的激射在有双折射特性的光纤光栅中,基模两正交偏振态之间存在着有效折射率的差异Aneff,则对应的两不同共振波长存在A礼一ZAneffA的间距,A为光栅的周期。将高双折射光纤光栅套用于雷射器进行波长选择,合理的选择光栅参数,调整腔内的偏振态,则可得到对应不同偏振态的单波长输出或两波长同时输出。由于两波长分别利用不同偏振态的粒子起振,即存在偏振烧孔效应,可大大降低模式竞争效应,从而很好地解决双波长输出的稳定性问题,并能达到波长开关的目的。

JHernandez一Cordeor等人利用高双折射光纤中FBG引入的偏振烧孔效应得到了可开关双波长输出,波长间隔0.26nm。Bong.Ahnyu等人则利用高双折射光纤中的取样FBG做波长选择器件组成了可开关Mw一FL。GuaatmDaS等人则利用保偏掺饵光纤中各向异性的增益效应得到了1、2、3、4个波长的输出,波长间隔Inm左右。由于椭圆纤芯的掺饵光纤具有偏振各向异性的增益效应,开关亦可通过调整偏振控制器的状态来实现。

(2)利用偏振依赖元件,引入偏振烧孔效应产生不同波长的激射写在保偏光纤上的长周期光栅可看做一依赖偏振的损耗元件。YongWbokLee等人将此器件套用于雷射器,通过调整腔内偏振态的变化,得到了可开关双波长的雷射输出。

利用一种单模光纤一多模光纤一单模光纤结构,引入空间模式拍频效应,使多模光纤的不同偏振方向的反射模在波长上分离开,利用偏振烧孔效应可实现常温下多波长的稳定输出。LiZhihong,s.jarabo,AlistairJ.poustie等人分别利用此结构得到了不同个数、不同间隔的多波长的输出。迟荣华等人则利用类似结构在掺镜光纤雷射器中得到了2、3、4、6个波长的输出,每个波长均为单一方向线偏振光。这种方法非常简单,只是无法有效控制产生波长的位置及个数。

孙军强等人则利用多量子阱光波导(MQw)做等效反射腔镜,实现了可开关多波长光纤雷射器。多量子阱光波导始终被偏置在闽值以下,反射率可达95%。根据入射光的偏振态与入射强度的不同,经反射后,输出的不同偏振态的光极大地增强了雷射谐振腔内的偏振态非均匀性,从而产生了偏振烧孔效应,可实现稳定的多波长振荡。

以上介绍了近期实现的可开关多波长光纤雷射器的几种新方法。这些方法各有特色,利用不同的增益介质形成交叠腔虽可有效克服模式竞争效应,引入开关性能,但需多段掺杂光纤,且开关特性的控制较複杂。利用共同增益介质的树状拓扑结构,所需器件多一些,但开关简单,各波长特性容易控制,且各波长的功率均衡性较好,是接近实用化的一种方法。利用高双折射光纤引入偏振烧孔效应,虽产生的波长个数受一些限制,但开关简单,而且产生的为偏振光,便于套用。可见,目前的研究方向应是开关简单,各波长之间切换时功率均衡性较好,能稳定工作的可开关多波长的掺饵光纤雷射器。