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光通訊
雙包層摻鐿光纖研究進展

1 引  言

光纖激光器是近幾年激光領域關注的熱點之一,將常規激光器的調 Q、鎖模等技術引入到光纖激光器中,不僅拓寬了光纖激光器的研究領域,而且推動了激光技術的發展。在同樣的輸出功率下,光纖激光器的光束質量、光傳遞特性、可靠性和體積大小等都占有優勢。

光纖激光器最初在上世紀 60 年代提出,但一直進展緩慢,直至低損耗光纖制造技術和半導體激光器有了一定的發展與應用,才為光纖激光器帶來了新的前景。光纖激光器以摻雜光纖作為激光介質,與塊狀激光介質相比,具有以下顯著的優點:介質細長易于散熱;在 LD 抽運固體激光器中,熱量集中于一個小體積內,而散熱表面又比較小。采用光纖作激光介質,其表面積比相同體積的塊狀介質要大1000 倍左右,從而大大緩解了散熱問題;激光橫模由光纖纖芯直徑和數值孔徑決定,不會因介質的熱形變而發生變化,因而易于達到單橫模,一般光束質量因子 M2臆1.3,有的已可達到 1.05;由比纖芯截面積大至少一個量級的內包層實行光抽運,抽運光進入內包層即可,而不是直接抽運到單模的纖芯,因此抽運效率和功率都比較高[1]

自1988年Snitzer等[2]提出雙包層光纖之后,基于這種包層抽運技術的光纖激光器和放大器獲得了快速發展。特別是近年來,隨著高功率半導體激光抽運技術和雙包層光纖制作工藝的發展,光纖激光器的輸出功率已經從最初的幾百毫瓦上升到了千瓦水平。1999 年V.Dominic等[3]用4個45W的半導體激光器從兩端抽運,獲得了110W 的單模連續激光輸出。近幾年,高功率雙包層光纖激光器的發展十分迅速,單纖輸出功率(連續)已達到 2100W。

隨著雙包層摻鐿光纖的研究成熟,高功率光纖激光器的研究飛速發展。高功率摻鐿光纖激光器在材料加工領域有著廣闊的應用前景,將它作為拉曼放大器的高功率抽運源,也是目前世界上比較熱門的話題。近年來興起的高濃度摻雜雙包層摻鐿光纖激光器在國內外掀起光纖激光器的研究高潮,結合光纖激光器的結構簡單、體積小、散熱性好、壽命長、激光輸出品質高等優勢,易于制造出性能優越的高功率激光武器等優點,目前已經引起國內外各大廠商的極大興趣。

 

圖1是英國 SPI 公司對光纖激光器市場發展的統計和預測,2004 年光纖激光器占整個激光器市場的5,到2007年光纖激光器將占整個激光器市場的19。

2004年全球光纖激光光電子產值為 54 億美元,據此計算光纖激光器產值為3億美元左右,其中還不包括相關產業鏈的產值。而隨著高功率雙包層光纖激光器的抽運耦合和相干組束等相關技術的成熟,在材料加工領域這種激光器正在大規模地取代傳統的氣體激光器和固體激光器,市場十分巨大。

2 雙包層摻鐿光纖的激光放大機理

摻鐿單模石英光纖具有寬的增益帶寬、長的上能級熒光壽命、高的量子效率和無濃度猝滅、無激發態吸收等特點,激光輸出波長在1.01~1.162mm 范圍內可調諧,可用于高功率激光系統和抽運 1.3mm摻鐠光纖放大器、摻銩上轉換光纖激光器等。摻鐿光纖放大器可以實

現功率放大和小信號放大,因而可用于光纖傳感器、自由空間激光通信和超短脈沖放大等領域。

Yb3+電子構型為 4f13,有2個電子態,即基態和激發態。在配位場作用下,基態和激發態產生斯塔克分裂,形成準4能級的激光運行機制如圖2。

 

普遍認為,作為能級結構最簡單的激活離子,Yb3+不存在上轉換、激發態吸收和濃度

淬滅,極大降低了材料的熱負荷,具有很高的能量轉換效率,可獲得很好的激光輸出光束;具有較長的熒光壽命,能有效儲存能量。與其它稀土離子相比,Yb3+離子的光譜結構更為簡單,僅由基態2F7/2 和激發態2F5/2兩個能級族組成。當利用波長為976nm的激光抽運時,Yb3+離子將從基態能級2F7/2中的子能級a抽運到激發態能級2F5/2中的子能級e,對應抽運波長為 976nm。然后,Yb3+離子快速無輻射躍遷馳豫到激發態的子能級d,在準4能級躍遷的情況下,Yb3+離子將從激發態的子能級d到基態的子能級c形成自發輻射躍遷,躍遷對應的中心波長為1081nm。

 

包層抽運的關鍵技術是雙包層光纖的設計和制造,圖3為雙包層光纖的結構示意圖。它由四部分構成:(1)纖芯,(2)內包層,(3)外包層,(4)保護層。纖芯由摻鐿的二氧化硅構成,在光纖激光器中作為激光介質,也作為單模激光的波導;內包層由純二氧化硅構成,其尺寸

和數值孔徑比芯大得多;外包層由軟聚合物構成;保護層由硬聚合物構成。由于抽運光在內包層中多模傳輸,而內包層有較大的橫向尺寸和數值孔徑,因而可以選擇大功率的多模激光二極管陣列作抽運源,這樣就大大提高了耦合效率和入纖抽運功率。同時,光纖中的抽運光功率較大,可以提高光纖激光器的輸出功率。另外,抽運光的吸收效率與內包層的形狀有關。內包層中的光受外包層限制,在內包層之間來回反射,不斷穿過纖芯并被吸收,所以抽運光在光纖的一端耦合進入光纖,在光纖的整個長度上被抽運,大大提高了抽運功率。雙包層光纖提高了抽運功率,卻降低了抽運效率,這是因為抽運光入射位置和角度不同,進入光纖后光線分為子午光線和偏射光線。偏射光線與纖芯不相交,這種光線的吸收率很低,因此影響了抽運效率。因此一般通過打破抽運光波導的中心對稱結構,使螺旋線能夠多次穿越纖芯,從而使抽運光纖不斷被纖芯中的稀土離子吸收,更好地提高抽運轉化效率。

通常纖芯中摻入Al3+改善光纖的激光特性提高纖芯的折射率,Al3+和Si4+可以互相替代,當存在少量Al2O3時,都以[AlO4]四面體存在與[SiO4]形成玻璃骨架,[SiO4]和[AlO4]配位體形狀相似。但由于[AlO4]有多余的負電價,按結晶化學電中性原則,必須吸引正離子來保持平衡,因此會在一定程度上增加網絡致密性,同時[AlO4]對正離子相對于[SiO4]有更大的需求,因此增加了稀土離子在玻璃中的溶解度。同時通過摻入Al3+可增大斯塔克分裂值使Yb3+離子的吸收和熒光光譜展寬,從而增加抽運波長的帶寬和增大輸出激光的可調諧范圍。圖4和圖5分別是Yb3+離子在SiO2-GeO2玻璃和SiO2-Al2O3 玻璃中的吸收光譜,從兩個光譜中可以看到,在纖芯中摻入 Al3+離子后,其吸收峰明顯展寬,而且在915nm 左右其吸收峰增大了很多,這就降低了對915nm波長左右半導體抽運源的要求,可以降低激光器的成本,增加抽運效率。

 

 

圖6和圖7分別為纖芯摻鋁的雙包層摻鐿光纖的熒光譜和熒光壽命,從圖中可以看出,熒光譜線中存在兩個輻射峰,980nm的峰比較陡,半峰全寬 (FWHM) 只有5nm,在980nm 對抽運光的吸收也很強;而1025nm的峰較為平緩,半峰全寬大約50nm。這種光纖的熒光壽命值為840ms,這和一些文獻報道的摻鐿硅酸鹽玻璃的壽命在量級上相當。

理論和實驗結果均表明,雙包層光纖的抽運吸收不僅與摻稀土濃度和纖芯尺寸 (纖芯和內包層面積的比)有關。還與內包層的形狀有關,因而,從雙包層光纖提出到現在,已經有大量的文章從理論和實驗上進行光纖內包層形狀的優化設計,以便提高對抽運光的吸收效率,達到在同樣摻雜濃度和內包層尺寸的情況下,使用較短的光纖就可以獲得較高功率輸出的目的。

最早提出和實現的是圓形內包層的雙包層光纖,摻雜纖芯處于圓形內包層的中心,在這種情況下,由于其完美的對稱性,存在大量的螺旋光線,這些光線在內包層中多次反射卻永遠不能到達纖芯區域,從而不可能被纖芯吸收,這樣即使采用較長的光纖仍然會有大量的漏光存在,使得轉換效率難以提高。解決這一問題的途徑之一是保持內包層的圓形形狀,將摻雜纖芯偏離圓形的中心(稱為偏心形),這樣就可以使更多的抽運光可以進入纖芯區域,提高抽運吸收功率,但仍然有大量的螺旋光存在。第二種方法是保持纖芯在內包層的中心,但改變內包層的形狀。目前人們已經提出并拉制出D形、長方形(包括正方形)、梅花瓣形等內包層形狀的雙包層光纖。在這些雙包層光纖中,抽運光線中的螺旋光線減少,從而相對于圓形內包層形狀的光纖來說,抽運吸收效率大大提高。但D形、長方形和正方形也存在幾種局域模式,光線在包層中穩定反射而不能進入纖芯,因此設計內包層形狀新穎、工藝上能接受的雙包層光纖,盡可能地除去光線的一切局域穩定模式,是一個非常有意義的工作。

這樣可以使得效率更高,纖芯摻雜濃度同樣的情況下所需的光纖更短。圖8為典型的內包層形狀。

 

3 大模面積雙包層摻鐿光纖

雙包層光纖的結構對其激光特性的影響是多方面的,如:纖芯摻雜離子種類決定了輸出激光的波長,纖芯的幾何尺寸決定了輸出激光的功率大小,纖芯的數值孔徑決定了輸出激光的光束質量,內包層的幾何尺寸和數值孔徑決定了可注入抽運功率的大小等。光纖纖芯的組成成分和比例影響著稀土離子的摻雜濃度和摻雜均勻性,此外還影響著輸出激光功率,其主要表現在:

1) 光纖端面的光損傷;2)光纖中的非線性效應限制了功率的提高。

純石英的激光損傷閾值非常高,在脈沖激光下的損傷閾值約為10GW/cm2,即 100W/mm2,以此計算,典型單模纖芯似乎可以實現高達千瓦量級激光功率輸出。實際上,10GW/cm2 是脈沖激光的峰值功率密度,對于連續激光來說,石英的激光閾值會小于此值。特別是對于摻雜石英光纖來說,由于摻雜引起的純度和均勻性的降低,大大降低了光纖端面的激光損傷閾值。同時,由于雙包層光纖激光器纖芯中的激光功率密度非常高,且光纖較長,非線性效應出現的可能性就很大。光纖中主要的非線性效應包括:受激布里淵散射、受激拉曼散射和自相位調制 (對脈沖激光來說)。

盡管增大纖芯直徑可以增加光纖輸出激光功率,降低光纖的激光損傷閾值,但是單一地增大纖芯尺寸會引起光纖歸一化截止頻率減小,降低輸出激光的光束質量,所以為了實現單橫模激光輸出,并盡可能克服端面激光損傷和非線性效應這兩個因素給功率提高帶來的限制,在設計和選用光纖時,應盡量減少內包層和纖芯的折射率差,同時相應增大纖芯直徑。這就需要在結構設計時充分考慮,同時還要對其它結構參數進行研究,如,內包層直徑、內包層數值孔徑、涂層特性和同心度等,提高和優化雙包層光纖的各項光學特性、機械特性和環境特性。

由于材料限制,纖芯數值孔徑最小耀0.06,所對應的單模芯徑小于30mm 。而對于更大的纖芯來說將是多模輸出。同時由于相對高的摻鐿濃度會導致纖芯折射率的提高,因此進一步降低纖芯數值孔徑只能在纖芯中摻入氟等降低折射率的材料,但這種降低有限而且會降低光纖的激光損傷閾值。

 

另外,大芯徑雙包層摻鐿光纖存在宏彎損耗偏大的問題,圖9為60mm 纖芯雙包層光纖的宏彎損耗理論計算曲線,其中(a)為宏彎損耗與彎曲半徑之間的關系曲線;(b)為彎曲半徑為100mm 時宏彎損耗與波長的關系曲線。從圖中可以看出當纖芯直徑較大時,光纖的宏彎損耗不容忽視,而且可以通過避免光纖的小彎曲來避免過大的宏彎損耗。

總之大模場面積雙包層摻鐿光纖可以提高光纖的激光輸出功率和抽運效率,但同時也會造成激光光束質量變差、光纖彎曲損耗變大等問題。

4 多芯雙包層摻鐿光纖

相對于單纖芯雙包層摻鐿光纖的缺點(如在保證單模輸出的情況下纖芯直徑有限,限制了輸出功率)多芯雙包層摻鐿光纖就具有明顯的優點。尤其是對脈沖光纖激光器來說,光纖激光器的主振功放(MOPA)結構可以獲得窄線寬激光輸出,但功率超過 2W 就會出現明顯的受激布里淵散射等非線性效應,從而限制了向更高功率發展。多芯光纖激光器是解決這個問題比較好的方案之一。 對多芯雙包層摻鐿光纖的研究開展較多[5~9],在多芯雙包層摻鐿光纖中每個纖芯的摻雜濃度、直徑等參數都相同且規則排列,每個纖芯之間間距很小。由于振蕩激光瞬時波的耦合使得各纖芯產生的激光相互作用,達到同相位輸出。

 

如圖10為19芯雙包層摻鐿光纖的結構圖。而每個纖芯中只傳輸單橫模,其歸一化頻率小于2.4。根據模式耦合理論,多芯將有N個超級模式,N為纖芯數目。由于所有的纖芯有相同的相位,因此光纖可以得到最好的光束質量(M2值接近于1)。

 

圖11為這種 19 芯雙包層摻鐿光纖的三維近場和遠場能量分布圖,從圖中可以清晰地看出經過多個纖芯間激光的相互作用,產生的激光能量主要集中在中心部分。對多芯雙包層摻鐿光纖的研究還在積極展開,在光纖的研制上,由于對多個纖芯的一致性要求較高,而且纖芯直徑要非常接近,因此在工藝實現上有一定難度。

5 微結構雙包層摻鐿光纖

光子晶體光纖具有規則排列著空氣孔的二氧化硅陣列構成的包層,光纖的核心是由一個破壞了包層結構周期性的缺陷構成。這個缺陷可以是固體二氧化硅,也可以是空氣孔。光子晶體光纖有效地擴展了光纖的應用領域。首先,光子晶體光纖具有極低的損耗、色散和非線性,克服了傳統單模光纖的本征吸收和瑞利散射,避免了模式色散和材料色散,大大降低了非線性;其次光子晶體光纖的截止波長很短,可在近紫外到近紅外全波段維持單模運轉,使單模工作波段向短波方向擴展了600-700nm。光子晶體光纖的可控周期性折射率變化使它在無源和有源器件中有著廣泛的應用前景,特別是其模場面積的可大可小可開發出新的光纖激光器和光纖放大器。微結構光纖雙包層摻鐿光纖就是利用光子晶體光纖的特性在光纖內包層內沿軸向排列了有序或無序的空氣孔。通過引入這些空氣孔可以有效提高光纖的激光輸出光束質量,還可以有效解決常規雙包層摻鐿光纖中的熱問題。現分析如下:

 

圖12為微結構雙包層摻鐿光纖和常規雙包層光纖內包層和纖芯的結構簡圖。右圖為常規光纖結構,對于常規光纖而言單模運行的條件是歸一化頻率其中,

                                                                    

a 為纖芯半徑,nco 和 ncl 分別為纖芯和包層的折射率。對于一定纖芯的光纖,要提高其光束質量就必須要降低其纖芯折射率從而降低纖芯數值孔徑,但是由于材料和波導結構的限制,常規雙包層摻鐿光纖很難實現纖芯的低數值孔徑(一般來說極限為0.06),而實現低數值孔徑與摻雜濃度、效率等也很難兼顧。

                                                                           

而對微結構雙包層摻鐿光纖來說,由于內包層中引入了周期排列的小孔其單模運行條件為歸一化頻率其中為相鄰氣孔間距,nco (l)和ncl(l)分別為纖芯和包層的有效折射率,周期性排列的小孔可以有效降低纖芯數值孔徑 (可以降低到0.03)。圖13為微結構雙包層摻鐿光纖和歸一化頻率的關系曲線。

 

微結構雙包層摻鐿光纖與常規雙包層摻鐿光纖的另一個主要區別是微結構雙包層摻鐿光纖以比內包層中的空氣孔更大的氣孔來實現內包層的高數值孔徑而不采用低折射率涂料。增大內包層尺寸的數值孔徑有利于簡化抽運光的耦合和傳輸更大的抽運光功率,通過增大數值孔徑,內包層的可傳輸功率將以平方增加。

常規的雙包層摻鐿光纖采用低折射率的聚合物作為外包層,使內包層具有較大的數值孔徑。一般內包層的折射率為0.38,采用更低折射率的聚合物涂料則可以達到0.46甚至0.60,但是用低折射率的聚合物涂料的缺點是,一方面由于應用于光纖激光器時需要對雙包層光纖進行端面處理,低折射率涂料容易在端面處理時損傷,引起對抽運光的較大吸收而造成端面的燒毀;另一方面,低折射率涂料的作用是將抽運光束縛在內包層中,在傳輸過程中抽運光在外包層即低折射率涂料的表面上不斷反射,盡管這種聚合物對抽運光的吸收較小,但在高功率激光器中這也是一個不可忽視的問題;第三,盡管采用低折射率涂料可以使內包層具有較高的數值孔徑,但由于這種聚合物本身的性質,其折射率的降低也很有限;此外,低折射率聚合物涂料的價格非常昂貴。

而微結構雙包層摻鐿光纖由于采用空氣孔作為外包層因此在很大程度上可以解決以上問題,在理論上可以實現內包層數值孔徑在1以上,目前微結構雙包層摻鐿光纖的單纖輸出功率為1530W高于常規雙包層摻鐿光纖的最高單纖輸出功率,而且沒有熱問題。

6 結束語

近年來,隨著高功率雙包層光纖激光器的迅速發展,對雙包層摻鐿光纖的理論、制造技術的發展方向的研究也積極展開。通過調整雙包層摻鐿光纖的纖芯玻璃組成成分、優化結構可以有效改善光纖的激光輸出特性。雙包層摻鐿光纖隨著更高輸出功率的要求在向大模面積、多芯和微結構方向發展。

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