張偉南，韋小明，徐善輝，楊中民

（華南理工大學光通信材料研究所，廣東 廣州 510641）

鉺鐿共摻磷酸鹽光纖環(huán)形腔脈沖激光器＊

張偉南，韋小明，徐善輝，楊中民

（華南理工大學光通信材料研究所，廣東 廣州 510641）

利用管棒法拉制出單位長度增益大于3．0 dB/cm的高摻雜濃度的鉺鐿共摻磷酸鹽單模光纖；以這種光纖作為增益介質(zhì)，并利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)了毫瓦級脈沖激光輸出．當泵浦功率為300 mW時，環(huán)形腔光纖激光器的平均輸出功率為8．13 mW，脈沖重復率為17．1 MHz，脈沖激光光譜的3－dB帶寬為0．49 nm，轉(zhuǎn)換極限脈沖寬度為5．0 ps．

鉺鐿共摻磷酸鹽光纖；環(huán)形腔光纖激光器；非線性偏振旋轉(zhuǎn)

近年來，隨著鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖在高功率單頻窄線寬光纖激光器[1]、超短脈沖光纖激光器[2]和高功率單頻脈沖光纖激光器[3]等方面的應用越來越廣泛，對鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖的性能要求也越來越高，尤其是在低傳輸損耗和高增益方面．最近，華南理工大學光通信材料研究所利用管棒法拉制出了高摻雜濃度的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖，其纖芯直徑為5．4μm，在1550 nm處的數(shù)值孔徑為0．2．用980 nm半導體激光器泵浦長度為1．5 cm的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖，能獲得大于3．0 dB/cm的凈增益，比目前商用的石英光纖放大器高兩個數(shù)量級[4]．本文著重研究這種光纖應用在超短脈沖光纖激光器中的激光特性．由于實驗室只能提供最大輸出功率為400 m W左右的980 nm泵浦源，因此，需利用數(shù)值模擬方法求得泵浦功率為300 m W時的最佳增益光纖長度．在實驗方面，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)對環(huán)形腔光纖激光器進行調(diào)制，進而實現(xiàn)脈沖輸出．

1 數(shù)值模擬

利用數(shù)值分析方法找出泵浦功率為300 m W時的最佳增益光纖長度．由文獻[5]和文獻[6]我們得到鉺鐿共摻系統(tǒng)的傳輸方程（速率方程從略）．

式（1）和式（2）中，n1（r，z）是鉺離子的4I15/2能級上的粒子數(shù)密度；n5（r，z）和n6（r，z）分別為鐿離子的2F7/2和2F5/2能級上的粒子數(shù)密度；σ13（v）和σ56（v）分別為鉺離子和鐿離子的頻率相關吸收截面；ge（z，v）和ga（z，v）分別為鉺離子和鐿離子的頻率相關發(fā)射截面；α（v）是增益光纖的頻率相關背景損耗；Ps（z）和Pp（z）分別為泵浦光和信號光沿增益光纖縱向功率分布；h是普朗克常數(shù)．

為了分析方便，對鉺鐿共摻系統(tǒng)做以下簡化：由于鉺離子在4I11/2能級上的壽命很短，會很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級4I13/2，因此4I11/2能級上的粒子數(shù)很小，可以假定其粒子數(shù)密度為0；其次，在沒有后向能量傳輸和能量上轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在亞穩(wěn)態(tài)能級的情況下，鉺離子系統(tǒng)可以簡化為二能級系統(tǒng)[6]．基于以上簡化，當激光器達到穩(wěn)定狀態(tài)時，式（1）和式（2）可以通過數(shù)值分析方法求得其數(shù)值解[7]．當泵浦功率為300 m W時，增益沿增益光纖的縱向分布情況如圖1所示．最佳增益光纖長度約為1．8 cm．模擬過程中用到的相關參數(shù)列于表1

表1 增益光纖的相關參數(shù)

圖1 增益沿增益光纖的縱向分布

2 實 驗

實驗裝置如圖2所示．用長度為1．8 cm的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖（Er/Yb）作為增益介質(zhì)；兩個帶尾纖的980 nm半導體激光器通過兩個980/1550 nm波分復用器（WDM）對激光器進行前后向泵浦，前向泵浦激光器的最大輸出功率為180 m W，后向泵浦激光器的最大輸出功率為240 m W；偏振相關隔離器（PD－ISO）用來實現(xiàn)激光單向運行；環(huán)形腔內(nèi)激光的偏振態(tài)通過兩個偏振控制器（PC）來調(diào)節(jié)；激光信號從一個2×2，10/90耦合器（OC）輸出；環(huán)型諧振腔的總長度為12．0 m左右．

圖2 NPR鎖模光纖激光器

激光器連續(xù)光運轉(zhuǎn)的閾值泵浦功率大約為75 mW，而鎖模運轉(zhuǎn)的閾值泵浦功率大約為210 m W．在實驗中，當泵浦功率高于閾值泵浦功率時，適當調(diào)節(jié)兩個偏振控制器，可實現(xiàn)鎖模脈沖輸出．隨后，緩慢地減小泵浦功率，即使泵浦功率小于閾值泵浦功率（210 mW）時還能維持鎖模運轉(zhuǎn)的狀態(tài)．這種滯后現(xiàn)象已被廣泛報導[8]．當泵浦功率為300 m W（前向泵浦功率為140 m W，后向泵浦功率為160 m W）時，脈沖激光器的平均輸出功率為8．13 m W，其斜效率約為3．6%．典型的脈沖序列如圖3所示（由Tektronix TDS3052B型示波器測得），脈沖的重復率為17．1 MHz（接近理論計算值16．7 MHz）．脈沖激光光譜如圖4所示（由YOKOGAWA AQ6370B型光譜分析儀測得），光譜的中心波長為1533．91 nm，3－d B寬度為0．49 nm，經(jīng)計算得到脈沖的轉(zhuǎn)換極限寬度為5．0 ps（假設為雙曲正割型）．在實驗過程中，輸出激光光譜的中心波長可在1533．2 nm與1535．6 nm之間進行調(diào)諧．多數(shù)情況下，環(huán)形腔中只存在一個脈沖，但通過調(diào)節(jié)偏振控制器，可以實現(xiàn)多個脈沖同時運轉(zhuǎn)．

圖3 鎖模脈沖序列

圖4 鎖模激光光譜

3 結(jié) 論

本文報導了一種利用管棒法拉制的高濃度鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖．利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)實現(xiàn)了重復率為17．1 MHz，平均輸出功率為8．13 mW，光譜3－dB寬度為0．49 nm的脈沖激光輸出．

[1]SPIEGELBERG C，GENG J，HU Y et al．，Low－noise Narrow－linewidth Fiber laser at 1550 nm （June 2003）[J]．Journal of Lightwave Technology，2004，22（1）：57－60．

[2]PANASENKO D，POLYNKIN P；POLYNKIN A，et al．Er－Yb femtosecond ring fiber oscillator with 1．1－W average power and GHz repetition rates[J]．IEEE Photonics Technology Letters，2006，18：853－855．

[3]POLYNKIN P，PEYGHAMBARIAN N，MOLONEY J．Efficient energy extraction from large－mode－area，short，heavily Er：Yb codoped phosphate－glass fiber for pulsed laser applications[J]．Applied Physics Letters，2008，92：061115．

[4]XU Shan－h(huán)ui，YANG Zhong－min，ZHANG Qin－yuan et al．Er3＋/Yb3＋codoped phosphate glass fiber with gain per unit length greater than 3．0dB/cm[J]．Chinese Physics Letters，2007，24（7）：1955－1960．

[5]NILSSON J，SCHEER P，JASKORZYNSKA B．Modeling and optimization of short Yb3＋－sensitized Er3＋－doped fiber amplifiers[J]．Photon Technol Lett，1994，6（3）：383－385．

[6]KARASEK M．Optimum design of Er3＋－Yb3＋codoped fibers for large－signal high－pump－power applications[J]．Journal of Quantum Electronics，1997，30 （10）：1699－1705．

[7]BUTCHER J C．Numerical methods for ordinary differential equations[M]．[S．l．]：Wiley，2008：123－299．

[8]ZHAO B，TANG D Y，SHUM P，et al．Energy quantization of twin－pulse solitons in a passively mode－locked fiber ring laser[J]．Applied physics B，2003，77：585－588．

Er3＋/Yb3＋co－doped phosphate fiber Short－pulse ring laser

ZHANG Wei－nan，WEI Xiao－ming，XU Shan－h(huán)ui，YANG Zhong－ming
（Institute of Optical Communication Materials，South China University of Technology，Guangzhou 510640）

A kind of Er3＋/Yb3＋co－doped phosphate fiber with gain per unit length greater than 3．0 dB/cm was fabricated by the rod－in－tube technique．It generated milliwatt pulse laser by using mode－locked technique of nonlinear polarization rotation（NPR）．When the pump power was 300 m W，the average output power，pulse repetition rate，transform－limited pulse duration and 3－d B spectrum width of the laser were 8．13 m W，17．1 MHz，5．0 ps and 0．49 nm respectively．

Er3＋/Yb3＋co－doped phosphate fiber；ring fiber laser；nonlinear polarization rotation

O43

A

1673－9981（2010）04－0360－03

2010－10－20

國家自然科學基金資助項目（60977060）；華南理工大學基金（B09E5060570）

張偉南（1954—），男，廣東廣州人，工程師．