光纤通讯系统中利用的激光器

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文/焦永荣边银旭沈华南京理工大学
光纤光栅是一种经过紫外或飞秒激光写入在纤芯中停止周期性折射率调制的光学无源器件他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。近年来，随着光纤光栅制造技术和工艺的不竭冲破，它所能承载的激光功率越来越高，在高功率持续光纤激光器中发挥着越来越重要的感化他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
1他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。作为“腔镜”
组成高功率光纤激光器的谐振腔
作为一种低消耗的光无源器件，FBG具有杰出的振荡选频特征他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，挑选具有高功率承载特征的光纤光栅作为光纤激光器的谐振腔镜，不但促进了高功率持续激光器的全光纤化成长，而且大猛进步了激光器的信噪比和稳定性，使输出激光功率更高、波长更稳定、光束质量更好他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，它被称为高功率光纤激光器的“心脏”他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
到今朝为止，腔镜的FBG技术已经相当做熟，并已普遍利用于天下各地的光纤激光器行业他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。今朝，国际上可以批量制造腔镜用FBG的公司主如果ITF公司和加拿大Teraxion公司，这两款在售的高功率光纤光栅产物的功率承载特征到达5 kW他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。与国外相比，国内商用腔镜高功率光纤光栅技术的研倡议步较晚，但成长很快他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。今朝，国内的南京理工大学、珠海光库科技有限公司、昌飞光缆有限公司、上海瀚宇光纤通讯技术有限公司等都推出了腔镜用1-5 kW大功率光纤光栅系列产物，完全实现了自立可控，打破了我国大功率光纤激光产业缺少关键器件的焦点困难他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
2他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。作为“过滤器”
高功率光纤激光器激起的非线性效应的提纯
随着激光功率的不竭进步，高功率激光激起的非线性效应成为我国光纤激光产业成长到万瓦时代甚至十万瓦时代的“拦路虎”他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
激光的非线性效应是指在高功率激光感化下，纤芯介质发生非线性偏振，致使受激非弹性散射效应，包括受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。非线性折射效应:包括相位调制(PM)、四波混频(FWM)等他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。激光的非线性效应会致使输出功率受限、光谱展宽、光束质量恶化，甚至烧毁激光系统他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，若何净化高功率光纤激光器中的非线性效应已成为我国激光行业亟待处理的题目他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
近年来，研讨职员发现，操纵特别结构的光纤光栅怪异的滤波特征，可以将非线性效应从光纤的纤芯剥离，从而净化激光的非线性效应他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。而且，由于光纤光栅的高度集成性和兼容性，基于光纤光栅的非线性效应抑制技术敏捷成为激光范畴的研讨热门之一他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
①基于啁啾倾斜光纤光栅的受激拉曼散射效应抑制技术
CTFBG的周期凡是在亚微米量级，属于短周期光纤光栅他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。与普通FBG相比，CTFBG的光栅面与光纤轴向成一定角度，这使得它可以将前向传输纤芯形式耦合到后向传输包层形式(CTFBG也会将少许前向纤芯形式耦合到后向纤芯形式)，如图1所示他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，操纵CTFBG的这一特征，经过控制CTFBG的周期、长度、啁啾率等参数，可以使CTFBG的消耗峰与SRS效应激起的斯托克斯光谱配准，从而使SRS效应从纤芯耦合到包层，并被光纤激光器自己的包层剥离器从激光系统中完全剥离，终极到达净化SRS效应的目标他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。


图1（a）CTFBG的结构及SRS抑制道理，（b）CTFBG的透射光谱，（c）接入CTFBG前激光器输出光谱，（d）接入图1(a)CTFBG的结构和SRS抑制道理，(b)CT FBG的透射光谱，(c)接入CT FBG之前的激光输出光谱，(d)接入
2017年以来，拉曼抑制的CTFBG制造技术不竭成长，承载功率从几百瓦冲破到几千瓦他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。这项技术获得了激光行业的认可他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。加拿大Teraxion公司、南京理工大学、国内珠海光库科技有限公司都推出了成熟的CTFBG产物，承载功率3-5 kW，在激光行业获得了普遍利用他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。CTFBG可以焊接在MOPA系统的种子源和放大器之间，也可以焊接在振荡器和MOPA系统放大器的输出之间(剥离器以后)他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。其用处首要包括:一是下降或抑制激光系统自己激起的SRS效应；其次是后续系统(传能光纤、激光加工装配等)激起或反射的SRS效应他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。)被阻止进入激光器的谐振腔或放大器，以避免谐振腔或放大器对SRS效应的快速放大而致使激光器损坏他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
但CTFBG仍需在两个方面停止优化:
首先，需要下降CTFBG的插入消耗他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。 CTFBG不但能将SRS效应耦合到包层中，还能将少许信号激光耦合到包层中，然后被剥离器剥离他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。假如将CTFBG放在振荡器或放大器的输出端，激光器的输出功率会下降3-4%左右，这是我们不愿意看到的他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。今朝支流的处理计划是经过稍微牺牲SRS效应的抑制率来下降CTFBG的插入消耗他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。例如，当CTFBG的SRS抑制率在99%以上时，其信号光的插入消耗将跨越3%；可是，假如将CTFBG的SRS抑制率下降到90%左右，则信号光的插入消耗可以下降到2%左右他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
其次，CTFBG的承载才能有待进步他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。随着国产激光器功率的不竭进步，对CTFBG的承载才能提出了更高的要求他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。CTFBG的下一个方针是跨越10000瓦他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。飞秒激光光刻建造CTFBG似乎是一条可行的技术线路，南京理工大学、国防科技大学等他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。已经在这个技术偏向停止了结构他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。相信随着CTFBG制造技术和工艺的不竭成熟，其在激光行业的利用会越来越普遍他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
②基于长周期光纤光栅的受激拉曼散射效应抑制技术
长周期光纤光栅的周期凡是在亚毫米或毫米量级他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。与CTFBG等反射型光纤光栅分歧，LPFG是一种透射型光纤光栅，可以将正向传输的纤芯形式耦合到正向传输的包层形式中他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。那末也可以经过控制LPFG的周期和长度来抑制SRS效应，如图2所示他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。


图2（a）LPFG的结构及SRS抑制道理，（b）LPFG的透射光谱，（c）接入LPFG前激光器输出光谱，（d）接入LPF图2(a)LPFG的结构和SRS抑制的道理，(b)LPFG的透射光谱，(c)毗连到LPF之前的激光输出光谱，以及(d)LPF他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
LPFG不会将前向纤芯形式耦合到后向纤芯形式，这使得LPFG的利用平安性高于CTFBG (CTFBG会将少少许的SRS效应耦合到后向传输纤芯形式中，在极高的功率下能够被谐振腔或放大器放大，致使系统自己激起的SRS效应浪涌)他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。该技术线路最早由德国耶拿大学提出，我国南京理工大学和国防科技大学也对其停止了深入研讨他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。2020年，南京理工大学研制的拉曼抑制长周期光纤光栅初次冲破千瓦，为该技术的产业化利用奠基了根本他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
与CTFBG相比，LPFG具有更低的插入消耗(信号光的消耗小于1%)、更低的制造本钱和更高的平安性，但LPFG最大的题目是对情况的高敏感性他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。应力、曲折、温度、湿度等情况身分的稍微变化他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。城市致使LPFG的周期等参数的变化，从而致使LPFG的消耗峰漂移(与SRS效应谱不婚配)，致使SRS效应的抑制结果下降他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，开辟更高效的脱敏封装办法是LPFG急需处理的题目他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
③基于倾斜光纤光栅的SBS效应抑制技术，TFBG)
SBS效应是成长高功率单频或窄线宽光纤激光器首先要处理的题目之一他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。当到达SBS的激起阈值时，前向激光功率会滞胀，注入的激光能量会转化为后向斯托克斯光，对窄线宽光纤激光器形成严重的损伤他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
SBS效应凡是与信号激光接近，它与信号激光的波长差小于0.1 nm(凡是约为0.07 nm)，所以我们不能用CTFBG或LPFG来滤除SBS效应他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。这是由于CTFBG和LPFG的带宽太宽(跨越10 nm)，滤除SBS效应时会损失大部分信号激光能量他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，为领会决这个题目，国防科技大学提出了基于TFBG的SBS效应抑制技术他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。与CTFBG分歧，TFBG的透射光谱呈梳状，如图3所示他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。然后经过控制TFBG的倾斜角、周期等参数，可以使相邻两个“梳齿”之间的间隔小于0.1 nm，而且可以用SBS效应配准两个“梳齿”的波长他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。这样，SBS效应可以经过TFBG从纤芯耦合到包层，而信号光可以低消耗地经过两个“梳齿”之间的裂缝他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。


图3（a）基于TFBG的光纤SBS抑制尝试系统表示图，（b）TFBG的透射光谱，（c）基于TFBG的SBS抑制结果图3(a)基于TFBG的光纤SBS抑制尝试系统表示图，(b)TFBG的透射光谱，(c)基于TFBG的SBS抑制结果
这类方式很奇妙，可是面临的题目和LPFG类似，情况的稍微变化也会形成TFBG的波长漂移他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。一旦“梳齿”漂移到信号激光，信号激光的消耗就会大大增加，信号激光功率的忽然下降对于MOPA结构的窄线宽光纤激光器来说是很是危险的他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，进步高TFBG的抗情况扰动才能是该技术线路能否利用于高功率窄线宽光纤激光器的关键他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
④基于相移长周期光纤光栅的非线性折射效应抑制技术
非线性折射效应(包括相位调制效应、四波混频效应等他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。)首要致使光纤激光器输出光谱的展宽，这也是高功率窄线宽光纤激光器亟待处理的题目之一他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。针对这一题目，南京理工大学提出了操纵PS-LPFG抑制高功率光纤激光器输出光谱展宽的方式他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
PS-LPFG是一种长周期光纤光栅，是以它也可以将正向传输的纤芯形式耦合到正向传输的包层形式中他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。与普通LPFG分歧的是，PS-LPFG中心有一个相移，这样PS-LPFG的消耗峰就会割裂，然后在消耗峰中发生一个通带他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，经过控制PS-LPFG的周期、长度、相移位置和相移量等参数，PS-LPFG的阻带可以与非线性折射效应引发的展宽激光配准，PS-LPFG的通带也可以与信号激光配准他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。这样，展宽激光将经过PS-LPFG耦合到包层，而信号激光可以继续在纤芯中传输，几近没有消耗，如图4所示他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。


图4（a）PS-LPFG的结构及优化激光光谱线宽的道理，（b）PS-LPFG的透射光谱，（c）PS-LPFG的光谱线宽优图4(a)PS-LPFG的结构和优化激光光谱线宽的道理，(b)PS-LPFG的透射光谱，(c)PS-LPFG的光谱线宽很是优异他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
这类方式类似于国防科技大学提出的TFBG抑制SBS效应的方式，操纵带通滤波器滤除散布在信号激光两侧的非线性效应他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。但是，若何使PS-LPFG的半峰全宽到达亚纳米水平(今朝研制的PS-LPFG凡是为2-5 nm)，并使阻带半峰全宽连结在10 nm水平以上，是PS-LPFG能否用于高功率窄线宽光纤激光器的关键他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。由于PS-LPFG是长周期光纤光栅，进步其抗情况干扰的才能也是未来要处理的焦点题目之一他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
3他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。未来远景
光纤光栅(FBG)在高功率光纤激光器中有着广漠的利用远景他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。笔者以为，FBG技术未来将向以下几个偏向成长:
①向更高承载才能成长
随着光纤激光器产物功率跨越万瓦，业界也对光纤光栅提出了更高的承载功率要求他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。但是，光纤光栅制造进程中的再涂覆工艺是限制其承载才能进步的首要身分他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。灰尘、气泡、裂缝等他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。在重涂进程中发生的会致使包层光漏入镀膜层致使镀膜层发热，随着功率的进一步增加，光纤光栅的镀膜层会烧毁他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。由于镀膜层对800 nm激光高度通明，未来可以操纵800 nm飞秒激光在不剥离镀膜层的情况下建造高功率光纤光栅，有能够使光纤光栅的承载功率跨越5 kW甚至更高他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
②向更长波长偏向成长
中红外波段覆盖了很多大气传输窗口和重要的份子吸收地区，使得中红外光纤激光器普遍利用于生物医学、传感、军事国防等范畴，成为激光范畴的重要成长偏向之一他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。中红外光纤光栅是鞭策中红外光纤激光器向高功率、高效力成长的关键技术之一他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。是以，中红外光纤光栅的开辟技术将成为未来的研讨热门他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
③向偏振控制技术成长
可以输出线偏振激光的高功率光纤激光器在激光雷达、空探测、高精度传感系统等范畴发挥侧重要感化他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。今朝，线偏振光纤激光器凡是采用保偏光纤实现线偏振激光输出，而45°倾角的CTFBG供给了一种新的计划，只需在普通高功率光纤激光器中融合一个或多个CT FBG即可实现线偏振激光输出他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。与传统方式相比，该方式可以下降激光器的制造难度和本钱，相信将成为未来高功率光纤光栅的首要成长技术线路之一他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
作者先容:
焦永荣，南京理工大学电子工程与光电技术学院博士他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
边银旭，南京理工大学电子工程与光电技术学院讲师他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。
沈华，南京理工大学电子工程与光电技术学院教授，博士生导师他早就发现系统有个隐藏的缝隙私下花了好几个早晨优化了代码。