长沙理工大学：《光电子学》课程教学资源（实验指导）光纤激光器

光纤激光器参数测量 实验目的] 1.了解光纤光栅的工作原理及相关特性： 2.了解光纤激光器的工作原理及相关特性： 3.掌握光纤激光器性能参数的测量方法： [实验原理] 全光纤可调谐激光器是高速大容量光通信系统中的关键部件，特别是它的 较宽的增益带宽和简便稳定的调谐结构，以及其激光波长恰好处在光通信 1500m波段等诸多独特优点，越来越引起广大光通信工作者的极大重视，已成 为激光器研制领域的一个热点。 在光纤通信中，稀土掺杂的光纤激光器较之半导体激光器有如下优点： 1.不必经过光电转换可直接对光信号放大。在不改变原有的噪声特性和误码率 前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。 2.光纤激光器的激射波长由基质材料的稀土掺杂剂所决定，不受泵浦光波长的 控制。 3.光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完 全相容，可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。通过定向耦合 技术和Bragg反射器技术，可以制作出窄线宽、可调谐的光纤激光器。 4.光纤激光器可以作为光孤子源。掺铒光纤锁模激光器能直接产生足够功率的 变换极限超短光脉冲：同时由于光脉冲在光纤谐振腔中传输时的非线性效 应，在适当的条件下，可产生脉宽为数十或数百飞秒的变换极限双曲正割形 光脉冲，是光孤子通信的理想光源。 掺铒光纤激光器是利用掺入石英光纤的稀土铒(E)离子作为增益介质，在 泵浦光激发下进行光放大从而发射激光，其特性主要由掺杂元素决定，而不是由 起主介质作用的石英光纤决定。 产生激光放大的过程是在增益介质的吸收波长上提供泵浦，使掺铒光纤有效 获得能量而被激光。激活后的光纤介质提供形成激光放大的条件。介质的吸后与 发射光波长取决于介质的能级结构。图1.16展示了铒离子(E)的能级结构。 由于石英的非晶态特性，E+的能级展宽为一定的能带。在泵浦光照射下，电子

光纤激光器参数测量 [实验目的] 1. 了解光纤光栅的工作原理及相关特性； 2. 了解光纤激光器的工作原理及相关特性； 3. 掌握光纤激光器性能参数的测量方法； [实验原理] 全光纤可调谐激光器是高速大容量光通信系统中的关键部件，特别是它的 较宽的增益带宽和简便稳定的调谐结构，以及其激光波长恰好处在光通信 1500nm 波段等诸多独特优点，越来越引起广大光通信工作者的极大重视，已成 为激光器研制领域的一个热点。 在光纤通信中，稀土掺杂的光纤激光器较之半导体激光器有如下优点： 1. 不必经过光电转换可直接对光信号放大。在不改变原有的噪声特性和误码率 前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。 2. 光纤激光器的激射波长由基质材料的稀土掺杂剂所决定，不受泵浦光波长的 控制。 3. 光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件(如耦合器、偏振器和调制器)完 全相容，可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。通过定向耦合 技术和 Bragg 反射器技术，可以制作出窄线宽、可调谐的光纤激光器。 4. 光纤激光器可以作为光孤子源。掺铒光纤锁模激光器能直接产生足够功率的 变换极限超短光脉冲；同时由于光脉冲在光纤谐振腔中传输时的非线性效 应，在适当的条件下，可产生脉宽为数十或数百飞秒的变换极限双曲正割形 光脉冲，是光孤子通信的理想光源。 掺铒光纤激光器是利用掺入石英光纤的稀土铒(Er3+)离子作为增益介质，在 泵浦光激发下进行光放大从而发射激光，其特性主要由掺杂元素决定，而不是由 起主介质作用的石英光纤决定。 产生激光放大的过程是在增益介质的吸收波长上提供泵浦，使掺铒光纤有效 获得能量而被激光。激活后的光纤介质提供形成激光放大的条件。介质的吸后与 发射光波长取决于介质的能级结构。图 1.16 展示了铒离子（Er3+）的能级结构。 由于石英的非晶态特性，Er3+的能级展宽为一定的能带。在泵浦光照射下，电子 1

从下能级(1s2)向上能级跃迁，对应于光的吸收，根据不同的泵浦光波长，跃 迁至不同的能级。当泵浦光能量足够时，被泵浦光抽运到上能级而停留在亚稳态 能级上的粒子数会超过基态上剩余的粒子数，形成粒子数反转。随后产生粒子数 反转分布的E由上能级向下能级发生受激辐射，对应于发射激光的过程。对 E+,存在如下有实际意义的跃迁过程： [41,,(对应800nm泵浦) 吸收过程：从基态1,2→{42(对应980nm泵浦) I12(对应1480nm泵浦) 激光发射过程：从激发态*11n→1sn(对应1536nm) 4444441 图1参铒光纤中Er”能级图，14ms为上能级平均寿命 掺铒光纤激光器的基本结构与其它类型的激光器基本相同，主要由泵浦源、 掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成。此处掺铒光纤是增益介质。当泵浦光（多 采用半导体光源)通过掺铒光纤时，借助泵浦光的能量实现E*的反转分布，随 后出现受激辐射光放大。常见的谐振腔结构主要有两种： (1)F-P腔 使用介质膜或金属膜的方法构成F-P腔，典型的线性腔光纤激光器如图2所 示。可以有单向泵浦、双向泵浦两种，其中单向又可分为正向泵浦和反向泵浦 两种方式，反向泵浦可使更多泵浦光能量转化为信号光能量，因而可获得比同向 2

从下能级（4 I15/2）向上能级跃迁，对应于光的吸收，根据不同的泵浦光波长，跃 迁至不同的能级。当泵浦光能量足够时，被泵浦光抽运到上能级而停留在亚稳态 能级上的粒子数会超过基态上剩余的粒子数，形成粒子数反转。随后产生粒子数 反转分布的Er3+由上能级向下能级发生受激辐射，对应于发射激光的过程。对 Er3+，存在如下有实际意义的跃迁过程[3]： 吸收过程： ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ → （对应 泵浦） （对应 泵浦） （对应 泵浦） 从基态 I 1480nm I 980nm I 800nm I 2/13 4 2/11 4 2/9 4 2/15 4 激光发射过程：从激发态4 13/2 →4 II 15/2 （对应 1536nm） 图 1 掺铒光纤中Er3+能级图，14ms为上能级平均寿命 掺铒光纤激光器的基本结构与其它类型的激光器基本相同，主要由泵浦源、 掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成。 此处掺铒光纤是增益介质。当泵浦光（多 采用半导体光源）通过掺铒光纤时，借助泵浦光的能量实现Er3+的反转分布，随 后出现受激辐射光放大。常见的谐振腔结构主要有两种： （1）F-P 腔 使用介质膜或金属膜的方法构成F-P腔，典型的线性腔光纤激光器如图2所 示。可以有单向泵浦、双向泵浦两种， 其中单向又可分为正向泵浦和反向泵浦 两种方式，反向泵浦可使更多泵浦光能量转化为信号光能量，因而可获得比同向 2

泵浦光高约3dB的增益，但反向泵浦方式噪声系数将比同向泵浦高（约1.5B),二 者相结合的双向抽运可实现高增益。 (2)环形腔 泵浦光能量由980nm1550nm波分复用器耦合到掺铒光纤中构成环形谐振 腔，隔离器的作用是提高激光输出的稳定性，耦合比可视要求而定。 掺铒光纤 ☆00+ 耦合器 匹配液光纤光帮 光纤光栅 隔离器 980mm激光二极管 (a) 00 隔离器 掺饵光纤 耦合器 耦合器 激光二极管 输出 (b) 图2掺铒光纤激光器结构(a)F-P腔：(b)环形腔) 光纤调谐激光器常用的调谐方法有旋转光栅、调节腔内标准具角度、利用 声光滤波器、电调液品标准具、可调谐光纤光栅等等，调谐范围为几皿到几十 皿。非光纤调谐器件与光纤之间的耦合将不可避免地增大腔内的插入损耗，从 而导致激光器的低斜率效率和高阀值。可调谐光纤光栅是光纤器件，用光纤光 栅作为调谐装置能与光纤兼容，可有效克服用非光纤调谐方法所造成的插入损 耗问题。本实验使用光纤光栅调谐装置调谐环形腔掺饵光纤激光器的输出波长 实现窄线宽可调谐激光输出。实验装置如图3所示

泵浦光高约3dB的增益,但反向泵浦方式噪声系数将比同向泵浦高(约1.5dB)，二 者相结合的双向抽运可实现高增益。 （2）环形腔 泵浦光能量由 980 nm /1550nm 波分复用器耦合到掺铒光纤中构成环形谐振 腔，隔离器的作用是提高激光输出的稳定性，耦合比可视要求而定。 (a) (b) 图 2 掺铒光纤激光器结构（(a) F-P 腔； (b) 环形腔） 光纤调谐激光器常用的调谐方法有旋转光栅、调节腔内标准具角度、利用 声光滤波器、电调液晶标准具、可调谐光纤光栅等等，调谐范围为几 nm 到几十 nm。非光纤调谐器件与光纤之间的耦合将不可避免地增大腔内的插入损耗，从 而导致激光器的低斜率效率和高阈值。可调谐光纤光栅是光纤器件，用光纤光 栅作为调谐装置能与光纤兼容，可有效克服用非光纤调谐方法所造成的插入损 耗问题。本实验使用光纤光栅调谐装置调谐环形腔掺铒光纤激光器的输出波长， 实现窄线宽可调谐激光输出。实验装置如图 3 所示。 3

图3可调谐光纤光栅激光器原理图 [实验装置] PORT1PORT3力→光功率计 1310/1550Coup1er徽光输出 d1550nm1480/1550 -480/15501550nmb -PORT2 PORT4 1480/1550WDM 1480/1550WDM 1480nm EDF 1480nm0 LD2.OUT- Sin in 14800u 480nm DFB-LD 图4可调谐光纤光调激光器实验装置示意图 在图4所示的实验平台中，1480m半导体激光器作为泵浦源，为铒离子在掺 铒光纤中基态和亚稳态之间形成粒子数反转分布提供能量。泵浦源发出的泵浦激 光首先通过1480nm/1550m波分复用器耦合到光纤环路中，从而进入环路中的饵 光纤D下。在铒光纤中通过受激辐射过程产生激光后，该激光将沿着光纤环路逆 时针绕行进入光纤耦合器的1端口。这样在耦合器3、4端口可获得等功率的激光 输出，3端口做为整个光纤激光器的输出端口，将其输出连接至光功率计可实时 监测光纤激光器输出光功率数值。而4端口输出的激光将进入右侧的光纤光栅， 利用光纤光栅的反射选模功能，该部分激光将被反射输出，重新注入到耦合器4 端口。当耦合器4端口有激光注入时，在耦合器1、2端口等功率输出重新返回闭 合的光纤环形成稳定的光振荡，从而使掺铒光纤中不断循环产生受激辐射过程， 使初始激光功率不断得到放大，这样就可以获得稳定、大功率的激光输出 4

图 3 可调谐光纤光栅激光器原理图 [实验装置] 图 4 可调谐光纤光栅激光器实验装置示意图 在图4所示的实验平台中，1480nm半导体激光器作为泵浦源，为铒离子在掺 铒光纤中基态和亚稳态之间形成粒子数反转分布提供能量。泵浦源发出的泵浦激 光首先通过1480nm/1550nm 波分复用器耦合到光纤环路中，从而进入环路中的铒 光纤EDF。在铒光纤中通过受激辐射过程产生激光后，该激光将沿着光纤环路逆 时针绕行进入光纤耦合器的1端口。这样在耦合器3、4端口可获得等功率的激光 输出，3端口做为整个光纤激光器的输出端口，将其输出连接至光功率计可实时 监测光纤激光器输出光功率数值。而4端口输出的激光将进入右侧的光纤光栅， 利用光纤光栅的反射选模功能，该部分激光将被反射输出，重新注入到耦合器4 端口。当耦合器4端口有激光注入时，在耦合器1、2端口等功率输出重新返回闭 合的光纤环形成稳定的光振荡，从而使掺铒光纤中不断循环产生受激辐射过程， 使初始激光功率不断得到放大，这样就可以获得稳定、大功率的激光输出。 4

[实验内容] 1.按图示光路连接实验装置。 2.光纤激光器Po-P曲线测量 a.连接光纤激光器输出端至光功率计0PM,测量波长置于1550nm。 b.连接1480nm泵浦激光器控制信号至LD2.0UT,设置LD2工作模式(MOD 为恒流模式(ACC),驱动电流(Ic)置为O。 c. 旋转主机面板上的圆形旋钮缓慢增加1480m泵浦激光器驱动电流，0至 300mA每隔5mA记录一次泵浦光功率（泵浦光功率在主机液晶面板右侧自 动显示)和激光器输出功率（即光功率计测量数据），填入下表。表中Ic (mA)为泵浦光（即1480nm激光器）驱动电流，Pp(mw)为泵浦光 功率，Po(μW)为激光器输出功率。利用表中数据作“泵浦驱动电流Ic 一泵浦光输出功率Pp”曲线和泵浦光输出功率Pp~激光器输出功率Po” 曲线。利用第二条曲线读出并记录光纤激光器的泵浦阙值。 d.旋转主机面板上的圆形旋钮将1480m泵浦激光器驱动电流缓慢降至 OmA. 表1OPM功率数据 Ic (mA)Pp (mW) Po u W)Ic (mA) Pp (mW) Po (uW) 0 155 160 15 170 20 175 180 35 190 40 195 45 200 205 55 210 60 215 65 220 25 3 230 80 235 5 240

[实验内容] 1. 按图示光路连接实验装置。 2. 光纤激光器 Po~Pp 曲线测量 a. 连接光纤激光器输出端至光功率计 OPM，测量波长置于 1550nm。 b. 连接 1480nm 泵浦激光器控制信号至 LD2.OUT，设置 LD2 工作模式(MOD) 为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 0。 c. 旋转主机面板上的圆形旋钮缓慢增加 1480nm 泵浦激光器驱动电流，0 至 300mA每隔 5mA记录一次泵浦光功率(泵浦光功率在主机液晶面板右侧自 动显示)和激光器输出功率（即光功率计测量数据），填入下表。表中 Ic （mA）为泵浦光（即 1480nm 激光器）驱动电流，Pp（mW）为泵浦光 功率，Po（ μ W）为激光器输出功率。利用表中数据作“泵浦驱动电流 Ic －泵浦光输出功率Pp”曲线和“泵浦光输出功率Pp~激光器输出功率 Po” 曲线。利用第二条曲线读出并记录光纤激光器的泵浦阈值。 d. 旋转主机面板上的圆形旋钮将 1480nm 泵浦激光器驱动电流缓慢降至 0mA。 表 1 OPM 功率数据 Ic（mA） Pp（mW） Po（ μ W） Ic（mA） Pp（mW） Po（ μ W） 0 155 5 160 10 165 15 170 20 175 25 180 30 185 35 190 40 195 45 200 50 205 55 210 60 215 65 220 70 225 75 230 80 235 85 240 5

90 245 95 250 100 105 260 110 265 115 270 275 125 280 130 285 135 290 295 145 300 150 3.光纤激光器输出光谱测 a.连接光纤激光器输出端至C波段光谱分析器，输入狭缝置2m,输出狭 缝置0.1mm。 b.将光谱分析器功率探头输出连接至PD,OPMMOD置PD/mW,量程(OPMRTO) 置100uW档。 c.设置LD2工作模式(MOD)为恒流模式(ACC),驱动电流(Ic)置为300mA d.测量光纤激光器输出光谱，波长范围1540-1580nm,波长间隔0.1nm。 e.求光纤激光器峰值波长和线宽 4.旋转主机面板旋钮将LD2的驱动电流缓慢将至0mA,关闭主机电源

90 245 95 250 100 255 105 260 110 265 115 270 120 275 125 280 130 285 135 290 140 295 145 300 150 3. 光纤激光器输出光谱测量 a. 连接光纤激光器输出端至 C 波段光谱分析器，输入狭缝置 2mm，输出狭 缝置 0.1mm。 b. 将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD 置 PD/mW，量程(OPMRTO) 置 100uW 档。 c. 设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 300mA d. 测量光纤激光器输出光谱，波长范围 1540-1580nm，波长间隔 0.1nm。 e. 求光纤激光器峰值波长和线宽 4. 旋转主机面板旋钮将 LD2 的驱动电流缓慢将至 0mA，关闭主机电源。 6