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光纤通信系统中使用的激光器
文/焦永荣边银旭沈华南京理工大学
光纤光栅是一种通过紫外或飞秒激光写入在纤芯中进行周期性折射率调制的光学无源器件。近年来，随着光纤光栅制造技术和工艺的不断突破，它所能承载的激光功率越来越高，在高功率连续光纤激光器中发挥着越来越重要的作用。
1。作为“腔镜”
构成高功率光纤激光器的谐振腔
作为一种低损耗的光无源器件，FBG具有良好的振荡选频特性。因此，选择具有高功率承载特性的光纤光栅作为光纤激光器的谐振腔镜，不仅促进了高功率连续激光器的全光纤化发展，而且大大提高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。因此，它被称为高功率光纤激光器的“心脏”。
到目前为止，腔镜的FBG技术已经相当成熟，并已广泛应用于世界各地的光纤激光器行业。目前，国际上能够批量制造腔镜用FBG的公司主要是ITF公司和加拿大Teraxion公司，这两款在售的高功率光纤光栅产品的功率承载特性达到5 kW。与国外相比，国内商用腔镜高功率光纤光栅技术的研发起步较晚，但发展很快。目前，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、上海瀚宇光纤通信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品，完全实现了自主可控，打破了我国大功率光纤激光产业缺乏关键器件的核心难题。
2。作为“过滤器”
高功率光纤激光器激发的非线性效应的提纯
随着激光功率的不断提高，高功率激光激发的非线性效应成为我国光纤激光产业发展到万瓦时代甚至十万瓦时代的“拦路虎”。
激光的非线性效应是指在高功率激光作用下，纤芯介质发生非线性偏振，导致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)。非线性折射效应:包括相位调制(PM)、四波混频(FWM)等。激光的非线性效应会导致输出功率受限、光谱展宽、光束质量恶化，甚至烧毁激光系统。因此，如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解决的问题。
近年来，研究人员发现，利用特殊结构的光纤光栅独特的滤波特性，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。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迅速成为激光领域的研究热点之一。
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的周期通常在亚微米量级，属于短周期光纤光栅。与普通FBG相比，CTFBG的光栅面与光纤轴向成一定角度，这使得它能够将前向传输纤芯模式耦合到后向传输包层模式(CTFBG也会将少量前向纤芯模式耦合到后向纤芯模式)，如图1所示。因此，利用CTFBG的这一特性，通过控制CTFBG的周期、长度、啁啾率等参数，可以使CTFBG的损耗峰与SRS效应激发的斯托克斯光谱配准，从而使SRS效应从纤芯耦合到包层，并被光纤激光器本身的包层剥离器从激光系统中完全剥离，最终达到净化SRS效应的目的。
图1（a）CTFBG的结构及SRS抑制原理，（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抑制原理，(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制造技术不断发展，承载功率从几百瓦突破到几千瓦。这项技术得到了激光行业的认可。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产品，承载功率3-5 kW，在激光行业得到了广泛应用。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(剥离器之后)。其用途主要包括:一是降低或抑制激光系统本身激发的SRS效应；其次是后续系统(传能光纤、激光加工装置等)激发或反射的SRS效应。)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效应的快速放大而导致激光器损坏。
但CTFBG仍需在两个方面进行优化:
首先，需要降低CTFBG的插入损耗。 CTFBG不仅能将SRS效应耦合到包层中，还能将少量信号激光耦合到包层中，然后被剥离器剥离。如果将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。目前主流的解决方案是通过略微牺牲SRS效应的抑制率来降低CTFBG的插入损耗。例如，当CTFBG的SRS抑制率在99%以上时，其信号光的插入损耗将超过3%；但是，如果将CTFBG的SRS抑制率降低到90%左右，则信号光的插入损耗可以降低到2%左右。
其次，CTFBG的承载能力有待提高。随着国产激光器功率的不断提高，对CTFBG的承载能力提出了更高的要求。CTFBG的下一个目标是超过10000瓦。飞秒激光光刻制作CTFBG似乎是一条可行的技术路线，南京理工大学、国防科技大学等。已经在这个技术方向进行了布局。相信随着CTFBG制造技术和工艺的不断成熟，其在激光行业的应用会越来越广泛。
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通常在亚毫米或毫米量级。与CTFBG等反射型光纤光栅不同，LPFG是一种透射型光纤光栅，可以将正向传输的纤芯模式耦合到正向传输的包层模式中。那么也可以通过控制LPFG的周期和长度来抑制SRS效应，如图2所示。
图2（a）LPFG的结构及SRS抑制原理，（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抑制的原理，(b)LPFG的透射光谱，(c)连接到LPF之前的激光输出光谱，以及(d)LPF。
LPFG不会将前向纤芯模式耦合到后向纤芯模式，这使得LPFG的使用安全性高于CTFBG (CTFBG会将极少量的SRS效应耦合到后向传输纤芯模式中，在极高的功率下可能被谐振腔或放大器放大，导致系统本身激发的SRS效应浪涌)。该技术路线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进行了深入研究。2020年，南京理工大学研制的拉曼抑制长周期光纤光栅首次突破千瓦，为该技术的工业化应用奠定了基础。
与CTFBG相比，LPFG具有更低的插入损耗(信号光的损耗小于1%)、更低的制造成本和更高的安全性，但LPFG最大的问题是对环境的高敏感性。应力、弯曲、温度、湿度等环境因素的轻微变化。都会导致LPFG的周期等参数的变化，从而导致LPFG的损耗峰漂移(与SRS效应谱不匹配)，导致SRS效应的抑制效果下降。因此，开发更高效的脱敏封装措施是LPFG急需解决的问题。
③基于倾斜光纤光栅的SBS效应抑制技术，TFBG)
SBS效应是发展高功率单频或窄线宽光纤激光器首先要解决的问题之一。当达到SBS的激发阈值时，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造成严重的损伤。
SBS效应通常与信号激光接近，它与信号激光的波长差小于0.1 nm(通常约为0.07 nm)，所以我们不能用CTFBG或LPFG来滤除SBS效应。这是因为CTFBG和LPFG的带宽太宽(超过10 nm)，滤除SBS效应时会损失大部分信号激光能量。因此，为了解决这个问题，国防科技大学提出了基于TFBG的SBS效应抑制技术。与CTFBG不同，TFBG的透射光谱呈梳状，如图3所示。然后通过控制TFBG的倾斜角、周期等参数，可以使相邻两个“梳齿”之间的距离小于0.1 nm，并且可以用SBS效应配准两个“梳齿”的波长。这样，SBS效应可以通过TFBG从纤芯耦合到包层，而信号光可以低损耗地通过两个“梳齿”之间的缝隙。
图3（a）基于TFBG的光纤SBS抑制实验系统示意图，（b）TFBG的透射光谱，（c）基于TFBG的SBS抑制效果图3(a)基于TFBG的光纤SBS抑制实验系统示意图，(b)TFBG的透射光谱，(c)基于TFBG的SBS抑制效果
这种方法很巧妙，但是面临的问题和LPFG类似，环境的轻微变化也会造成TFBG的波长漂移。一旦“梳齿”漂移到信号激光，信号激光的损耗就会大大增加，信号激光功率的突然下降对于MOPA结构的窄线宽光纤激光器来说是非常危险的。因此，提高高TFBG的抗环境扰动能力是该技术路线能否应用于高功率窄线宽光纤激光器的关键。
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。)主要导致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解决的问题之一。针对这一问题，南京理工大学提出了利用PS-LPFG抑制高功率光纤激光器输出光谱展宽的方法。
PS-LPFG是一种长周期光纤光栅，因此它也可以将正向传输的纤芯模式耦合到正向传输的包层模式中。与普通LPFG不同的是，PS-LPFG中间有一个相移，这样PS-LPFG的损耗峰就会分裂，然后在损耗峰中产生一个通带。因此，通过控制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起的展宽激光配准，PS-LPFG的通带也可以与信号激光配准。这样，展宽激光将通过PS-LPFG耦合到包层，而信号激光可以继续在纤芯中传输，几乎没有损耗，如图4所示。
图4（a）PS-LPFG的结构及优化激光光谱线宽的原理，（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原理，(b)PS-LPFG的透射光谱，(c)PS-LPFG的光谱线宽非常优异。
这种方法类似于国防科技大学提出的TFBG抑制SBS效应的方法，利用带通滤波器滤除分布在信号激光两侧的非线性效应。然而，如何使PS-LPFG的半峰全宽达到亚纳米水平(目前研制的PS-LPFG通常为2-5 nm)，并使阻带半峰全宽保持在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。由于PS-LPFG是长周期光纤光栅，提高其抗环境干扰的能力也是未来要解决的核心问题之一。
3。未来前景
光纤光栅(FBG)在高功率光纤激光器中有着广阔的应用前景。笔者认为，FBG技术未来将向以下几个方向发展:
①向更高承载能力发展
随着光纤激光器产品功率超过万瓦，业界也对光纤光栅提出了更高的承载功率要求。然而，光纤光栅制造过程中的再涂覆工艺是限制其承载能力提高的主要因素。灰尘、气泡、裂缝等。在重涂过程中产生的会导致包层光漏入镀膜层导致镀膜层发热，随着功率的进一步增加，光纤光栅的镀膜层会烧毁。由于镀膜层对800 nm激光高度透明，未来可以利用800 nm飞秒激光在不剥离镀膜层的情况下制作高功率光纤光栅，有可能使光纤光栅的承载功率超过5 kW甚至更高。
②向更长波长方向发展
中红外波段覆盖了许多大气传输窗口和重要的分子吸收区域，使得中红外光纤激光器广泛应用于生物医学、传感、军事国防等领域，成为激光领域的重要发展方向之一。中红外光纤光栅是推动中红外光纤激光器向高功率、高效率发展的关键技术之一。因此，中红外光纤光栅的开发技术将成为未来的研究热点。
③向偏振控制技术发展
能够输出线偏振激光的高功率光纤激光器在激光雷达、空探测、高精度传感系统等领域发挥着重要作用。目前，线偏振光纤激光器通常采用保偏光纤实现线偏振激光输出，而45°倾角的CTFBG提供了一种新的方案，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。与传统方法相比，该方法可以降低激光器的制造难度和成本，相信将成为未来高功率光纤光栅的主要发展技术路线之一。
作者介绍:
焦永荣，南京理工大学电子工程与光电技术学院博士。
边银旭，南京理工大学电子工程与光电技术学院讲师。
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。
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