掺铒光纤激光器一、设计背景激光器的发明是二十世纪科学技术的一项重大成就。

1960年梅曼根据受激辐射光量子放大理论研制出第一台红宝石激光器，童年年底研制出He-Ne气体激光器，1962年又报导了砷化镓半导体激光器的研制成功。

我国于1961年研制成功红宝石激光器，1966年试制出Nd：YAG激光器。

到70年代末，各种激光器技术已经比较成熟，并得到实际应用。

经过四十多年的发展，特别是最近十几年，激光技术高速发展，种类众多，现在已经广泛应用于工业加工、通讯、信息处理、医疗卫生、军事国防、文化教育以及科学研究等众多领域，并取得了很好的经济效益和社会效益，对国民经济及社会发展发挥着愈来愈重要的作用。

单纵模(SLM)掺铒光纤激光器(EDFL)由于可以应用在光通信、激光光谱学、光纤传感等领域而备受关注并得到了迅猛发展。

掺铒光纤激光器具有结构简单、激射波长可以精确预定、可实现宽带调谐和窄线宽输出等优点，且与其他激光器相比具有许多优良特点：高增益、低阈值(几十毫瓦量级)、低噪声、高效率、抽运寿命长、有很好的单色性和高稳定性、小型化、易与传输光纤耦合[1]。

光纤通信的突飞猛进得益于光线放大器和光线激光器的不断发展光纤放大器的研究始于1964 年，从真正的使用从1986 年开始，这归功于低损耗稀土掺杂光纤工作特性和制造技术的发展其中掺铒光纤放大器格外引人瞩目因为它的工作波长在1550nm 附近适合于现代光通信系统早在1961 年就研制了的一台光纤激光器经过20 世纪七十年代到八十年代初期的酝酿从20世纪八十年代中期开始光纤激光器得到了长足的发展光纤激光器的输出波长范围在400 3400 纳米之间可应用于光学数据存储光通讯传感技术光谱研究和医学等多个领域[2]。

光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。

在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。

许多稀土元素如铒、钬、钕、钐、镨、铥和镱等，都可用于制造工作在从可见光到红外区的不同波长上的光纤放大器，其中，掺铒光纤放大器(EDFA)格外引人注目，因为它具有增益高、噪声低、工作频带宽、输出功率高、泵浦效率高等优良特性，在系统应用中又有插入损耗低、对偏振态不敏感、信道间的串扰可忽略不计、对传输码率与格式及系统升级透明等优点，从而使超高速、超大容量、超长距离的密集波分复用(WDM)技术成为现实，它是现代光纤通信系统的理想放大器件。

二、方案论证光放大器按照原理的不同大体上分为三类：(1)半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。

如果在法布里一珀罗腔(Fabry—Perot cavity，F-P)两个端面镀反射率较低的介质膜就形成F-P型LD光放大，又叫驻波型光放大；如果在两端面根本不镀反射介质膜或者镀增透膜则形成波型光放大。

半导体激光器指的是前者，而半导体光放大器指的是后者。

半导体激光放大器尺寸小，频带很宽，增益也很高，但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，易受环境温度影响，因此，稳定性较差。

半导体光放大器容易集成，适于与光集成和光电集成电路结合使用。

(2)传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纤放大器(Fiber Raman Amplifier，FPA)、受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光纤放大器(Fiber Brillion Amplifier，FBA)和利用四波混频效应的光放大器等。

(3)掺杂光纤放大器，又称为掺稀土OFA。

制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。

光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。

这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。

当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55μm 波段和1.31μm波段。

选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。

掺稀土元素的光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土元素（如饵和钛等），引起增益而实现光放大的。

目前最为成功的典型是掺铒光纤放大器，掺镨光纤放大器(Praseodymium Doped Fiber Amplifier，PDFA)等其他掺杂物质的光纤放大器也在研制开发中[3]。

其优点是工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区（1.3～1.6μm），结构简单，与线路的耦合损耗很小，噪声低，增益高，频带宽，与光纤偏振状态无关，所需泵浦功率也较低。

特别的，掺铒光纤放大器的优缺点如下：掺铒光纤放大器(EDFA)的工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致，是最具有吸引力和最为成熟的光纤放大器．它具有如下优点：(1)EDFA的信号增益谱很宽，达30rim(每nm折合125GHz)或更高，可用于宽带信号的放大，尤其适合于密集波分复用(DWDM)光纤通信系统。

(2)光纤放大器可以用来控制现有通信网络的带宽利用率。

目前已有人通过级联的24dBm的光纤放大器和DWDM技术在一根光纤中传输10Gb／sxl28路的数据流，使单模光纤的总数据率达到太比特以上(Tb/s)。

在密集波分复用(DWDM)系统中，高饱和功率的EDFA可用来弥补每个通道的光损耗，扩展带宽载波能力。

由于光纤放大器对信号光功率的放大与信号的码率无关，所以使用光纤放大器的网络可以在现存的网络基础上增加发射机，以满足未来对带宽的需要，这样可以节省昂贵的发射设备并灵活地升级现存的网络，从而降低预算成本和相应的工程造价。

(3)EDFA具有较高的饱和输出功率(10～20dSm)，可用作发射机后的功率放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数。

网络设计者通过选用大功率的光纤放大器可以使系统具有足够的富裕度，为以后的发展预留足够弹性。

(4)EDEA与光纤线路的耦合损耗小(<IdB)．(5)EDFA具有较低噪声(4～8dB)。

(6)增益与光纤的偏振态无关，故稳定性好。

(7)驰豫的时间很大(约10ms)．(8)所需的泵浦功率低(数十毫瓦)．但是EDFA也有固有的缺点：(1)波长固定，只能放大1．55μm左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素。

(2)增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿[5]。

经比较后，可知掺铒光纤放大器更满足实验需要。

三、光纤激光器的制作3.1熔接3.1.1 熔接机的基本操作A、开剥光缆，并将光缆固定在接续盒内。

一般开剥1m左右，ODF等配线设备开剥长度在2m左右(或根据安装指南开剥)。

开剥时，注意保护子管。

固定光缆要结实，不可扭动。

加强芯的固定，要有防雷措施，电气连接根据施工规范决定是否连接。

B、开剥子管开剥子管，裸光纤用酒精擦拭干净，分别将裸光纤穿过热缩管。

将不同束管、不同颜色的光纤分开。

穿过热缩管。

C、打开熔接机电源，选择相对应的熔接程序。

每次使用熔接机前，应使熔接机在熔接环境中放置至少十五分钟并在使用中和使用后及时去除熔接机中的灰尘，特别是夹具、各镜面槽内的粉尘和光纤碎末。

D、制作光纤端面。

光纤端面制作的好坏将直接影响接续质量，在熔接前，一定要做好合格的端面。

对0.25mm(外涂层)光纤，切割长度为8mm~16mm，对0.9mm(外涂层)光纤，切割长度只能是16mm。

使用涂敷层剥离钳时，倾斜45度，平行剥离，使用无水乙醇擦拭干净，听到嗤嗤声音表示干净。

切割光纤时，保证切割刀的清洁，切割好后，注意防尘和禁止碰到其它任何物体。

E、放置光纤。

将光纤放在熔接机的V型槽中，小心压上光纤压板和光纤夹具。

要根据光纤切割长度设置光纤在压板中的合适位置，裸纤头离电极1mm为宜。

当遇到弯曲光纤时，弯曲方向应向上。

放置完毕后，关上防风罩。

F、接续光纤。

按下SET键后，光纤相向移动，移动过程中，进行预加热放电使端面软化，由于表面张力，光纤表面变圆，进一步对准中心，并移动光纤。

当光纤端面之间的间隙合适后熔接机停止相向移动，设定初始间隙，熔接机测量，并显示切割角度。

在初始间隙设定完成后，开始执行纤芯或包层对准，然后熔接机减小间隙，高压放电产生的电弧将两根光纤熔接在一起，最后微处理器估算损耗，并将数值显示在显示器上。

整个过程，FSM-50S时间一般为10S。

G、移出光纤用加热炉加热热缩管。

打开防风罩，把光纤从熔接机上取出，再将热缩管放在裸纤中心，放到加热炉中加热，完毕后从加热炉中加热，完毕后从加热器中取出光纤，冷却等待。

H、盘纤并固定。

将接续好的光纤盘到光纤收容盘上，在盘纤时，盘纤的半径越大，弧度越大，衰耗越小，所以一定要保持好一定的半径I、密封和挂起。

野外接续盒一定要密封好，防止进水。

3.1.2 日常维护与保养A、更换电极B、驱动复原C、切割刀调整D、清洁护理熔接机作为一种专用精密仪器平时应注意尽量避免过分地震动,也要注意防水、防潮,可在机箱内放入干燥剂,并在不用时放在干燥通风处.另外还要做到以下几点:保持升降镜、防风罩反光镜的镜面清洁.如有污点,可用棉签顺一个方向擦拭.保持V型槽的清洁,可用酒精棒擦拭.保持压板、压脚的清洁,压上时要密封,可用酒精棒擦拭. 注意防风罩的灵敏性.3.1.3 简单故障分析与排除A、熔接机在熔接过程中显示“找不到光纤或光纤端面不整洁”。

这主要是由于光学系统表面受到污染引起，应该用无水酒精清洁保护玻璃片(位于电极下面)，同时清洁压纤盖上面的透镜。

在等到酒精干了以后再进行熔接。

如果故障还不能排除，则机器需要送维修中心维修。

B、熔接机在熔接过程显示“光纤偏移太大”。

引起这种情况的主要原因是由于V型槽的槽内有脏物引起的，需要对V型槽进行清洁。

清洁时用无水酒精进行清洁，对槽内的赃物可以用牙签或高压气进行清洁，注意不可用坚硬的物体对V型槽进行清洁操作，这样的话容易造成V 型槽损坏。

如果清洁后还不能消除“光纤偏移太大”的提示，进行驱动复原，还不能修复，则需要送维修中心人工调节。

C、在熔接过程中发现光纤熔接部分异常，电极放电不均匀。

这主要是由于电极尖部被氧化，由于尖部有氧化物的存在，使得电极放电部均匀，造成熔接质量不好。

需要对电极进行清洁。

如果清洁后还不能正常放电，则需要更换电极。

在一般情况下，电极在熔接了500次左右就需要对电极进行清洁，在使用了1000次左右则需要更换新的电极。

在更换电极时请使用原厂电极，使用其他电极不能保证熔接机能正常工作，可能会损坏熔接机。

D、熔接机提示更换电极。

这是由于熔接机设置了提醒更换电极的设置，出现提示更换电极时请对电极进行清洁，同时可以进入熔接机参数设置里对此参数进行更改。