九、Er3+-Yb3+共掺光纤环型腔激光器

　　本文介绍了Er3+-Yb3+共掺杂光纤作为增益介质的环型腔光纤激光器。利用光纤的非线性偏振旋转效应产生可饱和吸收体的锁模机制，通过调整泵浦功率，调节偏振控制器的状态，实现了连续基波锁模和高阶谐波锁模两种稳定的锁模运转状态。其中连续基波锁模重复频率15.89 MHz，中心波长为1.557 nm，光谱宽度为9.9 nm。二阶谐波锁模重复率为31.79 MHz，三阶谐波锁模脉冲重复率为46.99 MHz。观察到了调Q锁模和调Q脉冲序列，给出了各种运转状态的实验结果并对多种锁模机理作了简要的分析。

　　在Er3+-Yb3+共掺杂光纤激光器中，Yb3+离子的掺入既可解决高浓度Er3+带来的浓度猝灭效应，提高了泵浦功率，又可以使吸收谱大大加宽(800~1 100 nm)，从而提高泵浦效率。因此Er3+-Yb3+共掺杂光纤是一种很有前景的激光增益介质。

　　进入20世纪90年代，各种锁模光纤激光器相继推出。利用非线性偏振旋转效应产生可饱和吸收机制的被动锁模激光器，其阈值低，结构简单，易于自启动。采用Er3+-Yb3+共掺杂，输出1.55μm的超短光脉冲，在时分复用光通信技术中具有重要的应用前景。

　　国外有很多对Er-Yb共掺杂锁模激光器的研究报道。M.E.Fermann等人连续几年报道了Er-Yb共掺杂包层光纤锁模激光器；2001年，P.W.Turner等人用35 W，915 nm泵浦Er-Yb共掺光纤，Q调制获得15.55μJ的高能量脉冲激光运转；2004年，S.C.Zeller用短腔Er3+-Yb3+共掺杂被动锁模玻璃激光器获得50 GHz，2 ps的超短光脉冲，为超高速光通信提供了高速率的光源。日本目前有10个公司生产飞秒光纤激光器，Er3+-Yb3+共掺杂光纤是其中重要的一种。

　　虽然Er-Yb共掺杂被动锁模激光在国内报道并不多，但掺Er、掺Yb的被动谐波锁模的研究成果时有报道。如林宏奂等人研究了掺Yb的被动谐波锁模激光器，观察到了4阶谐波锁模脉冲。中科院西安光机所利用掺Er被动锁模光纤激光器实现了高阶谐波锁模。更值得一提的是南开大学物理系在2006年，用6个LD同时泵浦Er-Yb光纤，用Sagnac环作为波长选择，当泵浦功率为719 mW时，锁模平均功率319 mW，重复频率7.937 MHz，脉冲峰功率大于10 W。

　　在一个普通的光纤环形腔中，利用光纤的非线性偏振旋转效应，通过改变泵浦功率，精确调整偏振控制器，实现了基波和被动谐波锁模。对于高阶谐波锁模，不仅观察到了稳定的二阶、三阶谐波脉冲序列，而且在示波器上观察到谐波的相互转换、形成过程和更高阶的不稳定谐波序列脉冲；与此同时还实现了Q调制锁模和Q调制脉冲运转。文章介绍了这些实验结果并简单地分析了两种锁模原理。

　　1　实验装置及原理

　　1.1　实验装置

　　图1是一个非线性偏振旋转Er3+-Yb3+共掺杂光纤锁模激光器的实验结构图。其中增益光纤为康宁公司生产的Er3+-Yb3+增益光纤，长度为1 m，在976 nm处的吸收系数为9.6 dB/m，2个偏振控制器PC1和PC2用以改变光的偏振角度，ISO为偏振相关光纤隔离器，这几个器件共同组合产生非线性偏振旋转效应，等效为快可饱和吸收体，对腔内光脉冲起选择、窄化作用，形成稳定的超短脉冲输出。实验中，使用连接有硅快速光电探测器的带宽为200 MHz的Tek数字示波器(TDS2022B)观测激光输出的时域特性，使用多功能光谱分析仪(Anritus MS9001A)观测激光的频谱特性并通过打印机输出，使用微功率计AI9402A测量激光输出功率。

铒镱共掺环形腔锁模光纤激光器结构

　　1.2　被动锁模原理

　　根据H.A.Haus的理论，描述这种被动锁模的动力学过程表示

　　式中：l为线性损耗；x为相移；g为增益；Ωg为增益线宽；γ为可饱和吸收系数；δ为自相位调制；ψ为频移导致的相移。O.E.Martinez和R.L.Fork对方程(1)给出了精确解为

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