可用于產(chǎn)生微波信號的間隔可調(diào)雙波長光纖激光器

徐雨萌，王國政，彭玲玲，劉昕男，寇艷強，吳柯鑫

引言

光纖無線通信ROF（radio over fiber）由于具有大容量、低損耗、低成本的特點，使其在超寬帶無線接入技術(shù)方面具有巨大的應(yīng)用前景［1］。光纖無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一就是微波的產(chǎn)生技術(shù)，微波信號因具有很低的相位噪聲、超窄線寬、高穩(wěn)定性、抗電磁干擾等優(yōu)點，在ROF系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用，是影響ROF系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著光纖激光器的快速發(fā)展［2－3］，利用雙波長輸出的光纖激光器進行拍頻實驗成為近期研究的熱點，隨著光纖光柵工藝的快速發(fā)展［4－5］，產(chǎn)生微波信號的方法可利用布拉格光纖光柵對［6］、陣列波導(dǎo)光柵［7］和可調(diào)諧的窄線寬濾波器［8］等，其中基于受激布里淵散射效應(yīng)產(chǎn)生的雙波長光纖激光器由于其具有穩(wěn)定的波長間隔，易于產(chǎn)生微波信號，成為目前研究的熱點［9－10］。本文設(shè)計一種結(jié)構(gòu)新穎的雙波長布里淵光纖激光器，采用超窄線寬分布反饋激光器作為抽運源，利用未泵浦的保偏摻鉺光纖作為飽和吸收體，實現(xiàn)了不同波長的間隔輸出，從而有利于產(chǎn)生可調(diào)的微波信號。

1 實驗結(jié)構(gòu)與工作原理

雙波長布里淵光纖激光器的實驗結(jié)構(gòu)如圖1所示，腔中用一段長度為10km的普通單模光纖與一個2×2的3dB耦合器同側(cè)端口1和2連接，組成一個布里淵增益環(huán)。環(huán)行器1的端口1作為布里淵抽運光（BP）輸入端，經(jīng)過環(huán)行器1的端口2和3dB耦合器的端口3進入布里淵增益環(huán)，環(huán)行器1的端口3作為輸出端，連接光譜分析儀（OSA）進行觀測。

圖1 雙波長布里淵光纖激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of dual－wavelength Brillouin fiber laser

布里淵抽運光（BP）通過環(huán)行器的端口2進入3dB耦合器（端口3），BP被分為相同的兩部分分別從耦合器的端口2和端口4出射，從端口4出射的光進入環(huán)行器2并通過一段5m長未泵浦的保偏摻鉺光纖返回布里淵增益腔，從端口2出射的光逆時針進入10km長單模光纖，在單模光纖中產(chǎn)生與BP方向相反的斯托克斯光，反向傳輸?shù)乃雇锌怂构饨?jīng)耦合器的端口1和端口3被分為相同的兩部分，從耦合器端口1出射的光會再次進入10km長單模光纖同樣會產(chǎn)生反向傳輸?shù)乃雇锌怂构?，產(chǎn)生的斯托克斯光分為相同的兩部分分別從端口2和端口4輸出，從端口2進入布里淵增益環(huán)的光會重復(fù)抽運光的過程，從端口4輸出的光會經(jīng)過環(huán)行器2和5m長未泵浦保偏摻鉺光纖返回，并且一部分從環(huán)行器1的端口3輸出，經(jīng)端口3出射的光都成為輸出光，而光源和偶數(shù)階斯托克斯光會經(jīng)過環(huán)行器2和5m長未泵浦的保偏摻鉺光纖吸收，這樣能量會減少很大一部分，從圖2我們可以看出，抽運光被5m長未泵浦保偏摻鉺光纖吸收了大部分能量，第2階斯托克斯光的能量全部被吸收，我們通過調(diào)節(jié)偏振控制器（PC）使其剛好有第1階和第3階斯托克斯光輸出，可獲得間隔雙倍輸出的雙波長布里淵光纖激光器。

2 實驗結(jié)果與討論

通過調(diào)節(jié)PC使剛好有第3階斯托克斯光輸出，由于抽運光和第2階斯托克斯光的大部分能量被5m長未泵浦保偏摻鉺光纖所吸收，從而實現(xiàn)由第1階和第3階斯托克斯光所組成的雙波長布里淵光纖激光器，輸出光譜如圖2所示，采用光譜分析儀（AQ6370C）觀測到第1階斯托克斯光輸出波長為1 550.212nm，第3階斯托克斯光的輸出波長為1 550.382nm，波長間隔為0.170nm，信噪比大于65dB。

圖2 保偏光纖長為5m時雙波長布里淵光纖激光器的輸出光譜圖Fig.2 Output spectrum of dual－wavelength Brillouin fiber laser with PM fiber of 5 m length

在30min時間內(nèi)每隔5min記錄一次雙波長布里淵光纖激光器的輸出光譜圖，如圖3所示。從圖中可以看出，在30min測量時間內(nèi)，雙波長布里淵光纖激光器的輸出十分穩(wěn)定，沒有較大幅度的變化。整個系統(tǒng)由于工作狀態(tài)穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)用性能。

圖3 保偏光纖為5m時雙波長布里淵光纖激光器的輸出穩(wěn)定性Fig.3 Stability of dual－wavelength Brillouin fiber laser with PM fiber of 5 m length

本文所有器件均為保偏器件，并可通過調(diào)節(jié)偏振控制器使輸出的雙波長信號保持一致的偏振態(tài)輸出和盡量相同的信號強度，如圖4所示，把輸出的第1階和第3階斯托克斯光信號通過光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，即可獲得穩(wěn)定的微波信號輸出，從而可應(yīng)用到ROF系統(tǒng)中。

圖4 保偏光纖為5m時不同時刻輸出雙波長的功率變化情況Fig.4 Variation of power along time with PM fiber of 5 m length

圖5 保偏光纖為3m時雙波長布里淵光纖激光器的輸出光譜圖Fig.5 Output spectrem of dual－wavelength Brillouin fiber laser with PM fiber of 3 m length

圖6 保偏光纖為3m時雙波長布里淵光纖激光器的輸出穩(wěn)定性Fig.6 Stability of dual－wavelength Brillouin fiber laser output with PM fiber of 3 m length

3 結(jié)論

對實驗作進一步分析，改變未泵浦保偏摻鉺光纖的長度，從而未泵浦保偏摻鉺光纖對信號光和偶數(shù)階斯托克斯光的吸收作用會相應(yīng)地有所變化，當(dāng)使用3m長未泵浦的保偏摻鉺光纖作為飽和吸收體時，未泵浦的摻鉺光纖對信號光的能量吸收得以減少，從而實現(xiàn)由信號光和第一階斯托克斯光組成的雙波長輸出，波長間隔為0.085nm實驗結(jié)果如圖5所示，雙波長輸出的穩(wěn)定性如圖6所示。

本文設(shè)計并實驗了一種利用飽和吸收體對抽運光和第2階斯托克斯光的吸收作用，實現(xiàn)由抽運光和第2階斯托克斯光組成的雙波長布里淵光纖激光器，通過調(diào)節(jié)PC實現(xiàn)穩(wěn)定的雙波長激光輸出。實驗選擇3m長未泵浦的保偏摻鉺光纖，使其對抽運光的能量吸收更少，通過調(diào)節(jié)PC，從而實現(xiàn)由抽運光和第1階斯托克斯光所組成的雙波長布里淵光纖激光器，綜上所述，通過改變保偏摻鉺光纖的長度，可實現(xiàn)間隔可調(diào)的雙波長光纖激光器，有利于產(chǎn)生可調(diào)的微波信號輸出。

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