基于SBS－NOLM 效應的線性腔多波長光纖激光器的研究

王 霏

(宜春學院，江西 宜春 336000)

多波長光纖激光器由于其結構緊湊、簡單和低成本等優(yōu)點吸引了大量研究人員的興趣。在這些研究中，大部分采用摻鉺光纖(erbium－doped fiber，EDF)作為增益介質，［1－3］但EDF 增益的均勻增寬特性會在光纖激光器的諧振腔內產生模式競爭，從而難以實現多波長激光的輸出。為克服EDF 增益均勻增寬引起的模式競爭，研究人員采用液氮冷卻［4］、頻移［5］、非線性偏振旋轉(nonlinear polarization rotation，NPR)［6，7］、非 線 性 光 學 環(huán) 形 鏡(nonlinear optical loop mirror，NOLM)［8］、四波混頻(four wave mixing，FWM)［9］和受 激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)［10，11］等方法。由于液氮冷卻使用起來很不方便，頻移設備成本較高，NPR 和NOLM 穩(wěn)定性差等缺點，近年來，利用光纖介質本身的非線性效應抑制EDF 中模式競爭的研究越來越多，其中SBS 由于其固定的波長間隔、窄線寬、低閾值和較好的穩(wěn)定性尤為突出，而NOLM 可通過偏振控制器和四分之一波片的調節(jié)可有效的控制多波長光纖激光器輸出波長的數量，并且通過調節(jié)四分之一波片或偏振控制器可使光纖激光器工作在鎖模工作狀態(tài)。本論文將SBS 與NOLM 兩種非線性效應結合在線性腔結構中，以此構建多波長摻鉺光纖激光器系統(tǒng)，獲得波長間隔固定的窄線寬多波長激光信號輸出，通過NOLM 結構中的偏振控制器或四分之一波片可方便控制輸出波長的數量，而且還可以使光纖激光器獲得超短脈沖序列輸出。

1 多波長光纖激光器實驗裝置及工作原理

基于SBS 與NOLM 兩種非線性效應結合的線性腔多波長摻鉺光纖激光器的實驗裝置如圖1 所示。一個窄線寬的可調激光光源(tunable laser source，TLS)通過10/90 耦合器的10%端口耦合進入光纖激光器系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供布里淵泵浦光信號;波長為980nm 的激光二極管通過980/1550 波分復用器(Wavelength division multiplex，WDM)為EDF 提供泵浦光信號;環(huán)行器(Circulator)的1 端口和3 端口連接使進入其中的光信號再此反射回光纖激光器的諧振腔中，一段8m 長的EDF 為整個光纖激光器系統(tǒng)提供線性的增益作用，偏振控制器(polarization controller，PC)、3dB 耦合器、2km 的單模光纖和四分之一波片構成一個NOLM 反射鏡。光譜儀連接NOLM 的透射輸出端口監(jiān)視此類多波長摻鉺光纖激光器的輸出。此多波長摻鉺光纖激光器系統(tǒng)的工作原理是注入的窄線寬布里淵泵浦光信號經過EDF 放大后進入NOLM 中，由于NOLM 中存在較長的單模光纖，因此將產生第1 階斯托克斯光信號。剩下的布里淵泵浦光信號與第1 階斯托克斯信號光通過NOLM 的反射再次進入系統(tǒng)而得到放大，然后又一次進入NOLM 中產生第2 階斯托克斯線，如此循環(huán)進行而產生多階斯托克斯線，從而獲得多波長激光信號的輸出。系統(tǒng)中通過調節(jié)NOLM 的反射率不但可以控制連續(xù)狀態(tài)下多波長的輸出數量，還可以使系統(tǒng)進入脈沖輸出狀態(tài)。

圖1 基于SBS－NOLM 多波長摻鉺光纖激光器結構圖

2 實驗結論與分析

2.1 EDF 泵浦功率P EDF

首先使布里淵泵浦功率固定為PBP=5mW 及其波長λBP=1560nm，通過改變EDF 泵浦功率P EDF的大小研究多波長摻鉺光纖激光器的輸出波長數量的變化，其具體的輸出光譜如圖2 所示。圖2(a)表示當EDF 泵浦功率PEDF=220mW 時，多波長摻鉺光纖激光器具有5 條(具有4 階斯托克斯線)多波長激光信號輸出，各個波長之間的間隔約為0.08nm。增加EDF 泵浦功率，摻鉺光纖激光器可獲得的多波長輸出數量相應地增加，但其波長間隔保持0.08nm 不變。當EDF 泵浦功率增加到P EDF=306mW，摻鉺光纖激光器可輸出8 條(具有7階斯托克斯線)波長間隔約為0.08nm 的多波長激光信號，如圖2 (b)所示。由圖2 可以得到，隨著EDF 泵浦功率的增加，摻鉺光纖激光器輸出的多波長數量逐漸增加。其主要形成原因是由于EDF 泵浦功率的增加，可使更多的Er3+吸收泵浦能量躍遷到激發(fā)態(tài)，布里淵泵浦信號及其產生的更多斯托克斯光信號獲得足夠的增益作用而超過光纖激光器的閾值獲得輸出。

圖2 不同PEDF時的輸出光譜圖

2.2 布里淵泵浦功率P BP

圖3 所示為保持EDF 泵浦功率PEDF=242mW，布里淵泵浦波長λBP=1560nm 這兩個參數固定不變，改變布里淵泵浦功率PBP時，摻鉺光纖激光器的輸出波長數量的變化情況。從圖中可以得到，當PBP=5mW 時，多波長光纖激光器可以輸出6 條(具有5 階斯托克斯線)多波長激光信號，如圖3(a)所示。繼續(xù)增加布里淵泵浦激光功率PBP=15mW，此時光纖激光器只有3 條(具有2 階斯托克斯線)多波長激光信號的輸出，如圖3 (b)所示。從圖中可以發(fā)現，在其他參數固定的情形下，隨著布里淵泵浦功率的逐漸增加，摻鉺光纖激光器輸出的多波長數量將有所減少。這是因為較大的布里淵泵浦功率將消耗EDF 中更多的處于激發(fā)態(tài)的Er3+，而由于EDF 的泵浦功率保持不變，因此處于激發(fā)態(tài)的Er3+總數量是固定不變的，從而將導致高階斯托克斯光信號獲得的激發(fā)態(tài)Er3+數量減少。在這種情形下，高階斯托克斯光信號由于低的增益效應而無法超過光纖激光器的輸出閾值或單模光纖的布里淵閾值而獲得輸出，這樣導致摻鉺光纖激光器輸出的多波長激光信號的數量減少。

圖3 不同PBP的輸出光譜圖

2.3 NOLM 反射率

前面兩種方法都是通過調節(jié)泵浦功率的大小控制摻鉺光纖激光器輸出的多波長數量。為使輸出多波長的數量調節(jié)更加方便，下面研究通過調節(jié)NOLM 中的四分之一波片角度改變NOLM 的反射率，用以控制光纖激光器諧振腔的損耗，從而控制摻鉺光纖激光器輸出波長的數量，調節(jié)偏振控制器可取得相似的作用，本論文沒有進行相關的研究，調節(jié)過程中保持偏振控制器固定即可。結合SBS效應的NOLM 的反射率可采用文獻［12］中的計算公式對其進行計算，計算得到的反射率線如圖4 所示。從圖中可以得到，當四分之一波片的角度α =0.18π (實線)、α =0.21π (虛線)和α =0.24π(點劃線)時，NOLM 的不但隨著功率的增大而下降，而且隨著角度的增大而降低，如圖4 (a)所示。值得注意的是，此變化是在一定的四分之一波片角度范圍內發(fā)生。但當四分之一波片增大到一定值，如圖4 (b)所示的α=0.81π，此時NOLM 的反射率隨著輸入NOLM 功率的增加而增大。這兩種情況可用來控制光纖激光器的輸出狀態(tài)，當反射率隨著輸入功率的增加而減少時，這種狀態(tài)可方便的控制光纖激光器輸出波長的數量(工作在連續(xù)輸出狀態(tài));而當反射率隨著輸入功率增加而增大時，這種狀態(tài)可以控制摻鉺光纖激光器進入鎖模狀態(tài)，實現超短脈沖的輸出。

圖5 所示為摻鉺光纖激光器在連續(xù)多波長輸出工作狀態(tài)［對應于圖4 (a)］。調節(jié)四分之一波片角度使α=0.24π，此時摻鉺光纖激光器輸出4 個(具有3 階斯托克斯線)波長的激光信號，如圖5(a)所示;

減少四分之一波片角度α =0.18π，光纖激光器實現了6 條(具有5 階斯托克斯線)多波長激光信號的輸出，如圖5 (b)所示。從圖中可以得到，隨著四分之一波片角度在一定范圍內的減少，光纖激光器輸出的波長數量逐漸增加。其形成原因是四分之一波片角度的減少，會使結合SBS 效應的NOLM 反射率增加，即通過NOLM 透射而損耗掉的能量減少，因此激光器整個諧振腔的損耗減少，激光器的輸出閾值降低，從而致使摻鉺光纖激光器輸出的多波長數量增加。

如果進一步增加四分之一波片角度α 到較大的角度，NOLM 的反射率隨著輸入光信號功率的增加而增加［對應于圖4 (b)］，此時摻鉺光纖激光器進入到鎖模工作狀態(tài)。圖6 (a)為輸出脈沖序列，其中一個脈沖如圖6 (b)所示，這是采用示波器測量的脈沖形狀，如需獲得脈沖較為準確的脈寬需要使用自相關儀進行測量。

圖4 SBS－NOLM 反射率

圖5 不同α 的輸出光譜圖

圖6 鎖模狀態(tài)輸出脈沖

3 結論

論文通過結合SBS 與NOLM 非線性效應構建線性腔結構的多波長摻鉺光纖激光器，實驗研究了這種光纖激光器的輸出特性。實驗結果表明增加EDF 泵浦功率可使光纖激光器輸出的多波長數量明顯增加，或者一定范圍內減少布里淵泵浦功率，多波長摻鉺光纖激光器輸出的波長數量也明顯增加。此外，通過調節(jié)四分之一波片角度可方便的調節(jié)此類多波長光纖激光器輸出波長的數量，并在一定的角度下可使該光纖激光器進入鎖模狀態(tài)，獲得超短脈沖光信號的輸出。

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