一種新型窄線寬摻鉺光纖激光器

趙冉冉，何 巍，2，祝連慶

(1.北京信息科技大學(xué) 光電信息與儀器北京市工程研究中心，光電測試技術(shù)北京市重點實驗室，北京100192;2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥230009)

1 引言

單縱模窄線寬光纖激光器因其線寬千赫茲量級的長相干長度光源，在密集波分復(fù)用系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、分布式光纖傳感器等方面有重要的應(yīng)用價值［1－4］。單頻窄線寬激光的獲得，需要通過設(shè)計腔形的結(jié)構(gòu)來消除多縱模振蕩，抑制跳模，并對激光進行線寬壓縮，以獲得窄線寬激光輸出。

國內(nèi)外的研究表明采用超短線形腔結(jié)構(gòu)，增大縱模間距，可獲得單頻激光輸出［5－6］，但超短線形腔的制作工藝復(fù)雜。在激光腔內(nèi)加入可飽和吸收體，可抑制跳模，獲得單頻激光［7－8］，例如，魏興春等采用作為可飽和吸收體的未抽運摻鉺光纖結(jié)合作為波長選擇器的高反射率光纖布喇格光柵形成超窄帶濾波器，得到輸出激光線寬小于500 Hz［7］，但由于吸收光纖較長，造成較大的腔內(nèi)損耗。代志勇等通過自反饋光注入的方式獲得穩(wěn)定的1549.85 nm單頻窄線寬激光輸出，有效提高了光－光轉(zhuǎn)換效率，降低了腔內(nèi)損耗，并測量得到激光器的3 dB線寬為4.0 kHz［9］。另外，通過光纖光柵F－P標準具等器件可進行選模［10－13］，獲得窄線寬激光輸出，廈門大學(xué)的杜勇利用雙光纖光柵法－珀腔(FBG－FP)作為模式選擇器件，驗證了所設(shè)計光纖激光器的可調(diào)諧和窄線寬特性［11］，Pan S等在腔內(nèi)插入高精細度的窄帶濾波器進行選模，同樣可獲得單頻激光輸出［13］。由此可知，通過改善腔形結(jié)構(gòu)可保證光纖激光器單頻運轉(zhuǎn)，但通常需要結(jié)合多個耦合器和偏振控制器等相關(guān)器件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，會造成不必要的損耗。

綜上所述，本文提出并設(shè)計了一種基于有源光纖環(huán)形濾波器結(jié)構(gòu)的窄線寬摻鉺光纖激光器，使用簡單的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)激光輸出，并結(jié)合濾波器的濾波穩(wěn)頻效果壓窄輸出激光的線寬。該濾波器只由一個耦合器和一段摻鉺光纖組成，結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)節(jié)，可有效壓縮線寬，最終實現(xiàn)了穩(wěn)定的單縱模窄線寬激光輸出。

2 實驗結(jié)構(gòu)與原理

所設(shè)計的窄線寬摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，由四部分組成。第一部分是激光泵浦部分，使用oclaro公司制造的976 nm激光二極管作為泵浦源，泵浦光通過一支波分復(fù)用器(WDM)耦合進入長度為7.8 m的摻鉺光纖(EDF1)實現(xiàn)泵浦。第二部分是波長選擇部分，光纖環(huán)形器(Circulator)使激光器中的激光處于行波狀態(tài)，由2端口連接一支反射波長為1540 nm的光纖光柵(FBG)實現(xiàn)波長選擇。第三部分是激光輸出部分，實驗經(jīng)一個分光比為10∶90的1×2熔融拉錐型耦合器(Coupler1)輸出激光，通過調(diào)節(jié)偏振控制器(PC)可以實現(xiàn)1540 nm激光平穩(wěn)輸出，可檢測10%的一端進行光譜分析。在接下來的實驗中，在該激光器中添加第四部分，即通過在環(huán)形腔中熔接有源光纖環(huán)形濾波器實現(xiàn)濾波效果，抑制跳模，達到壓窄線寬的目的。

圖1 基于有源光纖環(huán)形濾波器的窄線寬摻鉺光纖激光器Fig.1 Erbium-doped fiber laser based on active optical fiber ring filter

根據(jù)環(huán)形腔激光器基本原理，激光器的自由光譜范圍(FSR)和腔長(L)成反比，如式(1)所示:

其中，L為腔長;有效折射率n=1.446;c為真空中光速。實驗中所用光纖環(huán)形激光器的主環(huán)形腔的長度約為21 m，對應(yīng)FSR為9.879 MHz，縱模間隔Δf=7.143 MHz。由于FSR與縱模間隔成正比，F(xiàn)SR越小則激光輸出縱模越密集，模式跳變現(xiàn)象越明顯，不利于單頻激光的穩(wěn)定輸出。但環(huán)形諧振腔內(nèi)激光只能沿某一個方向傳輸，使激光工作在行波狀態(tài)，能有效地消除由于駐波而引起的空間燒孔效應(yīng)，從而抑制多縱模振蕩的產(chǎn)生，有利于獲得更窄的光譜線寬輸出。而且，主環(huán)形腔可結(jié)合光纖布拉格光柵作為腔鏡，可以起到能量反饋與選頻的作用，其不僅能決定特定波長輸出，而且可使反射光譜帶寬變窄，以提高縱模選擇性，為獲得窄線寬激光輸出奠定基礎(chǔ)。但由于光纖布拉格光柵帶寬較寬，因此實驗采用在環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中熔接有源光纖環(huán)形濾波器來抑制多余縱模并實現(xiàn)壓窄線寬的效果。

實驗中的有源光纖環(huán)形濾波器即如圖1中第四部分(IV)所示，由一支分光比為50∶50的2×2熔融拉錐型耦合器(Coupler2)和有源光纖(EDF2)構(gòu)成。當有源光纖環(huán)形濾波器的長度為3 m時，根據(jù)式(1)可得，其FSR為69.156 MHz，可加大該激光器的自由光譜范圍。該結(jié)構(gòu)中的3 dB耦合器對于1550 nm波長光的分光比為50∶50，對于976 nm波長光的分光比為10∶90，此時有10%的泵浦功率注入環(huán)中。泵浦光由第四部分(IV)中E1端口進入濾波器，經(jīng)過EDF2時得到增益g和時延τ，然后由E3端口送入耦合器由E4端口輸出到激光器環(huán)形腔中，通過計算可以得到濾波器的時延τ=0.091 ns，如式(2)所示:

耦合因子r=0.5，增益g=1.2，該濾波器梳狀譜的3 dB線寬如式(3)［13］所示:

Δω=3.732 MHz，由于Δω＜Δf，則其3 dB線寬更小于加入濾波器以后的縱模間隔，因此在理論上該濾波器可以實現(xiàn)壓窄線寬的作用。

測量輸出激光的線寬時，如圖2所示，采用自外差法。圖1中Coupler1輸出的10%的激光輸入由兩個3 dB耦合器Coupler3和Coupler4組成的馬赫澤德干涉儀(MZI)。在馬赫澤德干涉儀的上臂添加一個聲光調(diào)制器(AOM)生成100 MHz的頻移，下臂延遲光纖的長度是50 km。最后使用光電探測器(PD)檢測兩臂的信號，并通過頻譜分析儀來進行光譜測量(ESA)。

圖2 自外差法測量激光線寬Fig.2 Line width measurement by self heterodyne method

3 實驗結(jié)果與分析

按如圖1所示搭建實驗系統(tǒng)，首先，使用976 nm LD直接泵浦7.8 m的增益光纖，由Circulator的2端口連接FBG可產(chǎn)生激光輸出。使用光譜儀觀察，不斷增加泵浦源的功率，當泵浦源功率達到55 mW時，出現(xiàn)1540 nm單波長激光，其光譜圖如圖3(a)所示，通過調(diào)節(jié)PC可實現(xiàn)1540 nm單波長平穩(wěn)輸出，此時，使用光譜分析儀測量其3 dB線寬為0.183 nm。由于FBG反射譜內(nèi)存在很多縱模，這些縱模在環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)，其中一部分形成激光，另一部分會形成噪聲，會影響輸出激光的線寬。在此環(huán)形腔中加入有源光纖環(huán)形濾波器，系統(tǒng)閾值為75.5 mW，激光器工作在中心波長為1540 nm的單波長狀態(tài)。不斷增加泵浦源的功率，當泵浦源的功率達到145 mW時，調(diào)節(jié)偏振控制器(PC)，可實現(xiàn)1540 nm的單波長平穩(wěn)輸出，如圖3(b)所示。從光譜圖可以看出，邊模明顯減少，曲線趨于平滑，這時使用光譜分析儀測量其3 dB線寬為0.108 nm，小于加入濾波器之前的線寬。

圖3 加入濾波器前后的1540 nm光譜圖Fig.3 Spectrogram of 1540 nm laser before or after active optical fiber ring filter

為了更加精確地測量輸出激光的線寬，實驗使用兩個50∶50的1×2熔融拉錐型耦合器，并結(jié)合50 km的單模光纖和100 MHz的聲光頻移器，并用頻譜儀(Wave Runner 610Zi)觀察，通過延遲自外差測量法驗證了加入有源光纖環(huán)形濾波器后的濾波穩(wěn)頻和壓窄線寬的效果。在0～400 MHz頻譜范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)PC可獲得波長為1540 nm的激光輸出，圖4(a)所示為加入有源光纖環(huán)形濾波器之前的頻譜圖，除100 MHz處外還有很多多余縱模。通過調(diào)節(jié)濾波器的有源光纖的長度，可以提高濾波器的梳狀譜精細度，濾除多余縱模。當EDF2長度為2 m時，如圖4(b)所示為加入濾波器后激光工作在單頻運轉(zhuǎn)狀態(tài)。接下來以100 MHz為中心，在1 MHz范圍內(nèi)測量輸出激光的線寬，如圖4(c)所示其3 dB線寬為3.4 kHz。因此，在激光器中熔接有源光纖環(huán)形濾波器，可以獲得窄線寬單縱模激光輸出。

圖4 自外差頻譜圖Fig.4 Self-heterodyne frequency spectrum diagram

4 結(jié)論

本文提出并分析了采用有源光纖環(huán)形濾波器結(jié)構(gòu)的窄線寬摻鉺光纖激光器，獲得了單縱模窄線寬激光輸出。該濾波器由一個50∶50的耦合器和一段長2 m的摻鉺光纖構(gòu)成。實驗數(shù)據(jù)表明，輸出激光邊模得到明顯抑制;在0～400 MHz頻譜范圍內(nèi)獲得單縱模激光;波長為1540 nm的3 dB線寬為3.4 kHz。在后續(xù)工作中，可以通過級聯(lián)多個FBG實現(xiàn)多波長的可切換激光輸出，或添加一段未泵浦的摻鉺光纖作為飽和吸收體來進一步壓窄線寬。該激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊，有效壓窄線寬的特點，具有重大的應(yīng)用價值。

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