基于薩格納克環(huán)與光柵的雙波長(zhǎng)光纖激光器

劉志發(fā)，馮顯良，伍秋明，左毅鋒，葉敏妍，陳振杰，成建群*

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光電子與物理學(xué)系，廣東佛山，528000）

基于薩格納克環(huán)與光柵的雙波長(zhǎng)光纖激光器

劉志發(fā)，馮顯良，伍秋明，左毅鋒，葉敏妍，陳振杰，成建群*

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光電子與物理學(xué)系，廣東佛山，528000）

報(bào)道一種基于保偏光纖的薩格納克環(huán)與級(jí)聯(lián)的光纖布拉格光柵的雙波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器，該激光器采用簡(jiǎn)單的線性腔結(jié)構(gòu)，所用的薩格納克環(huán)擔(dān)當(dāng)了梳狀濾波器，光柵組構(gòu)成了波長(zhǎng)選擇器件；在偏振燒孔的作用下，通過調(diào)整偏振控制器，激光器能夠輸出5種不同的激發(fā)模式，其中，雙波長(zhǎng)2種，單波長(zhǎng)3種；所有的激發(fā)線具有小于0.3nm線寬，大于24dB的光學(xué)信噪比；同時(shí)，該激光器展示了較好的波長(zhǎng)與峰值功率穩(wěn)定性。

雙波長(zhǎng)；保偏光纖；布拉格光柵；薩格納克環(huán)

0　引言

各種形式的多波長(zhǎng)光纖激光器近些年來引起了人們極大的研究興趣，主要是因?yàn)檫@種光纖激光器在許多領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用，比如：光纖傳感系統(tǒng)，密集波分復(fù)用光通信系統(tǒng)，光譜測(cè)試儀器等。

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光輸出，人們提出了不同的設(shè)計(jì)方案，楊秀峰等人使用雙相移點(diǎn)相移光柵作為波長(zhǎng)選擇器件實(shí)現(xiàn)了三波長(zhǎng)激光輸出；基于雙芯光纖濾波器和非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器也得到了報(bào)道；基于3個(gè)光纖布拉格光柵提出了一種波長(zhǎng)可開關(guān)的多波長(zhǎng)激光輸出；采用多信道取樣光纖光柵實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的多波長(zhǎng)激光輸出； 多波長(zhǎng)光纖激光器中半導(dǎo)體光放大器（SOA）也得到了應(yīng)用； 利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)激光輸出。

在這篇論文中，我們提出了一種新型的采用簡(jiǎn)單線性腔結(jié)構(gòu)的雙波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器，并在室溫下得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中設(shè)計(jì)的保偏光纖薩格納克環(huán)擔(dān)當(dāng)了梳狀濾波器，級(jí)聯(lián)的光纖布拉格光柵構(gòu)成了波長(zhǎng)選擇器件，在二者的協(xié)同作用下，獲得了5種不同的激光輸出模式，并且不同模式間可以靈活地互相切換輸出。

圖1　激光器結(jié)構(gòu)示意圖

1　實(shí)驗(yàn)

我們?cè)O(shè)計(jì)的可切換的雙波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該激光器采用前向泵浦方案，使用簡(jiǎn)單的線性腔結(jié)構(gòu)，由一個(gè)薩格納克環(huán)與4個(gè)級(jí)聯(lián)的光纖布拉格光柵（FBGs）構(gòu)成。該光纖光柵由深圳市暢格光電有限公司制造，具有高的穩(wěn)定性和可靠性，采用優(yōu)異的切趾技術(shù)，對(duì)光纖光柵進(jìn)行了很好的邊角修飾，每個(gè)光纖光柵的長(zhǎng)度約3mm，反射率為70%，邊模抑制比≥10dB。

右環(huán)由一個(gè)分光比為50:50的光纖耦合器（3-Db FC）熔接一個(gè)擠壓式的偏振控制器（PC）與一段熊貓型的保偏光纖（PMF）構(gòu)成，該保偏光纖由烽火通信科技股份有限公司所設(shè)計(jì)制造，烽火銳光保偏光纖產(chǎn)品是專為光纖陀螺（FOGs）和偏振敏感器件設(shè)計(jì)的特種光纖，采用熊貓型結(jié)構(gòu)（Panda），其包含完美而對(duì)稱的“雙圓形”應(yīng)力單元，纖芯與貓眼中心三點(diǎn)一線，為高偏振串音提供了可靠性技術(shù)保障；同時(shí)，自行設(shè)計(jì)并制備的全合成深摻雜硼棒，可以靈活設(shè)計(jì)并制備不同拍長(zhǎng)的保偏光纖。圖1中顯示的熊貓型的保偏光纖具有 1290 到 1520 nm的截止波長(zhǎng)，6.5微米的模場(chǎng)直徑，偏振串音≤-30dB@1550nm/100m。

一個(gè)單模的激光二極管（LD）具有460-mW 的最大輸出功率與980-nm 的中心波長(zhǎng)，被用作該激光器的泵浦源。980nm的泵浦光通過980/1550nm 波分復(fù)用器（WDM）耦合進(jìn)諧振腔泵浦一段單包層，單模的高摻雜的摻鉺光纖（EDF）。這種高摻雜的摻鉺光纖由加拿大fibercore有限公司制造，屬于IsoGainTM系列產(chǎn)品的I-25型號(hào)， 它在980 nm波段的吸收系數(shù)是 27 dB/米，比普通的摻鉺光纖的吸收系數(shù)（約3dB/米）要高得多，高吸收意味著高增益，使得該激光器可以做到微型化，可以很好的滿足未來的發(fā)展需要。

2　結(jié)果與討論

該光纖激光器遵循的工作原理如下：諧振腔中的偏振控制器用來改變諧振腔中傳輸光的偏振態(tài)，并可以連續(xù)調(diào)節(jié)右環(huán)中保偏光纖的雙折射，因此產(chǎn)生了偏振相關(guān)的損耗并誘導(dǎo)出偏振燒孔效應(yīng)。最后，通過調(diào)整不同波長(zhǎng)的增益與損耗，達(dá)到控制不同激發(fā)線的數(shù)目；同時(shí)，左環(huán)中的級(jí)聯(lián)的光纖布拉格光柵也是波長(zhǎng)選擇器件；因此，輸出的波長(zhǎng)數(shù)被二者共同控制。

實(shí)驗(yàn)中，在 380-mw的泵浦功率下，我們通過細(xì)心地調(diào)整偏振控制器后，從級(jí)聯(lián)的光纖布拉格光柵左端輸出的激光被一臺(tái)最小分辨率為0.05 nm的光譜分析儀（日本生產(chǎn)）測(cè)量。最后，可以獲得5種不同的激發(fā)輸出模式，他們彼此之間能夠相互切換，被依次顯示在圖2 - 6中。

同時(shí)，激發(fā)線的峰值功率與波長(zhǎng)穩(wěn)定性也得到了精確測(cè)量。

圖2　可切換的雙波長(zhǎng)輸出譜

該光纖激光器具有2種不同的雙波長(zhǎng)輸出模式，如圖2所示。其中，雙波長(zhǎng) （a）的2個(gè)激發(fā)線分別位于1559.4 nm 與 1560.7 nm，并具有1dB的峰值功率差異。雙波長(zhǎng)（b）的2個(gè)激發(fā)線分別位于1558.4 nm 與1559.7 nm ，也具有 1 dB的峰值功率差異。這表明該激光器具有較好的功率均勻性。所有的雙波長(zhǎng)激發(fā)線都具有小于0.2 nm的3-dB線寬與大于25 dB的光學(xué)信噪比，相鄰的線寬均相同，約1nm.

雙波長(zhǎng)（b）的5次重復(fù)掃描譜如圖3所示，可以測(cè)得1558.4 nm 與 1559.7 nm兩條激發(fā)線的波長(zhǎng)變化在25分鐘內(nèi)分別達(dá)到0.2 nm 與 0.4 nm，這顯示該激光器在室溫下具有較好的波長(zhǎng)穩(wěn)定性。

圖3　雙波長(zhǎng)（b）的5次重復(fù)掃描譜

圖4　雙波長(zhǎng)峰值功率的穩(wěn)定性測(cè)試

雙波長(zhǎng)（b）隨時(shí)間的穩(wěn)定性在實(shí)驗(yàn)中得到了測(cè)定，結(jié)果顯示在圖4中。對(duì)于2條激發(fā)線，25分鐘內(nèi)在1558.4 nm 的最大峰值功率變化是3 dB ，1559.7 nm的最小峰值功率變化僅有 1 dB。

圖5　可切換的單波長(zhǎng)輸出譜

最后，通過細(xì)心調(diào)整偏振控制器，我們還獲得了3種不同的單波長(zhǎng)輸出模式，如圖5所示。單波長(zhǎng)（c） 的激發(fā)線具有1559.1nm的中心波長(zhǎng)與 0.2 nm 的3-dB線寬，并具有大于33 dB的光學(xué)信噪比。單波長(zhǎng) （d）的激發(fā)線具有 1558.5 nm 的中心波長(zhǎng)， 0.2 nm的 3-dB線寬以及大于24 dB的光學(xué)信噪比。單波長(zhǎng)（e）的激發(fā)線具有1557.9 nm的中心波長(zhǎng)，0.3 nm的 3-dB線寬與大于 24 dB的光學(xué)信噪比。

3　結(jié)論

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的波長(zhǎng)可切換的雙波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器，并在室溫下得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該激光器使用了一種基于保偏光纖基的薩格納克環(huán)與4個(gè)級(jí)聯(lián)的光纖布拉格光柵。實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)薩格納克環(huán)擔(dān)當(dāng)了一個(gè)梳狀濾波器，同時(shí)級(jí)聯(lián)的光纖布拉格光柵擔(dān)當(dāng)了一個(gè)波長(zhǎng)選擇器件，通過使用偏振燒孔效應(yīng)，該激光器能夠靈活地切換輸出5種較為穩(wěn)定的、不同波長(zhǎng)的激光輸出。

［1］ 楊秀峰，方秀麗，童崢嶸等，基于相移光柵的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究［J］，中國(guó)激光，2012，36（9）：0602012-1-4

［2］ 馮素春， 任文華，陳曼雅等，基于雙芯光纖濾波器和非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的多波長(zhǎng)光纖激光器［J］，中國(guó)激光，2014，41（6）：0605006-1-6

［3］ 匡芬，波長(zhǎng)可開關(guān)多波長(zhǎng)光纖激光器的研究［D］，碩士學(xué)位論文，2012：1-50

［4］ 沃江海，孫琪真，沈平等，可調(diào)諧多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器［J］，紅外與激光工程，2011，40（12）：2354-2357

［5］ 紀(jì)鵬宇，基于半導(dǎo)體光放大器的多波長(zhǎng)光纖激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］， 碩士學(xué)位論文，2014，1-48

［6］ 江天府，在ITU 波長(zhǎng)上的多波長(zhǎng)光纖激光器［J］，光學(xué)技術(shù)，2012，38（4）：470-472

［7］ 楊秀峰，董鳳娟，童崢嶸等，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的可調(diào)諧多波長(zhǎng)光纖激光器［J］，紅外與激光工程，2012，41（1）：53-57

［8］ 丁波，張躍進(jìn)，一種新型可調(diào)諧多波長(zhǎng)光纖激光器的研究與設(shè)計(jì)［J］，光通信技術(shù)，2013，（3）：5-7

成建群，1976年生，男，湖南祁陽，助理研究員，博士研究生，研究方向：光纖傳感用的多波長(zhǎng)光纖激光器。

Dual wavelength fiber laser with fiber grating based on Sagnac ring

Liu Zhifa，F(xiàn)eng Xianliang，Wu Qiuming，Zuo Yifeng，Ye Minyan，Chen Zhenjie，Cheng Qun *
（Department of Optoelectronics and physics， Foshan University，F(xiàn)oshan，528000，Guangdong）

This paper reports a polarization maintaining fiber Sagnac loop and cascaded fiber Prague grating dual wavelength erbium-doped fiber laser based on linear cavity structure is simple by using the laser，using sagnacring as comb filter，grating group constitutes a wavelength selector；the polarization hole burning effect，through adjusting the polarization controller，laser can output 5 different excitation modes，the dual wavelength single wavelength of 2， 3；all excitation lines with less than 0.3nm width is greater than 24dB，the optical signal-to-noise ratio；at the same time，the laser wavelength and the peak power showed good stability.

dual wavelength；fiber Prague grating；Sagnac ring

感謝廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金資助（項(xiàng)目編號(hào)pdjh2016b0525）廣東省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)201611847108）