2.1 μm可調(diào)諧多波長摻鈥光纖激光器

于秀明，丁云飛，馬萬卓，趙得勝，劉潤民，王天樞

(1.長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院 電子工程分院，吉林 長春130114；2.長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，吉林 長春130114；3.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022)

引言

2.1 μm激光位于人眼安全波段，可廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、傳感、空間光通信、醫(yī)療手術(shù)、工業(yè)加工、3 μm～5 μm中紅外光源的產(chǎn)生等領(lǐng)域[1-4]。摻鈥光纖激光器效率高、光束質(zhì)量好[5-7]，是2.1 μm波段最有前景的光源。近年來，摻鈥光纖激光在輸出功率、寬調(diào)諧范圍和短脈沖等方面已取得了快速的進(jìn)展[8-12]。多波長光纖激光器具有可輸出多波長激光，結(jié)構(gòu)緊湊、低成本、光束質(zhì)量高、插入損耗低等特點，在密集波分復(fù)用(DWDM)光網(wǎng)絡(luò)、分布式光纖傳感系統(tǒng)和光子微波技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大[13-15]，最近10多年來備受矚目并得以蓬勃發(fā)展。隨著長波段光纖器件的成熟，為2.1 μm波段多波長光纖激光器研究提供了條件，成為光纖激光器領(lǐng)域的研究熱點。

采用非線性效應(yīng)的多波長光纖激光器，輸出波長數(shù)多、信號穩(wěn)定，近年來成為多波長光纖激光器的研究重點。非線性多波長光纖激光器的主要方法有非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(NPR)[16]、非線性放大環(huán)形鏡(NALM)[17]、受激布里淵散射效應(yīng)(SBS)[18]及四波混頻效應(yīng)(FWM)[13]等。本文提出采用光纖Sagnac干涉儀設(shè)計的多波長摻鈥環(huán)形光纖激光器，采用最高輸出功率1 W的光纖激光泵浦一段3 m長單模摻鈥光纖，實驗獲得了2.1 μm波段1～6個波長的激光輸出，3 dB線寬為0.05 nm，邊模抑制比為48 dB。

1 結(jié)構(gòu)與原理

可調(diào)諧多波長摻鈥光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用摻銩光纖激光器通過一個1 900 nm/2 050 nm波分復(fù)用器(WDM)泵浦一段3 m長的摻鈥石英光纖(HDF)，產(chǎn)生2.1 μm波段光放大，其反向增益光的20%通過輸出耦合器輸出，80%的光通過耦合器另一端口反饋回諧振腔中再次放大，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。采用Nufern SM-HDF-10/130的HDF，工作波長2 100 nm～2 200 nm，纖芯直徑10 μm，包層直徑(130.0±2.0)μm，數(shù)值孔徑為0.15。一個偏振控制器(PC)和一段8 m長保偏光纖(PMF, Nufern PMF1950)接入環(huán)形腔構(gòu)成光纖Sagnac干涉儀，進(jìn)行周期濾波，實現(xiàn)激光的選頻。隔離器(OC)的作用是保證諧振腔中的光單向運轉(zhuǎn)，并提高激光信噪比，其隔離度大于40 dB，插入損耗小于0.5 dB，工作帶寬30 nm。

圖1 可調(diào)諧多波長摻鈥光纖激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of tunable multi-wavelength Ho3+-doped fiber laser

摻銩光纖激光器采用環(huán)形腔，其泵浦源為分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光二極管(Tektronix, OM2210)，發(fā)射波長1 570 nm，線寬100 kHz，采用放大器可實現(xiàn)輸出最大功率1 W。泵浦光通過1 570 nm/1 900 nm波分復(fù)用器(WDM)注入TDF，產(chǎn)生1 900 nm波段光輻射，利用反向增益和FP濾波器選頻，從20∶80輸出耦合器(OC)的20%端口輸出激光。通過一個輸出功率1 W的TDFA放大后，作為泵浦光進(jìn)入摻鈥光纖激光器諧振腔中。

作為泵浦源的1.9 μm光纖激光器采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，1.57 μm激光通過一個1 570 nm/2 000 nm波分復(fù)用器泵浦一段4 m長摻銩光纖(TDF Nufern, SM-TSF-9/125) ，纖芯直徑9 μm，包層直徑(125.0±1.0) μm，數(shù)值孔徑0.15，產(chǎn)生1.9 μm波段自發(fā)輻射。采用可調(diào)諧濾波器(Agiltron Lnc)選頻，其波長調(diào)諧范圍200 nm，濾波帶寬小于0.2 nm。輸出耦合器中，20%的光輸出，80%的光作為反饋回到諧振腔中再次放大，獲得1.9 μm波段激光振蕩，通過可調(diào)諧濾波器實現(xiàn)輸出激光波長的調(diào)諧。輸出的1.9 μm激光再通過摻銩光纖放大器(TDFA)放大至1 W，從而獲得功率較高的1.9 μm激光泵浦摻鈥光纖激光器。

2 泵浦波長的優(yōu)化

實驗中，首先開展了泵浦波長的優(yōu)化研究。由于3 m長的摻鈥光纖對1.9 μm波段泵浦激光的吸收會在各波長呈現(xiàn)不同的效率，則一定存在對某些波長激光的吸收較高，對某些波長激光的吸收相對低的情況，通過產(chǎn)生的自發(fā)輻射光譜強度可以判斷各波長的吸收效率。光譜測試采用光纖光譜分析儀(OSA, AQ6375)，掃描范圍1 200 nm～2 400 nm，分辨率為0.05 nm。實驗將選用吸收效率較高、自發(fā)輻射強度較高的泵浦波長，以實現(xiàn)2.1 μm激光輸出。通過調(diào)諧泵浦光纖激光器中可調(diào)諧濾波器的濾波波長，獲得泵浦光輸出波長寬帶調(diào)諧，調(diào)諧范圍1 870 nm～1 945 nm。采用1 870 nm、1 885 nm、1 900 nm、1 915 nm、1 930 nm、1 940 nm等6個輸出波長的激光泵浦3 m長摻鈥光纖，產(chǎn)生的自發(fā)輻射光譜如圖2所示。不論是正向自發(fā)輻射，還是反向自發(fā)輻射，當(dāng)泵浦激光波長為1 900 nm時，輻射光譜強度均為最高，可以判定3 m長摻鈥光纖對該波長泵浦光吸收效率最高。因此，多波長摻鈥光纖激光器實驗中，將采用1 900 nm激光作為泵浦源。

圖2 不同泵浦波長下3m摻鈥光纖的自發(fā)輻射光譜Fig.2 Spectrum of amplified spontaneous emission of3m Ho3+-doped fiber at different pumpwavelengths

3 光纖Sagnac干涉儀濾波原理

實驗中采用的多波長濾波器為光纖Sagnac干涉儀，具有周期濾波特性，在環(huán)形腔內(nèi)由Sagnac干涉儀濾波效應(yīng)產(chǎn)生的光傳輸反射和透射系數(shù)為

R=4k(1-k)(1-sin2θcos2φ)

(1)

T=1-R=(2-2k)2+4k(1-4k)×

(1-sin2θcos2φ)

(2)

式中：θ為光入射到Sagnac干涉儀時偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度；φ=πΔnL/λ為光的不同偏振態(tài)在快慢軸上傳播相同距離產(chǎn)生的相位差；Δn是PMF快慢軸的有效折射率差；L為PMF長度；λ為入射光的波長；k為耦合器耦合比。因此反射和透射系數(shù)與入射光的偏振態(tài)無關(guān)。

取耦合系數(shù)k=0.5，雙折射光纖(HiBi)的長度為L=2 m，快慢軸的折射率差Δn=0.000 5，入射光經(jīng)過PC后旋轉(zhuǎn)的角度θ分別取π/6、π/4、π/2，觀察不同PC狀態(tài)下的透射譜線。通過數(shù)值計算，獲得了Sagnac干涉儀周期濾波的仿真曲線，如圖3所示。Sagnac干涉儀透射率的大小隨著PC狀態(tài)的改變而改變，并且當(dāng)θ=π/2時消光比有最大值。另外，當(dāng)PC狀態(tài)改變時，波長間隔沒有發(fā)生改變。

圖3 光纖Sagnac干涉儀濾波仿真光譜Fig.3 Simulated spectrum of fiber Sagnac interferometer filter

實驗采用8 m長保偏光纖，通過功率為1 W的1.9 μm激光泵浦3 m摻鈥石英光纖獲得2.1 μm波段自發(fā)輻射寬帶光，再通過Sagnac干涉儀濾波，獲得的周期濾波透射光譜如圖4所示。通過調(diào)節(jié)偏振控制器狀態(tài)，濾波器透射率可調(diào)諧，但是濾波器周期并未發(fā)生變化，相鄰的濾波峰值間隔為1.5 nm。

圖4 Sagnac干涉儀透射光譜Fig.4 Spectrum of fiber Sagnac interferometer

4 實驗結(jié)果與討論

1.9 μm光纖激光器的輸出經(jīng)摻銩光纖放大器放大后功率為1 W，經(jīng)1 900 nm/2 050 nm波分復(fù)用器注入3 m長摻鈥光纖中，產(chǎn)生2.1 μm波段光增益。通過光纖Sagnac干涉儀選頻和環(huán)形腔中光不斷地放大，在輸出端獲得2.1 μm波段激光。通過調(diào)節(jié)泵浦功率，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出功率1 mW～15 mW連續(xù)可調(diào)，而輸出的多波長激光光譜如圖5所示。通過調(diào)節(jié)偏振控制器改變腔內(nèi)激光偏振態(tài)來抑制一些波長振蕩，2.1 μm波段得到1～6個波長數(shù)的多波長激光輸出，1 h內(nèi)不同波長數(shù)的多波長激光輸出光譜比較穩(wěn)定。

圖5 多波長激光光譜Fig.5 Spectrum of multi-wavelength fiber laser

輸出波長間隔由Sagnac干涉儀濾波間隔決定，諧振波長通過模式競爭，均應(yīng)集中于增益帶寬內(nèi)增益較高的部分，即2 095 nm～2 100 nm附近。通過偏振控制器調(diào)節(jié)腔內(nèi)偏振損耗，可實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)，增益較低時獲得較少的波長數(shù)量，增益較高時可獲得較多的波長數(shù)量。本實驗通過調(diào)節(jié)PC，最多獲得了6個波長激光輸出，集中在2 092 nm～2 107 nm之間。如圖6所示，2.1 μm激光的3 dB線寬約為0.05 nm，邊模抑制比為48 dB。1 h內(nèi)波長穩(wěn)定性為±0.05 nm，功率穩(wěn)定性為±0.1 mW。

圖6 激光光譜Fig.6 Spectrum of fiber laser

5 結(jié)論

提出并實驗研究了一種光纖Sagnac干涉儀濾波的環(huán)形腔多波長摻鈥光纖激光器，1.9 μm光纖激光器泵浦一段3 m長單模摻鈥光纖。泵浦功率為1 W時，通過調(diào)節(jié)偏振控制器實現(xiàn)了2.1 μm波段波長數(shù)為1～6的多波長激光輸出。該多波長激光器具有窄線寬、高信噪比、較好的功率穩(wěn)定性等特點。