基于啁啾光纖光柵激光器的溫度傳感特性

羅 章，何 巍，董明利*，張 雯

(1．北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2．北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

1 引 言

光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、低噪聲、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械加工、遙感、材料加工、激光傳感、光通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。近年來(lái)，窄線寬光纖激光器成為激光器發(fā)展的重要方向之一，具有輸出激光線寬窄、高光束特性、穩(wěn)定性高、邊模抑制比高(Signal-to-noise ratio,SNR)等特點(diǎn)[3]，在高分辨率光譜學(xué)、微波光子、光纖傳感等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)實(shí)現(xiàn)窄線寬激光輸出的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展。利用光纖光柵(Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)[5]、保偏光纖光柵[6]、Mach-Zehnder干涉濾波器[7]、光纖Fabry-Perot濾波器[8-9]、光纖Lyot濾波器[10]、Convex-shaped fiber ring(CSFR)濾波器[11]、Sagnac環(huán)[12-13]等光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)了窄線寬激光輸出。近年來(lái)，啁啾光纖光柵(Chirped fiber Bragg grating，CFBG)作為重要的光學(xué)濾波器件，在激光和傳感領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。Wang等[14]提出了一種基于啁啾光纖光柵可調(diào)諧單縱模光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了1 535～1 565 nm寬波長(zhǎng)范圍激光輸出；Guo等[15]通過(guò)CFBG實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)分布反饋的多波長(zhǎng)激光輸出；Cheng等[16]提出了一種把CFBG放置在薩格納克環(huán)中作為腔鏡制作了線性腔可調(diào)諧四波長(zhǎng)連續(xù)摻鉺光纖激光器，該系統(tǒng)能輸出從單波長(zhǎng)到四波長(zhǎng)的14種不同模式，所有輸出激光具有良好的穩(wěn)定性、線寬均小于0.28 nm、SNR大于20 dB；Lindberg等[17]利用CFBG作為兩端端面反射鏡制作了C腔可調(diào)諧激光器，激光輸出波長(zhǎng)調(diào)諧范圍達(dá)35 nm；Yang等[18]設(shè)計(jì)了窄線寬可調(diào)諧的光纖激光器，利用CFBG選擇激光波長(zhǎng)，輸出線寬小于0.03 nm；Fukushima等[19]提出了一種新型的可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形激光器(EDFRL)，采用級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵作為濾波器，溫度測(cè)量范圍為30～130 ℃，波長(zhǎng)漂移間隔在5 dB光衰減器調(diào)制下波長(zhǎng)由1 561.34 nm漂移至1 567.76 nm；Markowski等[20]提出由兩個(gè)啁啾光纖光柵組成的法布里-珀羅(F-P)腔進(jìn)行應(yīng)變和溫度測(cè)量的方法。綜上所述，利用CFBG作為光學(xué)濾波器件能夠?qū)崿F(xiàn)窄線寬光纖激光輸出以及作為傳感器件能夠進(jìn)行溫度、應(yīng)變等物理量傳感測(cè)量。目前，對(duì)于CFBG光器件的研究主要還是作為寬帶濾波器實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧多波長(zhǎng)輸出，而對(duì)于利用CFBG實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)輸出且進(jìn)行激光溫度傳感研究目前還較少，因此對(duì)于開展CFBG進(jìn)行光學(xué)濾波以及光纖激光溫度傳感研究具有重要的意義。

為實(shí)現(xiàn)窄線寬激光的輸出，本文提出了以未泵浦的摻鉺光纖作為可飽和吸收體穩(wěn)頻器件，與啁啾光纖光柵級(jí)聯(lián)搭建單波長(zhǎng)輸出的窄線寬環(huán)形摻鉺光纖激光器，并對(duì)窄線寬光纖激光器的輸出性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析，實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)窄線寬激光穩(wěn)定輸出。利用外部加熱平臺(tái)對(duì)光纖激光器中CFBG光器件進(jìn)行激光溫度傳感測(cè)試。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明CFBG在外部溫度變換下，激光輸出波長(zhǎng)能夠滿足不同溫度變化下的線性漂移。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

摻鉺光纖激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，976 nm泵浦光耦合進(jìn)980/1550 nm波分復(fù)用器(Wavelength division multiplexer,WDM)的LD(Laser diode)接口，實(shí)驗(yàn)中利用環(huán)形器形成反向泵浦方式避免泵浦光進(jìn)入到可飽和吸收體中影響可飽和吸收效果，WDM的另一輸入端與環(huán)形器(Circulator)1端口連接，環(huán)形器2端口與未泵浦的摻鉺光纖作為可飽和吸收體(Saturable absorber,SA)和啁啾光纖光柵級(jí)聯(lián)接入摻鉺光纖激光器系統(tǒng)中，環(huán)形器3端口輸出光與分光比為50∶50的2×2耦合器(Optical fiber coupler,OC)的輸入端相接，耦合器輸出端口接入L波段增益光纖(L-band erbium-doped fiber,EDFL)，OC的另一輸出端口接入光譜儀(Optical spectrum analyzer,OSA)用以實(shí)時(shí)觀測(cè)激光輸出光譜，最后EDFL與WDM的輸出端接入構(gòu)成以摻鉺光纖為增益介質(zhì)的光纖環(huán)形腔激光器系統(tǒng)。使用威迅達(dá)公司生產(chǎn)的加熱平臺(tái)(Heating platform)對(duì)CFBG器件進(jìn)行50～300 ℃溫度傳感實(shí)驗(yàn)。

圖1 摻鉺光纖激光器系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of the erbium-doped fiber laser system

啁啾光纖光柵原理如圖2所示，CFBG是具有一定帶寬的光學(xué)濾波器，與柵距固定不變的FBG相比，CFBG可以看作是含有多個(gè)單一柵區(qū)的FBG，每個(gè)柵區(qū)柵距均勻變化。對(duì)于線性啁啾光纖光柵，整個(gè)結(jié)構(gòu)的柵區(qū)間隔如公式(1)所示：

圖2 啁啾光纖光柵結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of the chirped fiber Bragg grating

Λi=Λ0+Fi，

(1)

Λ0為CFBG的初始間隔距離，F(xiàn)為CFBG的啁啾系數(shù)，反映啁啾量大小。CFBG的光反射原理滿足光波耦合模理論，第i個(gè)柵區(qū)的光反射波長(zhǎng)λi如公式(2)所示：

λi=2neffΛi，

(2)

neff為CFBG的有效折射率，Λi為光纖光柵的第i個(gè)柵區(qū)間距。

未泵浦摻鉺光纖作為可飽和吸收體原理如圖3所示，當(dāng)摻鉺光纖激光器泵浦出的信號(hào)光進(jìn)入到SA后，與頻率相同且方向相反的信號(hào)光在整個(gè)未泵浦摻鉺光纖長(zhǎng)度內(nèi)會(huì)形成駐波分布，如圖3(a)所示。駐波的波腹處光強(qiáng)最大，波節(jié)處光強(qiáng)最小，駐波在SA內(nèi)形成后，光強(qiáng)越大，吸收系數(shù)就會(huì)越小，光強(qiáng)越小，吸收系數(shù)就會(huì)越大。吸收系數(shù)在SA整個(gè)長(zhǎng)度上呈現(xiàn)出周期性調(diào)制，因此折射率也會(huì)呈現(xiàn)周期性分布，如圖3(b)所示，相當(dāng)于在SA內(nèi)部寫入具有一定帶寬的振幅光柵，該光柵能夠抑制光波傳輸過(guò)程中除形成駐波的縱模激光外其他縱模激光的產(chǎn)生，保證其單波長(zhǎng)激光輸出。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為單向激光運(yùn)行的環(huán)形腔光纖激光器系統(tǒng)，其光譜范圍如公式(3)所示：

圖3 可飽和吸收體原理圖。(a)光纖中的光強(qiáng)分布；(b)光纖中的折射率分布。Fig.3 Diagram of the saturable absorber.(a)Distribution of intensity in the fiber.(b)Distribution of refractive index in the fiber.

(3)

nl為搭建的光纖激光器系統(tǒng)的腔長(zhǎng)。理論上，SA形成的振幅光柵反射帶寬Δf<Δν時(shí)，光纖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)單波長(zhǎng)激光輸出。

啁啾光纖光柵作為溫度傳感器件時(shí)，外界溫度變化會(huì)改變CFBG有效折射率及光柵間隔，反射波長(zhǎng)會(huì)隨之改變，根據(jù)波長(zhǎng)變化量與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)啁啾光纖光柵溫度傳感測(cè)量。根據(jù)麥克斯韋方程和耦合模理論可知，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)如公式(4)所示：

λ=2neffΛ，

(4)

neff為光纖光柵有效折射率，Λ為光柵間距。對(duì)公式(4)兩邊進(jìn)行微分可以得到中心波長(zhǎng)漂移量，如公式(5)所示：

Δλ=2neffΔΛ+2ΔneffΛ,

(5)

光纖光柵在不受外力作用只受溫度變化時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)變化量是溫度的函數(shù)，由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的光柵周期和折射率變化情況如公式(6)、(7)所示：

(6)

(7)

其中，α為光纖的熱膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù)。將公式(6)、(7)代入公式(5)后得到中心波長(zhǎng)變化量與溫度的函數(shù)：

(8)

K為線性擬合函數(shù)的斜率即溫度靈敏度。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

按照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)搭建了基于CFBG濾波和SA穩(wěn)頻的摻鉺光纖激光器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建前，利用外部寬帶光源(Amplified spontaneous emission,ASE)對(duì)光纖光柵器件CFBG(訊天宇公司生產(chǎn)，型號(hào)為ID:160412-25；Wavelength：1 551.299 nm；Bandwidth：12.657 nm；Reflectivity：99.96%)光反射譜及光透射譜進(jìn)行測(cè)量，ASE波段范圍為1 529～1 605 nm，功率為13 dBm。實(shí)驗(yàn)中光譜儀采集分辨率為0.05 nm(Yokogawa Co.AQ6375)，可檢測(cè)波段范圍為1 200～2 400 nm。圖4為CFBG的光反射譜與光透射譜，根據(jù)光反射譜與光透射譜光譜數(shù)據(jù)分析，CFBG中心波長(zhǎng)為1 549.40 nm，帶寬為12.41 nm。

圖4 CFBG的反射譜與透射譜Fig.4 Reflection spectrum and transmission spectrum of CFBG

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理(圖1)，對(duì)光纖激光器環(huán)形器2端口不接入CFBG和SA、只接入CFBG不級(jí)聯(lián)SA、接入長(zhǎng)度為0.5 m SA和1 m SA且都級(jí)聯(lián)上CFBG等4種情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，并通過(guò)光譜儀檢測(cè)不同情況光譜信息。如圖5(a)所示，光纖激光器中沒有接入SA和CFBG，從OSA數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)?，F(xiàn)象十分明顯；如圖5(b)所示，只有CFBG接入光纖激光器時(shí)，CFBG的濾波效果出現(xiàn)，但仍然有調(diào)?，F(xiàn)象發(fā)生；如圖5(c)所示，0.5 m長(zhǎng)SA與CFBG級(jí)聯(lián)接入光纖激光器時(shí)，穩(wěn)頻現(xiàn)象不明顯，調(diào)模現(xiàn)象沒有得到很好抑制；如圖5(d)所示，SA長(zhǎng)度設(shè)定為1 m時(shí)，激光系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)單波長(zhǎng)激光輸出情況，但是仍有其他模式跳變情況，激光輸出不穩(wěn)定。最后通過(guò)選擇2.2 m長(zhǎng)度的SA與CFBG級(jí)聯(lián)接入光纖激光器系統(tǒng)后，能夠穩(wěn)定輸出單波長(zhǎng)激光。

圖5 SA和CFBG不同級(jí)聯(lián)情況分析。(a)不級(jí)聯(lián)SA和CFBG；(b)只級(jí)聯(lián)CFBG；(c)級(jí)聯(lián)0.5 m長(zhǎng)SA和CFBG；(d)級(jí)聯(lián)1 m長(zhǎng)SA和CFBG。Fig.5 Analysis of different connections between SA and CFBG.(a)Without SA and CFBG.(b)With CFBG.(c)0.5 m SA and CFBG.(d)1 m SA and CFBG.

泵浦功率為219 mW時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器1 555.25 nm單波長(zhǎng)激光穩(wěn)定輸出。1 555.25 nm單波長(zhǎng)激光光譜信息如圖6所示，1 555.25 nm激光的SNR為47.05 dB，3 dB線寬為0.06 nm。保持泵浦功率為219 mW、室溫26 ℃不變條件下，對(duì)1 555.25 nm激光的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試與分析，在間隔2 min掃描間隔內(nèi)對(duì)其輸出光譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，沒有觀察到其他波長(zhǎng)激光模式跳變現(xiàn)象。從圖6(d)可見，在10 min監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)，1 555.25 nm單波長(zhǎng)激光功率變化為0.59 dB，3 dB線寬均小于0.07 nm。

圖6 單波長(zhǎng)激光光譜分析。(a)SNR；(b)3 dB 線寬；(c)1 555.25 nm激光穩(wěn)定性；(d)1 555.25 nm激光功率波動(dòng)。Fig.6 Spectrum analysis of single-wavelength laser.(a)SNR.(b)3 dB linewidth.(c)1 555.25 nm laser stability.(d)Power fluctuation of 1 555.25 nm laser.

保持泵浦功率為219 mW和室溫26 ℃不變條件下，利用外部加熱平臺(tái)對(duì)CFBG進(jìn)行溫度傳感特性分析，溫度變化范圍50～300 ℃，溫度以50 ℃步長(zhǎng)遞增，每個(gè)溫度點(diǎn)等待30 min，待外部加熱平臺(tái)溫度穩(wěn)定后對(duì)激光輸出波長(zhǎng)進(jìn)行光譜信息采集。50～300 ℃升溫過(guò)程激光輸出波長(zhǎng)漂移情況如圖7(a)所示，激光輸出波長(zhǎng)由短波向長(zhǎng)波方向漂移，波長(zhǎng)漂移及功率變化情況如圖7(b)所示，升溫過(guò)程激光輸出波長(zhǎng)由50 ℃時(shí)1 555.32 nm向300 ℃時(shí)1 558.42 nm漂移，整個(gè)升溫過(guò)程激光波長(zhǎng)輸出功率沒有發(fā)生明顯的波動(dòng)，功率變化為0.37 dB。根據(jù)激光波長(zhǎng)與溫度擬合曲線可知，升溫過(guò)程中，溫度靈敏度為12.59 pm/℃，線性度為0.998 6。

圖7 升溫示意圖。(a)升溫波長(zhǎng)漂移；(b)溫度靈敏度與功率變化。Fig.7 Schematic of heating.(a)Wavelength-shift acquired during heating.(b)Temperature sensitivity and power fluctuation.

同樣條件下，300～50 ℃降溫過(guò)程激光輸出波長(zhǎng)漂移情況如圖8(a)所示，激光輸出波長(zhǎng)由長(zhǎng)波向短波方向漂移，波長(zhǎng)漂移及功率變化情況如圖8(b)所示。降溫過(guò)程中，激光輸出波長(zhǎng)由300 ℃時(shí)1 558.44 nm向50 ℃時(shí)1 555.31 nm漂移，整個(gè)降溫過(guò)程激光波長(zhǎng)輸出功率沒有發(fā)生明顯的波動(dòng)，功率變化為0.27 dB。根據(jù)激光波長(zhǎng)與溫度擬合曲線可知，降溫過(guò)程溫度靈敏度為12.58 pm/℃，線性度為0.998 3。

圖8 降溫示意圖。(a)降溫波長(zhǎng)漂移；(b)溫度靈敏度與功率變化。Fig.8 Schematic of cooling.(a)Wavelength-shift acquired during cooling.(b)Temperature sensitivity and power fluctuation.

保持泵浦功率為219 mW和室溫26 ℃不變條件下，加熱平臺(tái)設(shè)置為50 ℃時(shí)，對(duì)1 555.32 nm單波長(zhǎng)激光輸出的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。如圖9(a)所示，在10 min掃描時(shí)間內(nèi)，間隔2 min對(duì)激光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)中沒有觀察到明顯的模式跳變現(xiàn)象。如圖9(b)所示，50 ℃時(shí)5次數(shù)據(jù)采集功率沒有發(fā)生明顯的波動(dòng)，功率變化為0.27 dB，10 min掃描時(shí)間間隔內(nèi)其波長(zhǎng)3 dB線寬均小于0.07 nm，SNR均大于40 dB。

圖9 單波長(zhǎng)激光光譜穩(wěn)定性。(a)50 ℃ 1 555.32 nm 激光穩(wěn)定性；(b)1 555.32 nm激光功率波動(dòng)。Fig.9 Spectrum stability of single-wavelength laser.(a)50 ℃ stability of 1 555.32 nm laser.(b)Power fluctuation of 1 555.32 nm laser.

在相同測(cè)試條件下，加熱平臺(tái)設(shè)置為300 ℃時(shí)，對(duì)1 558.42 nm單波長(zhǎng)激光輸出的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。如圖10(a)所示，在10 min掃描時(shí)間內(nèi)，間隔2 min對(duì)激光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)中沒有觀察到明顯的模式跳變現(xiàn)象。如圖10(b)所示，300 ℃時(shí)5次采集數(shù)據(jù)功率沒有發(fā)生明顯的波動(dòng)，功率變化為0.09 dB，10 min掃描時(shí)間內(nèi)激光輸出波長(zhǎng)3 dB線寬均小于0.07 nm，SNR均大于40 dB。

圖10 單波長(zhǎng)激光光譜穩(wěn)定性。(a)300 ℃ 1 558.42 nm激光穩(wěn)定性；(b)1 558.42 nm激光功率波動(dòng)。Fig.10 Spectrum stability of single-wavelength laser.(a)300 ℃ stability of 1 558.42 nm laser.(b)Power fluctuation of 1 558.42 nm laser.

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的窄線寬摻鉺光纖激光器的光譜輸出特性、3 dB帶寬和固定溫度波長(zhǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試和分析，驗(yàn)證了一種基于啁啾光纖光柵進(jìn)行光學(xué)濾波與級(jí)聯(lián)方式相接的可飽和吸收體進(jìn)行穩(wěn)頻的摻鉺光纖激光器的可行性和有效性。該方法也能很好地避免其縱模的跳變，提高了激光輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的整個(gè)光纖激光器激光輸出系統(tǒng)能較好地進(jìn)行溫度傳感測(cè)量。

4 結(jié) 論

本文提出并分析了采用CFBG與SA級(jí)聯(lián)穩(wěn)頻技術(shù)進(jìn)行全光纖結(jié)構(gòu)單波長(zhǎng)激光輸出的方法，實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)為1 549.40 nm、帶寬為12.41 nm CFBG和長(zhǎng)度為2.2 m SA選型，實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)激光穩(wěn)定輸出。單波長(zhǎng)激光輸出中心波長(zhǎng)為1 555.25 nm，3 dB線寬為0.06 nm，SNR為47.05 dB。在10 min的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，輸出激光功率變化為0.59 dB，SNR均大于40 dB，并對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的CFBG進(jìn)行了50～300 ℃的溫度特性分析。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)所采用的CFBG升溫時(shí)的溫度靈敏度為12.59 pm/℃，線性度為0.998 6；降溫時(shí)的溫度靈敏度為12.58 pm/℃，線性度為0.998 3。并對(duì)溫度變化后50 ℃和300 ℃的激光輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，功率變化為0.27 dB和0.09 dB。該CFBG與SA級(jí)聯(lián)方式穩(wěn)頻的光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、光譜輸出性能良好以及溫度傳感測(cè)量時(shí)功率變化較小等特點(diǎn)，在光纖激光器及光纖傳感領(lǐng)域等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。