頻率間隔可切換多波長隨機(jī)光纖激光器

楊茜，周澤中，張祖興

（南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院 先進(jìn)光子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023）

0 引言

自2010 年分布反饋式隨機(jī)光纖激光器［1］的結(jié)構(gòu)被提出以來，隨機(jī)分布反饋的光纖激光器因具有高功率［2-3］、多波長［4］、可調(diào)諧［5-7］和窄線寬［8］等突出優(yōu)勢，在高功率［9］、寬譜發(fā)射［10-11］、低相干性［12］等多類型新光源探索方面具有廣闊的發(fā)展前景。不同于傳統(tǒng)光纖激光器具有確切的反饋諧振腔鏡，隨機(jī)光纖激光器沒有傳統(tǒng)意義上界限明確的諧振腔結(jié)構(gòu)，而是依靠光纖內(nèi)的隨機(jī)散射來進(jìn)行光反饋。根據(jù)反饋類型，隨機(jī)光纖激光器可分為基于瑞利散射的分布反饋隨機(jī)光纖激光器［1］、填充型隨機(jī)光纖激光器［12-13］和基于隨機(jī)光柵的隨機(jī)光纖激光器［14-15］。然而，填充型隨機(jī)光纖激光器因需要特種空芯光纖、合適的增益及散射介質(zhì)填充，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、腔損耗大、輸出激光效率低、實(shí)用化程度低等缺點(diǎn)。另一種基于隨機(jī)光柵的隨機(jī)光纖激光器由于輸出光譜具有強(qiáng)模式競爭導(dǎo)致輸出功率、效率低且光譜不穩(wěn)定。為了克服上述隨機(jī)光纖激光器帶來的問題，基于瑞利散射分布反饋的隨機(jī)光纖激光器因具有高平穩(wěn)的窄帶連續(xù)無模譜輸出、非線性功率展寬、簡單結(jié)構(gòu)、體積小且成本低等突出優(yōu)勢，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。

近年來，關(guān)于隨機(jī)光纖激光器的多項(xiàng)研究報(bào)道中，廣泛地應(yīng)用了受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）與受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）等非線性效應(yīng)，并利用基于瑞利散射（Rayleigh Scattering，RS）所形成的隨機(jī)分布式反饋以實(shí)現(xiàn)多波長級聯(lián)輸出。SONEE S R 等［16］提出了一種由11 km 長的色散補(bǔ)償光纖和25 km 長大模場面積光纖的組合提供增益的多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器，一端輸出端增加反射鏡將偶數(shù)階斯托克斯線和泵浦光反射回空腔，實(shí)現(xiàn)了光信噪比均勻且信道間隔約為10 GHz 的多波長信道輸出。WU H 等［17］通過在多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器泵浦側(cè)增加一個(gè)高反射率的反射環(huán)鏡，克服了相鄰信道之間功率水平和線寬的差異，獲得了平均信噪比為13.5 dB 的210 階信道間隔約為10 GHz 的多波長信道。雖然多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器通常在信道之間有10 GHz 的間距，但激光腔也可以通過配置不同結(jié)構(gòu)來獲得不同的波長間隔。MAMDOOHI G 等［18］提出了一種全開腔布里淵-拉曼多波長隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)，以雙氧化鉍摻鉺光纖（Bi-EDF）作為增益介質(zhì)，在11 km 色散補(bǔ)償光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)了平均信噪比為26 dB 的195 階信道間隔約為20 GHz 的多波長信道輸出。許磊等［19］研究發(fā)現(xiàn)，在全開腔結(jié)構(gòu)上加入一段4 m 的摻鉺光纖，可以優(yōu)化雙倍布里淵頻移間隔的多波長信道的邊模抑制比，即從14 dB 提高至20 dB。MEI J 等［20］進(jìn)一步提高全開腔布里淵-拉曼多波長隨機(jī)光纖激光器的性能，將摻鉺光纖放大器與單模光纖結(jié)合在一側(cè)，進(jìn)行隨機(jī)激光再生，實(shí)現(xiàn)了對光譜平整度和邊摸抑制比的改善。

上述多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器中，瑞利散射（RS）是誘導(dǎo)級聯(lián)受激布里淵散射（SBS）的關(guān)鍵，多波長斯托克斯線（Brillouin Stocks Line，BSL）的產(chǎn)生是SBS、RS、SRS 在高拉曼泵浦（Raman Bump，RP）功率下結(jié)合的結(jié)果。然而，上述多波長激光器的結(jié)構(gòu)是剛性的，輸出光譜中相鄰BSLs 只能有單倍布里淵頻移間隔或雙倍布里淵頻移間隔。因此一個(gè)具有可調(diào)頻率間隔的單一多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器值得深入探索。

已有研究表明半開腔布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光腔可以產(chǎn)生信道間隔約為單倍布里淵頻移間距的多波長隨機(jī)激光［16-17］，全開腔結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生信道間隔約為雙倍布里淵頻移間距的多波長隨機(jī)激光［18-20］。本文提出一種頻率間隔可切換的多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器，其頻率間隔可切換功能是通過調(diào)控半開腔一側(cè)反射環(huán)中的可調(diào)衰減器的衰減大小，即控制反射光的功率變化實(shí)現(xiàn)的。基于此，當(dāng)可調(diào)衰減器衰減較小時(shí)（-2 dB），此時(shí)大部分的偶數(shù)階斯托克斯光和剩余泵浦光被反射回激光腔中，繼續(xù)參與級聯(lián)，該激光器實(shí)際為半開腔結(jié)構(gòu)，獲得帶寬39 nm（1 532～1 571 nm）、單倍布里淵頻移間隔（10.48 GHz）的多波長信道，此時(shí)光信噪比為17.2 dB。當(dāng)可調(diào)諧衰減器衰減較大時(shí)（-30 dB），此時(shí)偶數(shù)階斯托克斯光從右端輸出口輸出，不會返回到激光腔中，該激光器等效為雙開腔結(jié)構(gòu)，獲得帶寬39.5 nm（1 532～1 571.5 nm）、雙倍布里淵頻移間隔（20.96 GHz）的多波長信道，此時(shí)光信噪比為25.2 dB。該結(jié)構(gòu)相比其他頻率間隔可切換多波長光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、信道帶寬更寬等優(yōu)點(diǎn)。

1 激光器結(jié)構(gòu)及工作原理

基于腔損耗調(diào)控的頻率間隔可切換多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1。該隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)由一個(gè)拉曼光纖放大器以及兩個(gè)個(gè)反射環(huán)組成，其中放大器由一個(gè)波分復(fù)用器（WDM）、拉曼泵浦RP（OS8147-850-1455，工作波長為1 455 nm）和色散補(bǔ)償光纖（DCF）組成。長度7 km 的DCF（DCF 與SMF 在1 550 nm 處熔接后的總插入損耗約為5.6 dB）作為布里淵和拉曼混合非線性增益介質(zhì)，與單模光纖（SMF）或非零色散光纖（NZ-DSF）相比，其有效面積更小，可以為多波長布里淵-拉曼光纖激光器提供更高的增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中，理論計(jì)算得到DCF 的布里淵頻移為11.28 GHz，除了利用受激布里淵散射效應(yīng)產(chǎn)生級聯(lián)斯托克斯線外，還充當(dāng)隨機(jī)分布反射鏡，即基于后向弱瑞利散射形成分布式激光反射。反射環(huán)1 由環(huán)形器（Cir3）端口3 與端口1 相連構(gòu)成，使得從DCF 出來的剩余沒被吸收的RP 能夠返回腔內(nèi)，繼續(xù)對布里淵泵浦（BP）和BSL 進(jìn)行拉曼放大，提高RP 的利用效率。反射環(huán)2 由環(huán)形器（Cir2）端口3 與端口1 間連接一個(gè)可調(diào)衰減器構(gòu)成，通過控制可調(diào)衰減器的衰減大小，使激光器結(jié)構(gòu)在半開腔與全開腔之間切換，從而調(diào)控所產(chǎn)生多波長信道的頻率間隔和光信噪比。在環(huán)形器（Cir1）端口3 連接一個(gè)分辨率0.02 nm 的光譜分析儀（OSA，AQ6370D）來測量激光器的性能以及多波長輸出的光譜。

圖1 基于腔損耗調(diào)控的頻率間隔可切換多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of frequency interval switchable multi-wavelength Brillouin-Raman random fiber laser based on cavity loss regulation

該激光器工作原理：采用半導(dǎo)體可調(diào)諧激光源（AQ2200-136，線寬為200 kHz）作為BP，波長調(diào)諧范圍為970～1 680 nm，通過可調(diào)諧衰減器調(diào)整注入激光腔的信號功率，功率調(diào)諧范圍為-60～6 dBm。BP 信號通過環(huán)形器（Cir1）端口1 注入激光腔，經(jīng)過1 455/1 550 nm 的波分復(fù)用器（WDM）與1 455 nm RP 信號結(jié)合。RP 在DCF 中產(chǎn)生分布式拉曼效應(yīng)，對BP 進(jìn)行拉曼放大。當(dāng)BP 信號功率達(dá)到受激布里淵散射閾值時(shí)，將產(chǎn)生反向傳播的一階布里淵斯托克斯線（BSL）。類似地，低階BSL 將作為高階BSL 的泵浦源產(chǎn)生更多的高階BSL，這樣的級聯(lián)過程一直持續(xù)到某一階的放大BSL 受到拉曼放大效率的限制，而不能達(dá)到下一階的SBS閾值時(shí)停止。另一個(gè)波分復(fù)用器連接反射環(huán)1，用于將剩余沒被吸收RP 功率反射回腔內(nèi)，提高RP 的利用效率。在該激光器結(jié)構(gòu)中，向右傳播的偶數(shù)階BSLs 通過反射環(huán)2 反射回光纖中，與向左傳播的奇數(shù)階BSLs結(jié)合，共同從環(huán)形器（Cir1）端口3 處輸出，形成單倍布里淵頻率間隔的多波長BSLs。因此通過控制反射環(huán)中可調(diào)諧衰減器衰減大小，可以精確控制進(jìn)入腔內(nèi)的反射信號的功率，形成頻率間隔可切換、信噪比可調(diào)的多波長信道輸出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 反射環(huán)的表征

圖2 為反射環(huán)2 的細(xì)節(jié)圖，它由一個(gè)環(huán)形器（Cir2）以及一個(gè)可調(diào)諧衰減器構(gòu)成。采用光功率計(jì)（OPM）測量通過可調(diào)諧衰減器前的入射功率以及通過衰減器后的出射功率。環(huán)形器可以阻止任何不需要的反向反射光，確保收集到的數(shù)據(jù)具有高的準(zhǔn)確性。測量通過環(huán)形器（Cir2）端口3 輸出的偶數(shù)階斯托克斯線光功率記為入射光功率，再測量繼續(xù)經(jīng)過可調(diào)諧衰減器后的光功率記為輸出功率，通過比較兩處功率損失，可以得出反射環(huán)中衰減器的衰減大小。

圖2 反射環(huán)2 細(xì)節(jié)Fig.2 Detailed for the reflective ring 2

圖3 為選取BP 波長為1 535 nm，功率為4 dBm，RP 功率為29.2 dBm 情況下，輸出光譜及其相鄰斯托克斯線之間峰值功率差（PPD）隨反射環(huán)2 中可調(diào)衰減器的衰減大小變化關(guān)系圖。由圖3（b）可知，當(dāng)衰減0 dB 到-3 dB 時(shí)，向右傳播的偶數(shù)階BSLs 大部分通過反射環(huán)2 反射回光纖中，與向左傳播的奇數(shù)階BSLs結(jié)合并同向傳播，激光器產(chǎn)生具有單倍布里淵頻移間隔的斯托克斯線，此時(shí)輸出光譜不平整度小于3 dB，即產(chǎn)生了10.48 GHz 頻率間隔的BSLs（考慮到理論計(jì)算中有效折射率以及聲學(xué)速度取值為近似值帶來的誤差，該單倍布里淵頻移間隔值與理論值有一些偏差）。繼續(xù)增加衰減，相鄰斯托克斯線之間的峰值功率差增大。當(dāng)衰減-3 dB 到-30 dB 時(shí)，相鄰斯托克斯線頻率間隔處于由單倍布里淵頻移間距向雙倍布里淵頻移間距過渡區(qū)間，此時(shí)相鄰斯托克斯線之間峰值功率差處于3 dB 至20 dB 之間。當(dāng)衰減-30 dB 到-65 dB時(shí)，激光器產(chǎn)生具有雙倍布里淵頻移間隔的斯托克斯線，此時(shí)僅有偶數(shù)階斯托克斯的瑞利反射分量與奇數(shù)階BSLs 同向傳播，相鄰斯托克斯線之間的峰值功率＞20 dB，即產(chǎn)生20.96 GHz 頻率間隔的BSLs?？梢姡ㄟ^調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器的衰減大小，從而精確控制進(jìn)入腔內(nèi)的反射信號的功率，可以使激光器結(jié)構(gòu)在半開腔與全開腔之間切換，形成頻率間隔可切換、信噪比可調(diào)的多波長信道輸出。

圖3 BSLs 之間的PPD 隨衰減器衰減變化的函數(shù)關(guān)系Fig.3 PPD of the BSLs as a function of attenuation of the attenuator

2.2 BP 波長及功率對多波長輸出的影響

為了說明BP 波長（本結(jié)構(gòu)中，輸出光譜可以在1 532 nm 到1 570 nm 之間調(diào)諧）對多波長斯托克斯線輸出的影響，固定BP 功率為4 dBm，RP 功率為29.2 dBm，在不同的BP 波長下測量多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器的輸出。圖4（a）為在BP 波長分別為1 535 nm、1 545 nm、1 555 nm 以及1 565 nm 的情況下，得到的單倍布里淵頻移間隔多波長輸出，帶寬分別為36 nm、26 nm、16 nm、6 nm。圖4（b）為在上述不同BP 波長下得到的雙倍布里淵頻移間隔多波長輸出，帶寬分別為36.5 nm、26.5 nm、16.5 nm、6.5 nm。結(jié)果表明，在該結(jié)構(gòu)下多波長信道的輸出帶寬隨BP 波長增大而減小。這是因?yàn)樵谳^大波長處的拉曼增益較低，多通道的產(chǎn)生在長波長邊緣受到限制。因此，隨著BP 信號被調(diào)諧到更長的波長，斯托克斯線數(shù)量的產(chǎn)生會持續(xù)下降，帶寬降低。

圖4 不同BP 波長下得到的兩種具有不同布里淵頻移間隔的多波長輸出光譜Fig.4 Two multi-wavelength output spectra of different Brillouin frequency shift intervals at different BP wavelengths

如圖5 所示，進(jìn)一步討論BP 功率對多波長輸出的影響，固定BP 波長為1 550 nm，RP 功率為29.2 dBm，將1 550 nm BP 功率從4 dBm 提高到6 dBm，此時(shí)單倍頻率間隔的多波長輸出光譜帶寬由20.2 nm 減小至19.5 nm，雙倍頻率間隔的多波長輸出光譜帶寬由21.6 nm 減小至20.6 nm。這是由于在較高BP 功率值下，光強(qiáng)增大，此時(shí)粒子受激輻射幾率下降導(dǎo)致增益趨于飽和（即此時(shí)發(fā)生了增益飽和），從而阻止了高階斯托克斯線的進(jìn)一步放大。因此，多波長輸出帶寬隨著BP 功率的增加而減少。若進(jìn)一步降低BP 功率至4 dBm以下，斯托克斯線對自激發(fā)模式抑制作用會減小，光譜的穩(wěn)定性會變差且調(diào)諧范圍也將大大降低。因此在該激光結(jié)構(gòu)中，選取BP 波長為1 532 nm，功率為4 dBm 時(shí)，多波長輸出在盡可能大的波長范圍內(nèi)輸出更多的斯托克斯線。

圖5 不同BP 功率下得到的兩種具有不同布里淵頻移間隔的多波長輸出光譜Fig.5 Two multi-wavelength output spectra of different Brillouin frequency shift intervals at different BP power

2.3 最佳結(jié)果

在本結(jié)構(gòu)中，考慮到產(chǎn)生的斯托克斯線數(shù)量與RP 功率成正比，且在29.2 dBm 處未達(dá)到飽和，因此RP選取最高功率29.2 dBm。圖6 為在最佳泵浦條件下的多波長輸出光譜，此時(shí)BP 波長為1 532 nm，功率為4 dBm，RP 功率為29.2 dBm。

如圖6，在最佳泵浦條件下，通過調(diào)控可調(diào)諧衰減器的衰減大小，實(shí)現(xiàn)了多波長斯托克斯線輸出間隔單雙倍布里淵頻移切換。當(dāng)可調(diào)衰減器衰減-2 dB 時(shí)，該激光器實(shí)際為半開腔結(jié)構(gòu)，此時(shí)大部分偶數(shù)階斯托克斯線被反射環(huán)2 反射回激光腔中，與奇數(shù)階斯托克斯線匯合同向傳輸，一起通過環(huán)形器（Cir1）端口3 被檢測，最終獲得帶寬39 nm（1 532～1 571 nm）、頻率間隔為10.48 GHz 的多波長光譜，此時(shí)光信噪比為17.2 dB。當(dāng)可調(diào)衰減器衰減-30 dB 時(shí)，該激光器等效為全開腔結(jié)構(gòu)，此時(shí)大部分偶數(shù)階斯托克斯線通過環(huán)形器（Cir2）端口3 輸出，不返回到腔中，僅有偶數(shù)階斯托克斯瑞利散射分量與奇數(shù)階斯托克斯線同向傳輸被檢測，最終獲得帶寬39.5 nm（1 532～1 571.5 nm）、頻率間隔約為20.96 GHz 的多波長光譜，此時(shí)光信噪比為25.2 dB。該結(jié)構(gòu)相比其他頻率間隔可切換多波長光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、信道帶寬更寬等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 最佳泵浦條件下得到的兩種具有不同布里淵頻移間隔的多波長輸出光譜及其細(xì)節(jié)Fig.6 Two multi-wavelength output spectra and their details of different Brillouin frequency shift intervals at optimized pumping condition

3 結(jié)論

提出了一種基于腔損耗調(diào)控的頻率間隔可切換多波長布里淵-拉曼隨機(jī)光纖激光器。該隨機(jī)光纖激光器基于瑞利散射所形成的隨機(jī)分布式反饋，結(jié)合受激布里淵散射、受激拉曼散射等非線性效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)多波長級聯(lián)輸出。通過控制反射環(huán)2 中的可調(diào)衰減器的衰減大小，腔結(jié)構(gòu)在半開腔與全開腔之間切換，實(shí)現(xiàn)多波長斯托克斯線信道的頻率間隔切換和光信噪比可調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)可調(diào)衰減器衰減-2 dB 時(shí)，該激光器實(shí)際為半開腔結(jié)構(gòu)，可獲得帶寬39 nm（1 532～1 571 nm）、單倍布里淵頻移間隔（10.48 GHz）的多波長信道，此時(shí)光信噪比為17.2 dB。當(dāng)可調(diào)衰減器衰減-30 dB 時(shí)，該激光器等效為全開腔結(jié)構(gòu)，可獲得帶寬39.5 nm（1 532～1 571.5 nm）、雙倍布里淵頻移間隔（20.96 GHz）的多波長信道，此時(shí)光信噪比為25.2 dB。該頻率間隔可切換、結(jié)構(gòu)簡單的多波長隨機(jī)光纖激光器大大擴(kuò)展了其在新光源探索領(lǐng)域應(yīng)用的靈活性。