一種波長(zhǎng)間隔可調(diào)諧的四波長(zhǎng)光纖激光器

崔文翔，周雪芳，陳健蘭

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

多波長(zhǎng)光纖激光器在波分復(fù)用系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)、微波光子學(xué)以及光傳感領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-2]。但是，室溫下，摻鉺光纖(Erbium-doped Fiber，EDF)具有均勻展寬的特性，加劇了模式競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致激光器無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多波長(zhǎng)輸出。抑制模式競(jìng)爭(zhēng)的方法主要包括：利用受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)[3]、四波混頻(Four-Wave Mixing，F(xiàn)WM)[4-5]等非線性效應(yīng)；利用強(qiáng)度相關(guān)損耗機(jī)制[6-7]或者偏振燒孔(Polarization Hole Burning，PHB)[8]效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)可切換多波長(zhǎng)激光輸出主要通過(guò)在激光器中插入1個(gè)梳狀濾波器，例如法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)濾波器[9]、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)濾波器[10]、Lyot濾波器[11-12]和Sagnac環(huán)濾波器[13-14]等。

近年來(lái)，許多學(xué)者將穩(wěn)頻機(jī)制和濾波器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器。Zhou等[15]設(shè)計(jì)了一種基于MZI和NOLM的L波段多波長(zhǎng)光纖激光器，通過(guò)改變泵浦功率和偏振控制器(Polarization Controller，PC)的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)數(shù)目的調(diào)諧和多波長(zhǎng)激光在不同通道之間的切換。朱可等[16]提出了一種基于雙Sagnac環(huán)濾波器可切換的多波長(zhǎng)光纖激光器，將保偏光纖(Polarization-Maintaining Fiber，PMF)和少模光纖組成并聯(lián)雙Sagnac環(huán)濾波器，調(diào)節(jié)PC并結(jié)合PHB效應(yīng)得到了六波長(zhǎng)激光輸出，所獲得輸出激光的邊模抑制比(Side Mode Suppression Ratio，SMSR)均大于34 dB。Zhao等[17]設(shè)計(jì)了一種基于復(fù)合濾波器的波長(zhǎng)間隔可調(diào)的多波長(zhǎng)光纖激光器，該濾波器由兩段式Sagnac環(huán)和1個(gè)Lyot濾波器組成，調(diào)節(jié)PC可以產(chǎn)生PHB效應(yīng)，抑制了模式競(jìng)爭(zhēng)，SMSR最高可達(dá)47 dB。雖然，上述激光器可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸出，但是，仍有一些不足，比如結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、成本較高、波長(zhǎng)調(diào)諧種類不夠多、SMSR較低等。本文設(shè)計(jì)了一種多波長(zhǎng)可切換的摻鉺光纖激光器，濾波裝置為內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整PC來(lái)控制腔內(nèi)的增益和損耗，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)間隔可調(diào)諧的多波長(zhǎng)激光。

1 內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器的結(jié)構(gòu)及原理

內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1個(gè)3dB耦合器(Optical Coupler，OC)、1段PMF、1個(gè)PC和1個(gè)自制的MZI構(gòu)成。1束光從OC1的輸入端進(jìn)入耦合器分成2束光，其中1束光從端口3到端口4沿順時(shí)針傳輸經(jīng)過(guò)PMF，PC1和MZI，另1束光從端口4到端口3沿逆時(shí)針傳輸經(jīng)過(guò)MZI，PC1，PMF，2束光最后回到OC1相干輸出。

圖1 內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)

運(yùn)用耦合模理論及瓊斯矩陣?yán)碚揫18-19]對(duì)濾波器進(jìn)行特性分析。當(dāng)入射光通過(guò)OC時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為：

(1)

式中，j為虛數(shù)單位，k為OC的耦合比。

當(dāng)光束經(jīng)過(guò)PMF時(shí)，產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為：

(2)

當(dāng)入射光經(jīng)過(guò)PC時(shí)，光隨著偏振方向旋轉(zhuǎn)θ，對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為：

(3)

光束通過(guò)MZI兩臂時(shí)的傳輸矩陣為：

(4)

單通MZI對(duì)應(yīng)的傳輸函數(shù)為：

(5)

假設(shè)輸入端口的光場(chǎng)強(qiáng)度為Ein，輸出端口的光場(chǎng)強(qiáng)度為Eout，則有：

(6)

(7)

E′3=TMZIJPC1JPMFE3

(8)

(9)

(10)

因此，內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器的傳輸函數(shù)為：

(11)

式中，E3和E4分別為OC1的2個(gè)輸出端口的電場(chǎng)強(qiáng)度，E′3為順時(shí)針經(jīng)過(guò)PMF，PC1和MZI的電場(chǎng)強(qiáng)度，E′4為逆時(shí)針經(jīng)過(guò)MZI，PC1和PMF的電場(chǎng)強(qiáng)度。

運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器的傳輸特性進(jìn)行仿真，相關(guān)參數(shù)為L(zhǎng)PMF=1 m，Δn=4.025×10-4，neff=1.468，ΔL=2 mm，濾波器中的OC1，OC2和OC3都是3dB耦合器，即耦合比k=0.5。相關(guān)參數(shù)保持不變，偏振角度θ分別為π/6，π/4，π/3，π/2時(shí)，濾波器透射光譜如圖2所示。

圖2 PC在不同偏振角度θ下的透射光譜

從圖2可以看出，偏轉(zhuǎn)角度θ增加時(shí)，濾波器透射譜的位置沒(méi)有改變，透射功率變大，消光比變高。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器的四波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示，主要包括980 nm泵浦源，980/1 550 nm波分復(fù)用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)，環(huán)形器(Circulator，CIR)，偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)，內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器及PC2、一段長(zhǎng)為5 m的EDF。濾波器中的OC1，OC2和OC3均為3dB耦合器，PMF長(zhǎng)度為1 m，自制的MZI的兩臂長(zhǎng)差2 mm。WDM的作用是將泵浦光注入到諧振腔，EDF作為增益介質(zhì)用于產(chǎn)生自發(fā)輻射光。CIR用于保證光束單向振蕩，PBS將主腔和濾波器連接起來(lái)，并且和PC產(chǎn)生PHB效應(yīng)用于壓制模式競(jìng)爭(zhēng)，從而獲得穩(wěn)定的激光輸出。1個(gè)90/10的OC4作為激光器輸出端口，其中，10%端口用于輸出到光譜儀(Optical Spectrum Analyzer，OSA)，90%端口輸出的激光繼續(xù)流入腔內(nèi)循環(huán)。

圖3 基于內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)可切換多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器實(shí)驗(yàn)原理

保持泵浦功率166 mW不變，順時(shí)針調(diào)節(jié)2個(gè)PC的偏轉(zhuǎn)角度，可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧單波長(zhǎng)輸出。實(shí)驗(yàn)中，觀察到4種單波長(zhǎng)，其中心波長(zhǎng)分別為1 558.64 nm，1 560.29 nm，1 561.05 nm，1 561.80 nm，如圖4所示。使用OSA測(cè)得4種單波長(zhǎng)的SMSR分別為55.59 dB，55.33 dB，55.39 dB，57.89 dB，均大于55.00 dB，說(shuō)明輸出的單波長(zhǎng)激光可調(diào)諧、信噪比高。

圖4 單波長(zhǎng)輸出光譜

在得到單波長(zhǎng)輸出的基礎(chǔ)上，泵浦功率保持不變，繼續(xù)順時(shí)針調(diào)節(jié)2個(gè)PC的偏轉(zhuǎn)角度，可以實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)輸出。實(shí)驗(yàn)中，觀察到4種雙波長(zhǎng)，其中心波長(zhǎng)分別位于1 557.82 nm和1 562.70 nm，1 561.12 nm和1 562.67 nm，1 560.32 nm和1 562.79 nm以及1 558.67 nm和1 561.90 nm，如圖5所示。使用OSA測(cè)得4種雙波長(zhǎng)最大峰值功率差分別為3.29 dB，1.34 dB，3.75 dB和1.80 dB，其中最大值為3.75 dB。

圖5 雙波長(zhǎng)輸出光譜

保持泵浦功率不變，在雙波長(zhǎng)輸出的基礎(chǔ)上，繼續(xù)順時(shí)針調(diào)節(jié)2個(gè)PC的偏轉(zhuǎn)角度，可以實(shí)現(xiàn)三波長(zhǎng)激光輸出。實(shí)驗(yàn)中，觀察到4種三波長(zhǎng)，其中心波長(zhǎng)分別為1 557.76 nm，1 561.87 nm和1 563.48 nm，1 557.97 nm，1 562.01 nm和1 564.46 nm，1 558.01 nm，1 558.76 nm和1 564.53 nm，以及1 557.10 nm，1 557.86 nm和1 563.61 nm，如圖6所示。使用OSA測(cè)得4種雙波長(zhǎng)最大峰值功率差分別為4.23 dB，5.04 dB，2.08 dB和5.82 dB，其中最大值為5.82 dB。

圖6 三波長(zhǎng)輸出光譜

此外，穩(wěn)定性也是衡量激光器性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，在室溫條件下測(cè)量了三波長(zhǎng)激光的穩(wěn)定性。30 min內(nèi)，用OSA對(duì)1 557.76 nm，1 561.87 nm和1 563.48 nm處的三波長(zhǎng)輸出光譜進(jìn)行掃描，每隔3 min進(jìn)行一次掃描，得到的波長(zhǎng)漂移分別為0.15 nm，0.18 nm和0.12 nm，如圖7所示。

圖7 三波長(zhǎng)激光的波長(zhǎng)漂移

在三波長(zhǎng)輸出的基礎(chǔ)上，保持泵浦功率166 mW不變，繼續(xù)順時(shí)針調(diào)整2個(gè)PC的偏轉(zhuǎn)角度，可以實(shí)現(xiàn)四波長(zhǎng)激光輸出。實(shí)驗(yàn)中，觀察到3種四波長(zhǎng)，其中心波長(zhǎng)分別位于1 556.97 nm，1 557.81 nm，1 562.70 nm和1 564.30 nm，1 556.97 nm，1 558.53 nm，1 562.70 nm和1 564.30 nm以及 1 556.81 nm，1 557.67 nm，1 558.40 nm和1 562.54 nm，如圖8所示。使用OSA測(cè)得3種四波長(zhǎng)的最大峰值功率之差分別為9.44 dB，10.23 dB和8.31 dB，其中最大峰值功率之差為10.23 dB。

圖8 四波長(zhǎng)輸出光譜

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，隨著波長(zhǎng)數(shù)目的增加，最大峰值功率之差越大，功率波動(dòng)越來(lái)越大，這主要由摻鉺光纖激光增益產(chǎn)生的模式競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致，不穩(wěn)定的泵浦功率、外界環(huán)境中輕微振動(dòng)和溫度變化都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。由于實(shí)驗(yàn)裝置中濾波器的自由光譜范圍為0.8 nm，導(dǎo)致模式競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，因此激光器輸出的多波長(zhǎng)激光功率均勻性較差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)嵌MZI的Sagnac環(huán)濾波器的四波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器，通過(guò)調(diào)節(jié)激光器中的PC，實(shí)現(xiàn)了間隔可變的多波長(zhǎng)輸出。本文提出的激光器為全光纖化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，輸出激光穩(wěn)定性良好，SMSR較高，調(diào)諧簡(jiǎn)單。后續(xù)將對(duì)激光器的結(jié)構(gòu)展開(kāi)進(jìn)一步探究，通過(guò)減少腔內(nèi)損耗的方法來(lái)獲得更多波長(zhǎng)數(shù)目的激光輸出，進(jìn)一步提升激光器的實(shí)用性。