基于混合介質(zhì)光纖干涉儀的單波長光纖激光器

姚琴芬,鹿 姚,沈展羽,萬洪丹*

(1.江蘇開放大學(xué) 教育學(xué)院,南京 210036;2.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院&柔性電子(未來技術(shù))學(xué)院,南京 210023)

引 言

近年來,光纖激光器由于具有小抽運閾值、高傳輸光束質(zhì)量、高波長靈活性、小體積等優(yōu)勢和特點[1-2],尤其是單波長、高單色性的光纖激光器,在光纖傳感、光通信、激光切割、光譜測量等領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用[3-4]。當(dāng)前,主要通過控制光纖激光器諧振腔的長度[5-6]或在腔內(nèi)引入窄帶光纖濾波器[7-8]來實現(xiàn)光纖激光器的窄帶選模輸出。光纖諧振腔主要分為線性和環(huán)形兩種類型[9],線性諧振腔光纖激光器通常采用在增益光纖上引入光柵或者采用將二者對接等方式構(gòu)成短直腔[10-12],增大輸出縱模之間的間隔以實現(xiàn)單模輸出,但是具有成本高、封裝技術(shù)復(fù)雜等不足;環(huán)形諧振腔激光器由于腔長較長,導(dǎo)致輸出模式較多,需要加入如光纖光柵[13-14]、飽和吸收體[15-16]、級聯(lián)法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)腔[17-18]、有源注入復(fù)合腔[9,19]等光纖濾波器件以實現(xiàn)單波長輸出。2015年,YEH等人將光纖布喇格光柵作為光纖濾波器置于環(huán)形腔中,實現(xiàn)了線寬小于0.02 nm的單波長輸出[13]。2020年,WAN等人提出了一種基于Er3+、Yb3+摻雜增益光纖花生結(jié)結(jié)構(gòu)的光纖濾波器,實現(xiàn)了線寬小于0.02 nm的窄線寬單波長激光輸出[20]。2022年,GAO等人提出一種基于保偏光纖布喇格F-P腔的濾波器,實現(xiàn)了穩(wěn)定的雙波長輸出[18]。

然而,光纖光柵、F-P腔等窄帶濾波器在制備工藝和封裝方式等方面有較高的要求。因此,提高系統(tǒng)緊湊性和性價比的同時還要使激光輸出帶寬減小且能保證系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性,成為當(dāng)前單波長光纖激光器的研究重點。本文作者提出一種基于單模石英-摻鉺-單模石英結(jié)構(gòu)混合介質(zhì)光纖干涉儀(hybrid fiber interfero-meter,HFI)的單波長光纖激光器?；谌廴阱e位熔接法制備獲得全光纖結(jié)構(gòu)HFI,通過控制中間段有源鉺摻雜光纖(erbium-doped fiber, EDF)的長度和錯位量優(yōu)化HFI光譜特性。搭建全光纖環(huán)形激光器實驗系統(tǒng),基于HFI中間段EDF的飽和吸收效應(yīng)以及HFI的窄帶光譜進行腔內(nèi)選模,實現(xiàn)單波長、穩(wěn)定的窄帶激光輸出。該激光器結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性和單色性好,在光纖傳感和相干通信系統(tǒng)等領(lǐng)域具有實際應(yīng)用價值。

1 原理實驗分析

HFI結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,d為第1段無源單模光纖(single-mode fiber,SMF)與EDF的光纖錯位量,L為中間段EDF長度。入射光從SMF1左端(8 μm/125 μm)進入,光場沿著光纖纖芯(LP01模式)傳輸至中間段有源EDF光纖(5.5 μm/125 μm)處。LP(line-ar polarization)表示線偏振。光傳輸?shù)絊MF1和EDF交界面處,由于纖芯失配而激發(fā)包層模(LP1m模式),部分光場進入包層傳播從而形成包層模,另一部分則繼續(xù)在纖芯中傳輸。在SMF1和EDF接觸處引入適當(dāng)?shù)腻e位量d,激發(fā)更多的包層模與纖芯模產(chǎn)生模式干涉。由于纖芯與包層具有不同的折射率,光在EDF中傳輸一段距離之后,纖芯模與包層模之間會產(chǎn)生一定的相位差。當(dāng)光傳播到EDF和第2段單模光纖SMF2(8.2 μm/125 μm)交界面處,包層模和纖芯模將匯聚并同時進入SMF2中進行傳輸,從而形成模間干涉[10]。

圖1 混合介質(zhì)光纖干涉儀結(jié)構(gòu)及光場模式傳輸示意圖

根據(jù)光場干涉疊加原理,干涉光譜強度為[20]：

(1)

式中,λ為入射光波長,Icore和Iclad分別為LP01模式和LP1m模式的傳輸光強度,δ為LP01模式和LP1m模式的光程差,Δφ為初始的相位差,這里認為Δφ=0 ,Δφ是LP01模式和LP1m模式之間的相位差,可表示為：

(2)

式中,Δneff是光纖纖芯和包層兩種傳輸介質(zhì)的有效折射率差,Leff為有效干涉長度,此處等于中間段錯位光纖的長度L。干涉的極大值即為干涉譜的峰值處,干涉的極小值即為干涉譜的谷底處。

當(dāng)LP01模式和LP1m模式的相位差為π的奇數(shù)倍(2N+1)時,即Δφ=2πΔneffLeff/λ=(2N+1)π,有cos(2πδ/λ+Δφ)=-1,I取最小值Imin,干涉相消,對應(yīng)的干涉波谷中心波長λmin可表示為：

(3)

λmin=2ΔneffLeff/(2N+1)

(4)

當(dāng)LP01模式和LP1m模式的相位差為π的偶數(shù)倍2N時,即Δφ=2πΔneffLeff/λ=2Nπ,有cos(2πδ/λ+Δφ)=1,I取最大值Imax,干涉相長,對應(yīng)的干涉波峰中心波長λmax可表示為：

(5)

λmax=ΔneffLeff/N

(6)

由此可以得出兩個相鄰波谷(波峰)之間的波長差為：

Δλ=λ2/(2ΔneffLeff)

(7)

相鄰兩個波峰(波谷)的波長間距為自由光譜范圍(free spectral range,FSR)RFSR由干涉區(qū)域的長度Leff來控制,當(dāng)EDF長度越長,RFSR越小,可表示為：

RFSR=λ2/δ

(8)

δ=2ΔneffLeff

(9)

干涉光譜的消光比Re可表示為：

(10)

由(10)式可知,Re的大小主要由干涉光的光強決定,當(dāng)通過LP01模式和LP1m模式的光強相等時,干涉光譜的Re最高。利用相關(guān)軟件仿真計算得到模式干涉光譜的歸一化譜線,如圖2所示。圖2a為EDF長度(L=15 mm)固定不變,改變錯位量(d變化范圍為0 μm～16 μm)得到的HFI干涉光譜變化規(guī)律;圖2b為錯位量固定不變(d=14 μm),改變中間段EDF長度(L變化范圍為10 mm～25 mm)得到的HFI干涉光譜變化規(guī)律。由圖2a可知,當(dāng)L=15 mm時,存在最佳錯位量(d=14 μm),干涉光譜Re最大可達34 dB;由圖2b可知,當(dāng)d=14 μm時,干涉光譜的RFSR隨著L的增加而變小,與(8)式相一致。

圖2 不同d和L下仿真計算得到的HFI干涉光譜

2 器件制備與測試

2.1 EDF制備

預(yù)制棒為Er3+、Al3+離子摻雜SiO2玻璃材料,經(jīng)過高溫熔縮、沉積纖芯,再浸泡于Er3+、Al3+離子溶液等流程制備。通過拉絲裝置[21]將EDF預(yù)制棒拉制成光纖,具體過程為：首先將預(yù)制棒放置在送棒裝置上,置于加熱爐口中心處且垂直于地面,加熱爐中的電阻絲被用來加熱預(yù)制棒;然后通過拉絲塔控制臺和熱電偶將溫度范圍升高至1900 ℃～2000 ℃,步長為20 ℃～30 ℃,保溫10 min使拉絲溫度穩(wěn)定;最后調(diào)整送棒速率和最大送棒長度的同時控制拉絲滾輪轉(zhuǎn)速調(diào)整拉絲速率(1.5 m/min～20 m/min)以保證制備光纖的直徑大小,得到的EDF光包層約125 μm,模場直徑在1550 nm時為5 μm～6 μm,抽運功率吸收系數(shù)在980 nm時大于3 dB/m,在1530 nm時為5 dB/m～7 dB/m。

2.2 HFI制備

圖3為使用錯位熔接法制備的HFI中間段EDF與SMF1的實物照片圖。中間段EDF長度為15 mm,兩端無源SMF長度之和小于50 cm;光纖對準錯位d變化范圍為0 μ～10 μm,錯位控制精度為0.1 μm。圖3a展示了用于控制兩端光纖之間的錯位量的程序;改變錯位量之后兩光纖位置如圖3b所示;通過放電將兩端光纖錯位熔接,熔接后的圖片即為圖3c。為研究并獲得最佳HFI光譜,向SMF1通入寬帶光源,改變d以及中間段EDF的長度,通過光譜儀(optical spectrum analyser,OSA)實時觀察干涉儀光譜的變化情況。

圖3 a—用于控制光纖錯位量程序圖 b—光纖錯位圖 c—錯位熔接后的實物圖照片

圖4為L=15 mm、不同錯位量d時測得的HFI干涉光譜變化規(guī)律。

圖4 L=15 mm、不同錯位量d時的HFI干涉光譜圖

表1中列出了在L=15 mm時、不同錯位量d時的RFSR和Re實驗數(shù)值特性。實驗測試結(jié)果表明,干涉光譜的RFSR隨著錯位量d的增加而減小,損耗隨著錯位量d的增加而增加?？梢钥闯龃嬖谝粋€最佳值,當(dāng)d=14 mm時,使得干涉光譜Re最大可達34.66 dB。實驗變化規(guī)律與上述理論仿真結(jié)果相一致。

表1 L=15 mm、不同錯位量d時的RFSR和Re

當(dāng)L=20 mm、錯位量d變化范圍為10 μm～16 μm時,對應(yīng)的HFI干涉光譜實驗測試結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?當(dāng)d=13 μm時,Re最大為24.35 dB。與L=15 mm相比較,L=20 mm時損耗更高,RFSR和Re都更低,即當(dāng)EDF的長度較長時,HFI的光場傳輸損耗更高。

圖5 L=20 mm、不同錯位量d時的HFI干涉光譜圖

當(dāng)L分別為7 mm和10 mm時,實驗測得的干涉光譜分別如圖6a和圖6b所示。當(dāng)L<15 mm時,HFI的損耗降低,但是獲得的Re最大值(30.02 dB)小于L=15 mm時的Re最大值(34.66 dB),并且可以看出,RFSR隨著L的減小而增加,與上述理論仿真結(jié)果相一致。

圖6 當(dāng)L=7 mm和L=10 mm時,實驗測得的干涉光譜圖

當(dāng)d=12 μm時,EDF長度L變化規(guī)律如圖7所示。實驗測試結(jié)果表明,干涉光譜的Re隨著L的增加呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢,當(dāng)L=15 mm時達到最大,處于最佳。

圖7 d=12 μm、L不同時的HFI干涉光譜圖

3 基于HFI的光纖激光器實驗系統(tǒng)

圖8為基于HFI的單波長光纖激光器實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該激光器具有全光纖、環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。980 nm抽運激光(輸出功率0 mW～200 mW)經(jīng)過一個980 nm/1550 nm波分復(fù)用器(wavelength division multiplexing,WDM)注入一段長度為3 m的EDF,然后相繼通過一個偏振相關(guān)光纖隔離器(polarization dependent isolator,PDI)和偏振控制器(polarization controller,PC),PDI用于控制激光腔內(nèi)光的單向傳輸,防止光在光纖傳播過程中的后向散射干擾系統(tǒng),PC用于控制光場偏振狀態(tài);最后通過一個90∶10光纖耦合器將光反饋輸入環(huán)形腔內(nèi)和激光功率輸出到OSA。通過HFI結(jié)構(gòu)的選模作用以及EDF的飽和吸收效應(yīng)實現(xiàn)穩(wěn)定的單波長窄帶激光輸出。

圖8 光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合仿真結(jié)果以及HFI光譜變化趨勢,為了獲得最佳選模效果,選擇L=15 mm的HFI作為環(huán)形光纖激光器腔內(nèi)選模器件。整個光纖激光器實驗系統(tǒng)置于氣浮式光學(xué)平臺上以增加激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖9為激光3 dB線寬小于0.02 nm、L=15 mm和不同d時,實驗測得的單波長光纖激光器光譜測試結(jié)果。圖中小插圖為激光光譜放大視圖?？梢钥闯?當(dāng)d=7.9 μm(見圖9a)時獲得單波長激光輸出光譜最高信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)為38 dB;當(dāng)d>8.1 μm時,錯位熔接帶來的損耗將大大降低激光器的輸出效率。圖10為L=15 mm和d=7.9 μm時,輸出功率和抽運功率的關(guān)系。此時激光功率閾值為50 mW。

圖9 當(dāng)L=15 mm和不同d時的單波長激光

圖10 當(dāng)L=15 mm和d=7.9 μm時,輸出功率和抽運功率的關(guān)系

圖11為實驗測得的激光器輸出穩(wěn)定性測試結(jié)果。將整個光纖激光器實驗系統(tǒng)置于恒溫和隔振光學(xué)平臺上,向光纖環(huán)腔內(nèi)引入HFI(d=7.9 μm,L=15 mm)后,將帶寬壓縮,濾除了多余的激光模式,中間段EDF飽和吸收效應(yīng)有利于進一步抑制跳模,實現(xiàn)單波長激光輸出。由于增益光纖長度較短,獲得的激光發(fā)射波長位于光通信C波段1545 nm附近,單波長激光輸出光譜較為穩(wěn)定。

圖11 單波長光纖激光器2 h輸出穩(wěn)定性測試結(jié)果

4 結(jié) 論

提出了一種基于HFI的單波長光纖激光器。利用熔融錯位熔接法制備了SMF-EDF-SMF結(jié)構(gòu)的HFI。理論仿真計算了HFI干涉光譜隨錯位量d和EDF長度L的變化規(guī)律。實驗結(jié)果和理論結(jié)果一致：當(dāng)EDF長度L=15 mm、最佳錯位量d=14 μm時,HFI內(nèi)光場干涉譜Re最大為34.66 dB。選擇中間段EDF長度為15 mm的HFI作為環(huán)形光纖激光器的單波長全光纖選模器件,搭建了光纖激光器實驗系統(tǒng),當(dāng)d達到7 μm～8 μm左右,基于HFI的窄帶選模特性以及中間段EDF的飽和吸收效應(yīng)實驗獲得了具有較高穩(wěn)定性的單波長光纖激光器輸出。該激光器在光纖傳感和光纖通信系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用價值。