基于無源雙環(huán)復合子腔濾波器的可調(diào)諧單縱模摻銩光纖激光器

關(guān) 彪，延鳳平*，馮 亭，楊丹丹，秦 齊，李 挺，于晨昊，王向東，姜有超，熊本和夫，索玉平

（1. 北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2. 河北大學物理科學與技術(shù)學院 光信息技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071002；3. 大阪工業(yè)大學 電子信息系統(tǒng)工程學專業(yè)，日本 大阪 999001；4. 山西醫(yī)科大學第五臨床醫(yī)學院 婦產(chǎn)科，山西 太原 030012）

1 引 言

摻 銩 光 纖 激 光 器（Thulium-doped fiber laser,TDFL）具有寬輸出波段范圍（1 850~2 100 nm）[1]、高斜率效率[2]、高輸出功率[3]和高光束質(zhì)量等特點，在多普勒激光雷達[4]、相干光束合成[5]、高精度光學測量系統(tǒng)[6]和引力波探測[7]等多個領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景?？烧{(diào)諧的窄線寬單縱模（Singlelongitudinal-mode,SLM）TDFL 因其超長相干距離和低強度噪聲等特征，得到了廣泛關(guān)注。

穩(wěn)定的SLM 輸出可以通過采用簡單的線性短腔擴大縱模間隔、消除多縱模振蕩實現(xiàn)[8]。線性短腔結(jié)構(gòu)包含分布布拉格反射和分布反饋兩種。由于增益光纖長度限制，這兩種激光器的輸出功率通常很低。此外，線性短腔激光器受固有結(jié)構(gòu)限制，無法實現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)的可調(diào)諧輸出。除了線性短腔還可采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，通過在腔內(nèi)加入具有模式選擇功能的濾波器消除多縱模振蕩和抑制模式競爭。其中包括超窄帶濾波器，如基于可飽和吸收體的薩格納克環(huán)[9]、相移光纖光柵[10]等。Cheng 等提出了一種穩(wěn)定的SLM 光纖激光器，由均勻光纖布拉格光柵（Uniform fiber Bragg grating,UFBG）和基于FBG 的高精細Fabry-Perot 濾波器組成[11]。然而，僅使用光柵濾波器實現(xiàn)SLM 輸出對其帶寬要求較高，且制作工藝復雜，成本高。為了實現(xiàn)低成本、結(jié)構(gòu)簡單易操作的 SLM 激光器，Zhang 等提出并驗證了一種基于微環(huán)諧振器的2μm 單頻光纖激光器，能夠獲得瓦級激光輸出[12]。Yin等提出一種利用飽和吸收體作為自追蹤窄帶濾波器的SLM 光纖激光器[13]。然而，這種光纖濾波器對環(huán)境干擾很敏感且系統(tǒng)靈活性較低。

此外，還可以在環(huán)形激光器腔內(nèi)采用復合子腔濾波器實現(xiàn)SLM 振蕩。這種方法可以避免駐波產(chǎn)生的空間燒孔效應(yīng)。近年來，基于多個光纖耦合器（Optical couplers,OCs）組成的復合子腔濾波器的SLM 光纖激光器引起了廣泛關(guān)注。它們結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低[14-15]。游標效應(yīng)[16]是通過周期性的錯位將微小的差異進行放大，主要依靠諧振腔構(gòu)造的類似的周期峰或谷來完成?；谟螛诵?yīng)，利用復合子腔濾波器可以擴大自由光譜范圍（Free spectral range,FSR）。通過調(diào)整OC 的耦合比和相鄰OC 之間連接的尾纖長度可以對濾波輸出特性實現(xiàn)便捷操控。

本文提出并驗證了基于UFBG 和雙環(huán)復合子腔濾波器的可調(diào)諧SLM TDFL，根據(jù)理論分析得到了濾波器的3 dB 帶寬和主諧振腔的有效FSR。該激光器的輸出中心波長為2 048.69 nm，光信噪比（Optical signal-to-noise ratio，OSNR）高于71.82 dB。此外，UFBG 的窄帶反射峰和雙環(huán)復合子腔濾波器相結(jié)合有效抑制了激光器的跳模。實驗結(jié)果表明，提出的激光器可以在SLM 狀態(tài)下穩(wěn)定工作，相對強度噪聲（Relative intensity noise，RIN）為-127.81 dB/Hz。對激光線寬進行測量，在積分時間為0.001 s 時獲得了7.719 6 kHz 的線寬值。雙環(huán)復合子腔濾波器表現(xiàn)出優(yōu)秀的模式選擇特性，提出的激光器系統(tǒng)具有簡單易操作、輸出功率和頻率穩(wěn)定等特點，在高分辨率分子光譜學領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

2 實驗裝置和原理

圖1（a）為搭建的基于無源復合子腔的SLM TDFL。5.8 m 長的摻銩光纖（Thulium-doped fiber laser,TDF）作為增益介質(zhì)?？紤]到銩離子對793 nm 激光的高吸收，通常選用該波段激光作為雙包層摻銩光纖的泵浦源[17]。中心波長為793 nm 的泵浦光通過793/2 000 nm 光纖合束器的輸入端口注入到激光器腔內(nèi)。雙包層增益光纖在793 nm 處的吸收系數(shù)為3 dB/m，纖芯/包層的數(shù)值孔徑為0.15/0.46。實驗測試結(jié)果表明5.8 m 長的TDF能夠為提出的SLM TDFL 提供足夠增益，在2 050 nm 處具有較高的轉(zhuǎn)換效率且接近自發(fā)輻射譜的最高峰。環(huán)形器在腔內(nèi)可以確保激光單向傳輸。作為波長選擇器件的UFBG 被固定在微位移平臺上，連接到環(huán)形器的2 端口。該UFBG 使用相位掩模法（掩模板的周期為1 423.7 nm）制作，由248 nm 的紫外準分子激光器直接寫入到載氫后的單模光纖上。圖1（b）為UFBG 的透射譜和反射譜。該光柵反射峰的中心波長位于2 048.69 nm，反射率為92.2%，3 dB 帶寬為0.18 nm。雙環(huán)復合子腔 濾波 器 由3 個2×2 OC 組 成，用 來 實現(xiàn) 縱 模 選擇。激光從分光比為90∶10 的OC4的10%端口輸出，光譜由 分辨率為0.05 nm 的 光 譜儀（Optical spectrum analyzer，OSA，AQ6375，Yokogawa）觀測。使用帶寬為12.5 GHz、閾值為3 mW 的PD（Photo?detector，PD，ET-5000F，EOT）對輸出激光進行光電轉(zhuǎn)換，并將輸出的電信號傳遞到信號分析儀（N9020A, Keysight）上進行觀測。利用光電探測器、信號分析儀、示波器（DP07104，Tektronix）對輸出激光進行RIN 測量。

圖1 （a）SLM TDFL 結(jié)構(gòu)示意圖。LD：半導體激光器；FC：光纖合束器；TDF：摻銩光纖；CIR：環(huán)形器；UFBG：均勻光纖布拉格光柵；OC：光纖耦合器。環(huán)1 由L1、L2和L4組成，環(huán)2 由L3組成。 （b）UFBG 的透射譜和反射譜。Fig.1 （a）Schematic diagram of the proposed fiber laser.LD: laser diode. FC: fiber combiner. TDF: thuliumdoped fiber. CIR: circulator. UFBG: uniform fiber Bragg grating. OC: optical coupler. Ring 1 was com?posed ofL1,L2andL4, and ring 2 was composed ofL3.（b）Transmission and reflection spectra of the UFBG.

為了實現(xiàn)SLM 運行，需要滿足以下條件：第一，雙環(huán)子腔濾波器的有效FSR（RFS）應(yīng)大于0.5倍的UFBG 反射帶寬，確保在UFBG 的反射帶寬內(nèi)只有一條雙環(huán)復合子腔的有效帶寬占優(yōu)勢；第二，濾波器的主通道帶寬應(yīng)該是主腔相鄰縱模間距的1~2 倍[18]。如 圖1（a）所 示，3 個2×2 OC 組成了一個雙環(huán)子腔濾波器。3 個OC 在2 050 nm 波長下的耦合比均為50∶50。子環(huán)腔1 由L1、L2和L4組成，子環(huán)腔2 由L3組成，其中，L1~L4是耦合器的尾纖長度。子環(huán)腔1 和子環(huán)腔2 的長度分別為1.82 m 和1.8 m。由于兩者之間的腔長差遠小于單個子環(huán)腔腔長，可根據(jù)公式進行計算[19]：

其中c=3×108m/s 為真空中的光速，n=1.44 為有效折射率，ΔL為子環(huán)腔1 和子環(huán)腔2 的長度差，可得濾波器的有效FSR 為10.4 GHz。UFBG 的3 dB 帶寬為0.18 nm，對應(yīng)的頻率范圍為12.8 GHz。此時雙環(huán)復合子腔濾波器的有效FSR 大于0.5 倍的UFBG 反射帶寬，滿足條件一。大于濾波器的有效FSR，滿足選模條件。主環(huán)腔的長度為13.7 m，根據(jù)公式[16]：

可得對應(yīng)的縱模間隔為15.2 MHz，其中L為主腔長度。濾波器的通帶帶寬可根據(jù)以下公式進行計算[20]：

其中L1+L2+L4表示復合子腔中最長的子環(huán)腔長度，這決定了復合子腔濾波器的最小通帶帶寬。此外，δ=ln（Ii/Io）表示光在子環(huán)腔1 中傳輸一周后的損耗，其中Ii和Io分別為輸入和輸出光強度。δ是單程損耗，~1.17。根據(jù)計算，濾波器的主通帶3 dB 帶寬為21.4 MHz，保證了在激光腔內(nèi)只有單一縱模振蕩。

3 結(jié)果與討論

793 nm 的泵浦源輸出功率被設(shè)置為1.6 W。圖2（a）所示為泵浦功率達到1.6 W 時的激光輸出光譜。由圖2（a）可以看出，輸出激光的中心波長為2 048.69 nm，OSNR 為71.82 dB。以5 min 的時間間隔記錄激光光譜數(shù)據(jù)，可以看到1 h 內(nèi)激光的輸出功率和中心波長無明顯波動。圖2（b）為60 min 內(nèi)記錄的13 組數(shù)據(jù)的波長和功率波動曲線，最大波長波動為0.03 nm，最大功率波動為0.76 dB。結(jié)果表明，提出的TDFL 可以在60 min 的測量時間內(nèi)穩(wěn)定工作。

圖2 （a）泵浦功率為1.6 W 時TDFL 的輸出光譜，插圖為60 min 內(nèi)重復監(jiān)測的光譜；（b）激光輸出為2 048.69 nm 波長和功率波動。Fig.2 （a）The measured optical spectrum of the proposed TDFL with a pump power of 1.6 W. Inset is the spec?tra repeatedly monitored within 60 min. （b）Fluctua?tions of the wavelength and power at 2 048.69 nm.

輸出激光的射頻頻譜如圖3（a）所示?？梢钥闯?，在0~100 MHz 掃描范圍內(nèi)無明顯拍頻信號。對輸出激光的頻率特性進行連續(xù)1 h 的監(jiān)測，結(jié)果表明單波長激光器在SLM 狀態(tài)下運行良好。圖3（b）、（c）分 別 為 輸 出 激 光 在0~500 MHz 和0~1 GHz 范圍內(nèi)的射頻頻譜。為了進一步驗證雙環(huán)子腔濾波器的模式抑制特性，將其從激光器諧振腔中移除并用相同長度的單模光纖代替，掃描記錄實驗結(jié)果如圖3（d）所示。在0~100 MHz 頻譜范圍內(nèi)可以觀測到明顯的拍頻信號，模式間隔為15.2 MHz，與公式（2）的計算結(jié)果吻合。此外，實驗中還記錄了移除雙環(huán)子腔濾波器后激光器在0~1 GHz 間存在的大量拍頻信號，如圖3（e）所示。與圖3（c）相對比，進一步驗證了該濾波器卓越的SLM 選擇能力。

圖3 信號分析儀在0~100 MHz，RBW 為500 kHz（a），0~500 MHz（b），0~1 GHz（c）范圍的拍頻結(jié)果；腔內(nèi)不含雙環(huán)復合子腔濾波器時，0~100 MHz（d）和0~1 GHz（e）范圍內(nèi)的拍頻結(jié)果。Fig.3 RF spectrum measured by the signal analyzer in the ranges of 0-100 MHz with an RBW of 500 kHz（a），0-500 MHz（b），and 0-1 GHz（c）. RF spectrum of the main cavity without the double-ring cavity filter in the ranges of 0-100 MHz（d）and 0-1 GHz（e）.

RIN 可以在頻域上表征激光器的輸出功率波動特性，是衡量激光器輸出特性的重要指標。圖4 為0~5 MHz 頻 帶 范 圍 內(nèi) 的RIN 譜，分 辨 率 帶 寬（Resolution bandwidth，RBW）為10 kHz，頻率超過0.5 MHz 時 該 激 光 器 的RIN 值 穩(wěn) 定 在-127.81 MHz，滿足干涉型光纖傳感激光器的應(yīng)用需求[21]。其中，插圖給出的是測量范圍0~500 kHz、RBW 為100 Hz 的測量結(jié)果。在26 kHz 處出現(xiàn)強度為-90 dB/Hz 的弛豫振蕩峰，這是由泵浦功率波動、腔內(nèi)損耗、機械振動、熱擾動引起的[22]。此外，還監(jiān)測到了部分由外部干擾引起的噪聲峰。

圖4 在0~5 MHz 頻 率 范 圍 內(nèi)，RBW 為10 kHz 時 的RIN譜，插圖為0~500 kHz 時RBW 為100 Hz 的RIN 譜。Fig.4 RIN spectrum of the laser within the frequency range of 0-5 MHz with a 10 kHz RBW. The inset shows the same measurement at 0-500 kHz using an RBW of 100 Hz.

激光線寬是SLM 光纖激光器的重要指標，采用基于3×3 OC 的非平衡邁克爾遜干涉儀對輸出激光的頻率噪聲進行測量[23]?；讦?分割線原理計算了不同測量時間下的激光線寬，結(jié)果如圖5所示[24]。不同積分時間（0.001，0.01，0.1，1 s）下的激光線寬分別為7.719 6，27.460 5，98.704 9，695.592 5 kHz。測量時間為0.001 s 時的激光線寬值為~7.719 6 kHz。隨著測量時間增加，激光器線寬值逐漸增大，這是由環(huán)境振動或低頻信號干擾產(chǎn)生的技術(shù)噪聲引起的[25]。此外，泵浦長時間運行熱效應(yīng)累積會導致光纖溫度過高，使激光器低頻熱噪聲增加[26-27]。

圖5 激光器的頻率噪聲功率譜密度以及不同積分時間下的線寬Fig.5 Frequency noise power spectral density of the pro?posed laser and the linewidth at different integration time

為了進一步研究激光的輸出功率特性，在耦合器的10%輸出端口使用功率計（Laserpoint）對輸出功率進行測量。圖6 為輸出功率隨泵浦功率增加的變化曲線。當泵浦功率超過閾值功率（1.6 W）時，輸出功率呈現(xiàn)出線性變化趨勢。對相同泵浦功率下的輸出激光功率進行三次重復測量并計算出平均值?？梢钥闯?，輸出功率未達到飽和，這表明輸出功率可以隨著泵浦功率的增加進一步提高。然而，泵浦功率的持續(xù)增加會對光學元件造成熱損傷。因此，泵浦功率達到6 W 時便未再繼續(xù)提高，此時輸出功率為96.3 mW，平均斜率效率為1.71%。摻銩光纖和單模光纖熔接時由于尺寸不匹配引起的模場失配損耗以及濾波器中耦合器50∶50 的耦合比造成的損耗會使激光器的斜率效率降低。

圖6 不同泵浦功率下激光器的輸出功率變化Fig.6 Output power variation of the laser with different pump powers

使用不同技術(shù)作用于UFBG，可對其輸出中心波長進行調(diào)諧。常見的技術(shù)手段有對光柵施加軸向應(yīng)力[28]、對光柵施加微彎[29]、調(diào)節(jié)光柵的溫度[30]、使用游標效應(yīng)[31]等。相比于其他方法，對光柵上施加軸向應(yīng)力操作簡單，便于精準控制調(diào)諧范圍。固定微位移平臺的左側(cè)旋鈕，調(diào)節(jié)右側(cè)旋鈕使位移臺向右側(cè)移動，在水平方向上對光柵施加應(yīng)力。圖7 為2 048.45~2 053.55 nm 波段的激光輸出光譜，連續(xù)調(diào)諧范圍可達到5.1 nm。波長調(diào)諧范圍內(nèi)激光的OSNR >71.82 dB。然而，考慮到光柵裸纖的脆弱性和可重復使用性，不再對其繼續(xù)增加應(yīng)力。

圖7 波長可調(diào)范圍為～5.1 nm 的激光器光譜Fig.7 The spectrum of the laser with a wavelength tunable range of ～5.1 nm

將本文提出的SLM TDFL 與之前報道的窄線寬激光器進行比較，如表1 所示。由于2 050 nm 波 段 的 研 究 較 少，因 此 引 入 了1 940 nm 波 段的激光器進行比較。與文獻[13]、[32-33]、[35-36]相比，輸出激光的OSNR 較高。這可能是實驗中采用了較高的泵浦功率所致。功率波動與文獻[33]的波動相差不大，且低于文獻[35-36]中的激光功率波動。在積分時間為0.001 s 下，獲得的線寬低于文獻[13]、[33]、[35]的線寬，這主要是由于濾波器具有良好的縱模選擇特性。進一步調(diào)節(jié)微位移平臺，獲得了高于文獻[33-34]的調(diào)諧范圍。

表1 基于不同技術(shù)的單縱模摻銩光纖激光器參數(shù)比較Tab.1 Parameter comparison of SLM TDFL based on different techniques

4 結(jié) 論

本文提出一種基于雙環(huán)復合子腔濾波器的SLM TDFL，諧振腔長為13.7 m，縱模間隔為15.2 MHz，有效保證了在雙環(huán)子腔濾波器主通帶帶寬內(nèi)實現(xiàn)激光SLM 運行。在泵浦功率為1.6 W 時，實現(xiàn)了穩(wěn)定的高OSNR（>71.82 dB）單波長窄線寬激光輸出。60 min 內(nèi)，波長抖動和功率抖動分別小于0.03 nm 和0.76 dB。分別在0~100 MHz、0~500 MHz 和0~1 GHz 三個頻率范圍內(nèi)對射頻信號進行了頻率掃描，未觀測到明顯的拍頻信號。采用直接測量法得到的激光RIN 值為-127.81 dB/Hz。利用非平衡邁克爾遜干涉儀線寬測量系統(tǒng)對輸出線寬進行表征，0.001 s 測量時間下的激光線寬為7.719 6 kHz。提出的SLM TDFL 作為放大系統(tǒng)的種子源在高分辨率分子光譜學、干涉型光纖傳感等領(lǐng)域毫具有潛在的應(yīng)用價值。

本文專家審稿意見及作者回復內(nèi)容的下載地址：http://cjl. lightpublishing. cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20230047.