張巖，劉顯著，張鵬，王天樞

（1.長春理工大學 空間光電技術國家與地方聯(lián)合工程研究中心，長春 130022；2.長春理工大學 理學院，長春 130022；3.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

1.7μm波段全光纖摻銩寬帶光源實驗研究

張巖1，2，劉顯著1，3，張鵬1，3，王天樞1，2

（1.長春理工大學 空間光電技術國家與地方聯(lián)合工程研究中心，長春 130022；2.長春理工大學 理學院，長春 130022；3.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

設計并實驗實現了一種結構簡單的1.7μm波段全光纖寬帶光源。采用傳統(tǒng)的線型腔結構，利用1565nm高功率半導體激光器泵浦一段單模摻銩光纖，獲得了中心波長為1833nm的自發(fā)輻射光譜。由于色散補償光纖在大于1.7μm波段有較大損耗，在腔內接入該光纖使自發(fā)輻射光譜的中心波長移動到1.7μm波段。其中，泵浦源由1565nm半導體激光器和最高輸出功率33dBm的鉺鐿共摻放大器組成。通過優(yōu)化色散補償光纖和摻銩光纖的長度，獲得了寬帶光源，其中心波長在1744nm，5dB譜寬87nm。為1.7μm光纖光源設計及研制提供參考。

寬帶光源；增益譜；1.7μm波段；摻銩光纖；色散補償光纖

光纖光源因其結構簡單、光譜質量好、性能穩(wěn)定等特點而倍受關注［1-3］?；趩文诫s光纖所產生的寬帶光源具有方向性好，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在光學測量、光纖傳感、光譜學、醫(yī)學成像、光纖陀螺、氣體探測等領域具有廣泛的應用［4，5］。寬帶光源屬于放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光源，所以又稱其為ASE光源。與激光相比，ASE光源無自脈沖，無弛豫振蕩，無模式競爭且穩(wěn)定性極高，被認為是一種寬光譜，高穩(wěn)定性的光纖光源。

近幾年1.7μm波段（1650～1850nm）光源因其特殊光譜性質已經成為國內外研究的熱點。該波段處于水分子兩個吸收峰之間的低谷，同時處于脂肪和膠原的吸收高峰，所以1.7μm波段光源在光學相干層析成像（OCT）、多光子熒光顯微成像（MFLM）、激光手術等領域得到廣泛應用［6-8］。在工業(yè)加工領域中，1.7μm波段覆蓋了C-H共價鍵的吸收峰，所以該波段光源被廣泛應用于聚合物焊接處理［9］。1.7μm波段高功率激光器也可作為中紅外激光泵浦源來激發(fā)3～5μm波段激光［10］。另一方面，隨著近年通信技術的普及與發(fā)展，網絡數據量成指數式的增長，現有的通信波段日趨飽和，為此不得不探索新的技術手段來滿足日益增加的通信需求。在1530～1625nm波段克服通信容量不足限制的傳統(tǒng)方法是采用波分復用技術［11］。隨著研究的不斷深入，將通信波段往更長波段（如1.7μm波段）推進受到了更多研究者的關注［12］。

目前，已提出以下幾種用來產生1.7μm波段光源的方法。2012年，韓國光子技術研究所的Eun Joo Jung等人等利用高功率1550nm波段ASE光源泵浦1km高非線性光纖和10km色散位移光纖，得到了1.7μm波段半高寬度為210nm的寬帶光源［13］。2013年，日本名古屋大學Shutaro Ishida團隊采用1550nm高功率脈沖光纖激光器泵浦高非線性光纖，實現了半峰全寬為358nm的1.7μm波段寬帶光源［14］。2014年，英國南安普頓大學J.M.O.Daniel等采用1565nm激光以纖芯泵浦的方式泵浦自制的0.6m長的較短摻銩光纖，用于抑制摻銩光纖長波增益而得到1.7μm波段的增益譜［15］。通過使用摻銩光纖，并在腔內增加一定的濾波機制，如光子晶體光纖、色散補償光纖等可得到1.7μm波段的寬帶光譜［16，17］。直接泵浦銩鋱共摻光纖或摻鉍光纖獲得1.7μm的增益譜的方法也被研究者們提出［18，19］。另一方面，運用光纖中拉曼效應，通過選擇適當抽運光波長和增益介質，可有效的產生1.7μm波段的光增益［20，21］。

相關課題組雖然已經采用不同技術手段得到1.7μm波段寬帶光輸出，但工藝結構復雜，且成本較高，不利于研究成果的廣泛應用。文中采用單模摻銩光纖和色散補償光纖得到1.7μm波段寬帶光源，很大程度上減小了實驗成本和結構復雜性。通過優(yōu)化摻銩光纖和色散補償光纖的長度，獲得了全光纖結構1.7μm波段ASE光譜，其中心波長在1744nm，5dB譜寬87nm。

1 實驗結構與工作原理

1.7 μm波段全光纖寬帶光源實驗結構如圖1所示。1565nm半導體激光器種子源經鉺鐿共摻放大器進行功率放大后由1550/2000nm波分復用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）將泵浦光注入到一段4m長摻銩光纖（Thulium-Doped Fiber，TDF）中。1550nm隔離器用來防止反向增益光對泵浦源的損壞。摻銩光纖在1565nm處的數值孔徑、截止波長、模場直徑分別為0.15、1700±100nm、10.5μm。在摻銩光纖的另一端接入色散補償光纖（Dispersion Compensating Fiber，DCF）。色散補償光纖（YOFC DCF G.652/250）在1550nm處模場直徑為5μm，衰減為0.55dB/km，色散系數和色散斜率分別為-130ps/nm·km和-0.504ps/nm2·km。色散補償光纖作為輸出端，輸入到光譜分析儀（Yokogawa AQ6375）中觀測其光譜，該光譜分析儀最高分辨率0.05nm。實驗中所有連接均采用光纖熔接。

1565nm泵浦光在摻銩光纖內被吸收，由3F4→3H6能級躍遷產生的自發(fā)輻射光在光纖中不斷被受激放大，得到放大的自發(fā)輻射光輸出。因DCF中同一寬帶光譜長波損耗系數高于短波，所以該寬帶光源經DCF后，光譜中心波長向短波方向移動，得到了1.7μm波段的寬帶光源。

圖1 1.7μm波段全光纖寬帶光源結構圖

2 結果與討論

對于光纖激光器系統(tǒng)，當泵浦功率一定時，存在一個最優(yōu)光纖長度使正向增益能量最大。較長的增益光纖雖能使泵浦光吸收更充分，光譜增益更高，但會導致銩離子在光纖中的再吸收，中心波長會因此而向長波移動，不利于得到1.7μm的增益譜。為了確定系統(tǒng)最優(yōu)增益光纖長度，本實驗分別采用長度為4m和2m的增益光纖進行實驗。

將EYDFA輸出功率設定到33dBm，泵浦光通過WDM注入4m摻銩光纖中，得到中心波長為1833nm的正向ASE光譜圖，如圖2所示。

圖2 泵浦功率33dBm時4mTDF的ASE光譜

為了使寬帶光源的中心波長朝短波方向移動，在4m摻銩光纖的末端熔接1km DCF，在30～33dBm范圍內調節(jié)放大器泵浦功率并觀測光譜變化。當泵浦功率為33dBm時，寬帶光源中心波長移動至1819nm，同時峰值功率下降至-25dBm，如圖3a所示。在DCF中損耗隨波長向長波方向移動而逐漸增加。長波損耗大于短波損耗，中心波長朝短波方向移動。中心波長隨著泵浦功率的增大而保持不變，但輸出功率逐漸增大，如圖3b所示。所以中心波長只與DCF的長度有關，與泵浦功率無關。

圖3 4m TDF和1km DCF的光譜功率變化圖

由圖3可知，DCF對長波部分光譜具有較強的吸收作用，使寬帶光源中心波長朝短波方向移動。通過增加DCF長度能充分吸收增益譜的長波能量，從而進一步使寬帶光源中心波長向短波方向移動。將放大器輸出功率設定在33dBm，4m摻銩光纖末端分別接上1km、3km、7km、9km和10km長度的DCF，并測量其輸出光譜及功率，依次得到了中心波長為1819nm、1785nm、1776nm、1764nm、1757nm的寬帶光源，如圖4a所示。實驗表明，DCF對長波損耗具有累加效果，DCF長度越長，增益譜長波損耗越高，中心波長越向短波方向靠近如圖4b所示，更直接表明了不同長度DCF輸出功率和中心波長變化，隨著DCF長度的增加，寬帶光源中心波長逐漸向短波方向移動，最終當接入10km的DCF時，增益譜中心波長移動至1757nm。同時，因DCF長度增加，能量損耗增大，寬帶光源峰值功率由-25dBm逐漸降低到-38dBm。

圖4 不同長度DCF和4mTDF在33dBm泵浦光譜變化圖

將放大器輸出功率固定到33dBm，將4m摻銩光纖更換為2m，末端分別接入7km、9km、10km的DCF，觀測其自發(fā)輻射譜。如圖5a所示，分別得到中心波長為1764nm、1747nm、1744nm的寬帶光譜。在相同泵浦功率下，對比4mTDF和2mTDF分別由7、9、10km DCF濾波后的中心波長位置，如圖5b所示。在相同長度的DCF濾波下，較短的摻銩光纖，其寬帶光源中心波長更靠短波方向。由于較短的摻雜光纖再吸收作用較弱，增益偏低，所以輸出功率較低且增益譜型易受其他因素影響而改變。

圖5 不同長度DCF和2m TDF在33dBm泵浦光譜變化圖

綜合以上實驗結果，為了獲得更靠近短波波段的寬帶光源，選擇2m TDF和10km DCF為本實驗最優(yōu)光纖長度，最終獲得中心波長1744nm，峰值功率-44dBm，5dB譜寬87nm的寬帶光源，如圖6所示。在后續(xù)實驗中，擬采用高摻雜光纖或高效率泵浦源以優(yōu)化所得寬帶光源輸出功率和泵浦效率較低的問題。

圖6 2m TDF和10km DCF在33dBm泵浦下的光譜圖

3 結論

實驗研究了一種1.7μm波段的全光纖寬帶光源。采用1565nm高功率激光器泵浦一段摻銩光纖，利用色散補償光纖在不同波段損耗不同的特點對增益譜進行寬帶濾波，通過優(yōu)化摻銩光纖和色散補償光纖長度，得到了中心波長1744nm，5dB譜寬87nm的寬帶光源。針對光源輸出能量較低、泵浦效率不高的特點，課題組將在后續(xù)研究中加以改進。該寬帶光源將在有機氣體檢測，光譜學應用等領域具有良好的應用前景。同時，也將為研制1.7μm波段激光器和放大器提供參考。

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Experimental Research of 1.7μm Band All Fiber Thulium-doped Broadband Light Source

ZHANG Yan1，2，LIU Xianzhu1，3，ZHANG Peng1，3，WANG Tianshu1，2
（1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A 1.7μm band simple structure all-fiber broadband light source is designed and achieved.The light source use traditional linear cavity，a segment of single-mode thulium-doped fiber pumped by a 1565nm high-power semiconductor laser to achieve a spontaneous emission spectrum with 1833nm central wavelength.The dispersion compensating fiber has large loss in 1.7μm band and it can make central wavelength of spontaneous emission spectrum shift to 1.7μm band.Thehigh-powersemiconductorlaserisconsisting of1565nm seed lasersourceand an erbium ytterbium co-doped fiber amplifier with 33dBm maximum output power.By optimizing the different lengths of dispersion compensating fiber and thulium-doped fiber，all-optical broadband spontaneous emission spectrum can be achieved，and the central wavelength is 1744nm，10dB spectrum width is 87nm.Provide a reference for the design and development of 1.7μm fiber source.

broadband light source；gain spectrum；thulium-doped fiber；dispersion compensating fiber

TN248

A

1672-9870（2016）05-0005-04

2016-06-01

國家自然基金（60907020）；吉林省自然科學基金（20150101044JC）；吉林省教育廳基金（吉教科字2015-77）

張巖（1992-），男，碩士研究生，E-mail:454100998@qq.com

張鵬（1985-），博士，副教授，E-mail:zhangpeng@cust.edu.cn