程 丹， 延鳳平*， 馮 亭， 韓文國， 秦 齊， 張魯娜， 白卓婭，李 挺， 楊丹丹， 郭 穎， 王 偉， 關(guān) 彪， 白 燕， 熊本和夫

(1． 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044； 2． 河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 光信息技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 保定 071002；3. 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 固體激光重點實驗室， 北京 100190； 4. 河北建筑工程學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 河北 張家口 075000；5. 大阪工業(yè)大學(xué) 電子信息系統(tǒng)工程學(xué)專業(yè)， 大阪 999001)

1 引 言

近年來，摻銩光纖激光器的發(fā)展已經(jīng)逐步跟上摻鐿、摻鉺光纖激光器的腳步。摻銩光纖近30 THz的輻射范圍(1 700～2 200 nm)為激光運行波長提供了更寬的選擇范圍。2 μm波段屬于人眼安全波段，盡管沒有激光可以保證對人眼絕對的安全，但這一波段的激光通常會被眼睛的玻璃體吸收而無法到達(dá)視網(wǎng)膜，使得其造成對人眼無法治愈的傷害的閾值要遠(yuǎn)高于其他短波長波段的激光[1]。因此，該波段激光受到各應(yīng)用行業(yè)的青睞，尤其在自由空間光通信等需確保人眼安全的領(lǐng)域。目前，針對2 μm波段激光器的研究主要集中在 1 900～2 000 nm摻銩光纖的高增益范圍[2-5]，在增益較低的2 050 nm所提出的研究成果，尤其是對2 050 nm的單縱模光纖激光器的報道還相對較少。2 050 nm處于大氣高透射窗口，該波長激光在大氣中的透過率高達(dá)80%，使得其非常適用于直接能量傳輸、自由空間光通信，并且在2 050 nm附近的高光束質(zhì)量高能激光器也可被應(yīng)用于大氣多普勒激光雷達(dá)。在2 050 nm左右穩(wěn)定的單縱模激光光源在以上應(yīng)用中不可或缺。

然而，摻銩光纖在2 050 nm附近增益較低，因此在該波段范圍搭建單縱模摻銩光纖激光器具有一定的挑戰(zhàn)性。現(xiàn)已提出的在2 050 nm波段的單縱模激光器[6-8]均采用銩鈥共摻光纖作為增益光纖的短腔結(jié)構(gòu)或商用分布反饋型半導(dǎo)體激光器，其他結(jié)構(gòu)的激光器還鮮有報道。采用長腔結(jié)構(gòu)增長摻銩光纖的長度來提供足夠的增益也是一種解決方案，但目前還沒有該類型激光器的報道。與短腔結(jié)構(gòu)的單縱模激光器相比，長腔結(jié)構(gòu)由于允許加入調(diào)節(jié)器件，因而更具有靈活性和性能拓展性。但是，長腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了更小的縱模間隔，需要可靠的機制來抑制多縱模振蕩。通常，長腔結(jié)構(gòu)中可以采用超窄帶濾波器[9-10]，或基于可飽和吸收體的自追蹤窄帶濾波器實現(xiàn)多縱模抑制[11-12]。也可以采用復(fù)合腔結(jié)構(gòu)，比如多環(huán)復(fù)合腔，這種類型腔結(jié)構(gòu)的激光器通常由一個提供增益的主腔結(jié)合一個或多個無源子環(huán)腔組成[13-17]。其中無源子環(huán)一般由一個或多個2×2光纖耦合器構(gòu)成，作為濾波器在主腔中進(jìn)行縱模選擇。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于價格較低廉、靈活性高，通過優(yōu)化各子腔長度及耦合器的耦合比可以實現(xiàn)不同的濾波效果，尤其適用于關(guān)鍵濾波器件相對缺乏的2 μm波段光纖激光器的單縱模濾波[18-19]。

本文采用環(huán)腔結(jié)構(gòu)，利用實驗室自制的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)將波長選定在～2 048 nm處，創(chuàng)新性地使用雙3×3對稱型光纖耦合器搭建無源復(fù)合三環(huán)子腔，理論分析了利用其實現(xiàn)光纖激光器單縱模運轉(zhuǎn)的原理，并將其引入激光主環(huán)腔中成功實現(xiàn)了激光單縱模運行。與利用2×2光纖耦合器搭建復(fù)合環(huán)腔的傳統(tǒng)方法相比，3×3光纖耦合器結(jié)構(gòu)更加緊湊，搭建復(fù)合環(huán)腔濾波器可以減少光纖耦合器的使用數(shù)量，具有更好的設(shè)計靈活性和更低的復(fù)雜性。實驗表明，所提出的激光器可以穩(wěn)定激射在2 048.48 nm處，光信噪比約70 dB,100 min內(nèi)波長及功率抖動分別不超過0.02 nm和0.453 dB，并穩(wěn)定運轉(zhuǎn)在單縱模狀態(tài)。該激光器有望作為2 050 nm高功率激光器的種子源應(yīng)用于自由空間光通信及大氣雷達(dá)領(lǐng)域。

2 實驗裝置

2.1 實驗結(jié)構(gòu)

搭建的單縱模摻銩光纖激光器實驗結(jié)構(gòu)如圖1綠色虛框內(nèi)所示。793 nm的泵浦光(最高輸出功率12 W)經(jīng)過790/2 000 nm (6+1)×1合束器(只用其中一支泵浦臂)注入腔內(nèi)為增益光纖提供泵浦，一段芯子/內(nèi)包層直徑為10/130 μm、纖芯數(shù)值孔徑為0.15的摻銩光纖(Nufern，Thulium-doped fiber,TDF)作為增益介質(zhì)，其在793 nm處吸收系數(shù)為4.5 dB/m，為獲得在2 050 nm 波段的足夠增益，增益光纖長度選為4 m。摻銩光纖的另一端與光隔離器相連后接環(huán)形器的1端口，隔離器與環(huán)形器共同確保腔內(nèi)激光的單向運轉(zhuǎn)。一支實驗室自制的FBG作為窄帶高反射鏡接于環(huán)形器的2端口，該光柵寫制采用相位掩模板法，由248 nm KrF準(zhǔn)分子激光器(Excimer laser)直接掃描寫入到氫載后的單模光纖上,掩模板周期為1 423.6 nm，寫入長度為20 mm。由Yokogawa AQ6375型光譜儀在分辨率為0.05 nm下測得的FBG的透射譜如圖2所示，光柵透射深度為14.9 dB，所對應(yīng)反射率為 96.76%。測得的FBG反射峰半高全寬(FWHM)為0.2 nm。經(jīng)FBG反射后的光信號通過環(huán)形器3端口經(jīng)偏振控制器后注入到新型無源三環(huán)復(fù)合子腔中進(jìn)行進(jìn)一步的縱模選擇，一個1×2光纖耦合器將10%激光從腔內(nèi)提取輸出。所搭建激光器總腔長為～11.6 m，對應(yīng)縱模間隔為～18 MHz。

注1 環(huán)形腔摻銩光纖激光器實驗結(jié)構(gòu)圖及激光輸出特性測量結(jié)構(gòu)圖，TDF:摻銩光纖,FC:光纖合束器,ISO:隔離器,CIR:環(huán)形器,DI-PC:偏振控制器,OC:光纖耦合器，PD:光電探測器,OSA:光譜分析儀,FSA:頻譜分析儀。

圖2 實驗室自制FBG透射譜

2.2 無源三環(huán)復(fù)合子腔結(jié)構(gòu)及選模特性理論分析

由光柵透射譜換算所得的歸一化FBG反射譜半高全寬為0.15 nm,在2 050 nm波段對應(yīng)的頻率范圍為～10.7 GHz，所搭建的主環(huán)腔縱模間隔約為18 MHz，因此所提出的無源三環(huán)復(fù)合子腔需要確保從FBG帶寬內(nèi)近595個縱模中濾出一個縱模使得激光器可以形成單縱模振蕩。為達(dá)到這一目標(biāo)，無源三環(huán)復(fù)合子腔應(yīng)滿足如下條件：第一，由無源三環(huán)復(fù)合子腔形成的有效自由光譜范圍 (Free spectral range,FSR) 應(yīng)大于0.5倍的FBG反射帶寬，確保在FBG的反射帶寬內(nèi)只有一條復(fù)合子腔的有效傳輸通帶占優(yōu)勢[16]；第二，該復(fù)合子腔的有效傳輸通帶帶寬應(yīng)為主腔縱模間隔的1～2倍左右[16]。

無源三環(huán)復(fù)合子腔結(jié)構(gòu)如圖1綠虛框中所示，該復(fù)合子腔由兩個對稱型3×3光纖耦合器(耦合比1∶1∶1)共同組成一個1.88 m長大環(huán)腔及兩個內(nèi)嵌的長度分別為0.3 m和0.7 m的小環(huán)腔。FSR 計算公式RFSR=c/n/L(c=3×108m/s,為光速，n=1.44,為纖芯折射率，L為腔長)，可知大環(huán)對應(yīng)的FSR約為～110 MHz，小環(huán)對應(yīng)的FSR分別約為～700 MHz及～300 MHz。根據(jù)游標(biāo)效應(yīng),復(fù)合環(huán)所對應(yīng)的有效FSR應(yīng)為該三環(huán)FSR的最小公倍數(shù)，約為23.1 GHz。在2 050 nm波段，其對應(yīng)波長范圍為0.32 nm，大于FBG的反射帶寬。在此基礎(chǔ)上，該窄帶干涉峰將進(jìn)一步對激光器進(jìn)行縱模選擇，復(fù)合子環(huán)的窄帶干涉峰帶寬由子環(huán)中最長環(huán)長決定，環(huán)長越長，帶寬越窄。復(fù)合子環(huán)腔干涉峰帶寬可根據(jù)公式得到[14,20]：

(1)

其中L1為復(fù)合三環(huán)腔大子環(huán)腔腔長，δ為光在大子環(huán)腔傳輸一周后的損耗，可以表示為：

(2)

其中，Io為輸入光強，Ii為在大子環(huán)腔傳輸一周后的剩余光強。給定兩耦合器插入損耗為0.2 dB，計算得到的窄帶干涉峰帶寬為21 MHz，約為1.17倍的主腔縱模間隔，保證了在無源三環(huán)復(fù)合腔有效傳輸通帶內(nèi)僅有一個縱模被選出。

我們進(jìn)一步對所提出的無源三環(huán)復(fù)合子腔濾波器進(jìn)行了仿真，仿真方法與我們之前工作中的仿真方法一致[17]。本文中采用的3×3對稱型光纖耦合器的傳輸矩陣為：

(3)

仿真所得復(fù)合三環(huán)腔透射譜如圖3所示,其中紅色線為測得的歸一化后的FBG反射譜，藍(lán)線表示仿真所得的無源三環(huán)復(fù)合子腔濾波器的透射譜。黃色虛線為無源三環(huán)復(fù)合子腔濾波器透射譜的包絡(luò)，由該包絡(luò)可以看出由無源三環(huán)復(fù)合子腔濾波器所形成的FSR為 0.14 nm(～10 GHz)，雖與上述估值略有出入，但由仿真所得的FSR依然大于0.5倍的FBG的反射帶寬，可以使得在FBG反射帶寬內(nèi)只有一條有效傳輸通帶占優(yōu)勢。插圖為我們對在FBG反射譜反射率最高處仿真所得的復(fù)合三環(huán)濾波器透射譜局部放大，可以看出在中心波長處，濾波器中干涉形成的透射峰濾波帶寬約為20.8 MHz，與上述估計的21 MHz 基本相符。由于過窄的傳輸通帶帶寬會使得激光器易受環(huán)境影響，使得激光器在受到環(huán)境擾動時發(fā)生跳模等不穩(wěn)定輸出，所以我們未繼續(xù)壓窄復(fù)合三環(huán)腔的干涉峰帶寬，現(xiàn)有的帶寬范圍可以達(dá)到穩(wěn)定的單縱模振蕩效果。綜上所述，所提出的無源三環(huán)復(fù)合子環(huán)腔理論上可以確保激光器的單縱模運行。

注3 無源三環(huán)復(fù)合子腔濾波器輸出透射譜，插圖為在激光中心波長處對復(fù)合三環(huán)濾波器透射譜的局部放大。

3 激光器輸出特性

激光器的搭建及測試均在室溫下進(jìn)行，并和泵浦源放在同一個普通工作臺上，整個激光器系統(tǒng)并未施加任何的溫度補償裝置及隔振裝置。

激光器輸出特性測量結(jié)構(gòu)如圖1藍(lán)色虛框中所示，輸出激光經(jīng)耦合比為50∶50的1×2光纖耦合器分成兩路，一路接入光譜儀進(jìn)行光譜測量，另一路接入一個帶寬為1 GHz的2 μm波段的光電探測器(Photodetector，PD)后，再接入帶寬為8 GHz的頻譜分析儀(Frequency spectrum analyzer，F(xiàn)SA)，在光譜測量的同時觀測激光器的單縱模特性。

激光器閾值為 3 W，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)提高泵浦功率直到獲得穩(wěn)定的激光輸出，此時泵浦功率為 3.6 W，激光光譜如圖4所示。測量所用光譜儀分辨率為0.05 nm，激光的中心波長在 2 048.48 nm，與FBG透射峰中心波長相比偏移了 0.04 nm，該波長漂移主要由溫度擾動及在測量光柵時由固定光柵帶來的應(yīng)力擾動造成。所得輸出激光的 3 dB帶寬為 0.05 nm，與光譜儀分辨率相近，因此該帶寬測量結(jié)果受到光譜儀分辨率限制。輸出激光的光信噪比(Optical signal to noise ratio, OSNR)為 70 dB。較高的OSNR體現(xiàn)了激光器良好的振蕩質(zhì)量及無源三環(huán)復(fù)合子環(huán)腔良好的選模能力。為證明激光器的短期穩(wěn)定性，我們在 10 min內(nèi)以 1 min為間隔用光譜儀掃描測量輸出光譜，期間泵浦功率不變，10 次測量結(jié)果如圖4內(nèi)3D插圖所示，光譜幾乎沒有波長漂移及功率抖動。此外，我們對激光器的長期穩(wěn)定性也進(jìn)行了測試，在保持泵浦功率不變的情況下，每隔10 min對激光光譜進(jìn)行測量，總時長100 min，所得激光器波長及功率抖動如圖5所示。100 min內(nèi)波長漂移量小于0.02 nm，已小于OSA的測量分辨率，功率抖動小于0.453 dB，表明了激光器優(yōu)秀的波長與功率穩(wěn)定性。

注4 單縱模激光器輸出光譜

注5 100 min內(nèi)激光器輸出波長和功率抖動

在測量光譜的同時，激光器的單縱模運轉(zhuǎn)特性通過自零差法測量確認(rèn)，圖6(a)、(b)分別為掃描范圍為100 MHz 和 1 GHz的激光器拍頻結(jié)果。從圖中可見，掃描范圍內(nèi)沒有任何明顯的拍頻信號被捕捉到，說明激光器運行在單縱模狀態(tài)下。為了驗證單縱模運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，連續(xù)掃描并每隔10 min存儲一次拍頻測試結(jié)果。圖6(a)、(b)內(nèi)插圖分別為100 MHz和1 GHz掃描范圍內(nèi)，在50 min內(nèi)分別存儲的5次測量結(jié)果，可以看出均沒有拍頻信號被捕捉到，證明激光器運行在穩(wěn)定的單縱模狀態(tài)。為了驗證所提出的無源三環(huán)復(fù)合子腔的選模能力，移除復(fù)合三環(huán)腔后對激光器進(jìn)行拍頻，拍頻結(jié)果如圖6(c)所示?？梢姡?dāng)移除復(fù)合三環(huán)后，頻譜儀在各頻譜范圍內(nèi)均檢測到了明顯的拍頻信號，說明在沒有復(fù)合三環(huán)腔作用下，激光器運轉(zhuǎn)在多縱模狀態(tài)，所提出的復(fù)合三環(huán)腔對縱模的抑制起到了至關(guān)重要的作用。

注6 頻譜儀所測激光器存在子環(huán)情況下，頻率范圍為0～100 MHz(a)及頻率范圍為0～1 GHz(b)激光器自零差法拍頻結(jié)果，其中插圖為每隔10 min所測得的拍頻結(jié)果；(c)激光器無子環(huán)情況下頻率范圍為0～1 GHz及0～100 MHz的拍頻結(jié)果。

最后，在耦合器的10%輸出端口處用功率計(Ophir StarLite)對激光器的輸出功率進(jìn)行了測量，單縱模激光器輸出功率隨泵浦功率變化曲線如圖7所示。實驗中所使用的增益光纖截面是八邊形結(jié)構(gòu)，與其相連的合束器及隔離器的尾纖均為10/130 μm匹配光纖及普通單模，盡管我們已經(jīng)盡力優(yōu)化對增益光纖的熔接，但由三種光纖之間離子擴散以及尺寸不匹配引起的模式失配導(dǎo)致的熔接損耗依然比較嚴(yán)重。并且，摻銩光纖在2 050 nm附近較小的增益系數(shù)也使得激光無法像在其他波段(1 900～ 2 000 nm) 一樣具有較高的增益及斜率效率。同時，在該波段無源器件的插入損耗也大于其他波段，進(jìn)一步增加了腔內(nèi)損耗。除此之外，實驗中為了降低激光器的閾值，采用的激光器輸出耦合比較小。以上原因造成激光器總輸出功率以及斜率效率均比較低。但是曲線具有很好的線性度，說明激光器并未達(dá)到飽和，隨著泵浦功率的提高，單縱模激光器的輸出功率可繼續(xù)提高。然而，考慮到過高的泵浦功率會在腔內(nèi)引入較高自發(fā)輻射噪聲及熱噪聲，從而造成光信噪比下降及線寬展寬，因此在泵浦功率達(dá)到5.64 W后便未再繼續(xù)提高注入泵浦功率，此時激光器輸出功率為6.79 mW，斜率效率為0.25%。

圖7 激光器輸出功率隨泵浦功率變化特性曲線

所提出的激光器達(dá)成的技術(shù)指標(biāo)與其他基于不同技術(shù)的單縱模摻銩光纖激光器的技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。由于目前對2 050 nm波段單縱模種子源的報道相對較少，這里給出的其他研究工作圍繞在～1 940 nm波段。從對比結(jié)果可以看出，本文所提出的激光器具有高OSNR、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢。

表1 基于不同技術(shù)的單縱模摻銩光纖激光器最高光信噪比及功率抖動比較

4 結(jié) 論

本文報道了一種基于無源三環(huán)復(fù)合腔的2 050 nm波段單縱模光纖激光器，并對其輸出穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)表征。理論分析了利用該無源三環(huán)復(fù)合腔實現(xiàn)激光器單縱模振蕩的原理，并實驗證明了所提出的光纖激光器可以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)在單縱模激光輸出狀態(tài)。激光輸出波長為2 048.48 nm，光信噪比為70 dB，100 min內(nèi)的波長抖動和功率抖動分別小于0.02 nm和0.453 dB。優(yōu)異的光信噪比及穩(wěn)定的激光輸出使其具有繼續(xù)作為后續(xù)光放大系統(tǒng)的種子源的能力，未來有潛力應(yīng)用于激光雷達(dá)及空間光通信系統(tǒng)中。

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