王肇穎，胡苗苗，葛春風(fēng)，賈東方，桑 梅，楊天新，劉鐵根

窄線寬多波長光纖光源在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用越來越引起人們的重視．與現(xiàn)在光纖傳感系統(tǒng)中常用的掃頻光源相比，多波長光源在多路復(fù)用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中可同時提供光纖光柵傳感陣列所需要的多個不同工作波長[1]．此外，多波長光源輸出的N個波長將光譜掃頻范圍分成了N?1段，在同樣掃頻精度下，掃描整段光譜的頻率提高到傳統(tǒng)單一波長掃描時的N?1倍．因此它有望與現(xiàn)有掃頻光源形成有力競爭，應(yīng)用于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)．在光纖傳感的實際應(yīng)用中，需要低成本、常溫穩(wěn)定工作、窄線寬、輸出功率平坦、波長可調(diào)諧的多波長光纖光源．目前，多波長光源按增益介質(zhì)主要分為：多波長摻鉺光纖光源、多波長拉曼光纖光源以及基于半導(dǎo)體光放大器的多波長光纖光源．由于鉺光纖在室溫下均勻展寬超過10,nm，很難產(chǎn)生穩(wěn)定的多波長輸出，需要采用低溫冷卻鉺光纖[2-3]、移頻或相位調(diào)制[4-5]等復(fù)雜技術(shù)抑制摻鉺光纖激光腔內(nèi)的模式競爭；拉曼光纖光源需要很高的泵浦能量[6-8]，造價昂貴；半導(dǎo)體光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)的室溫均勻展寬僅有 0.6,nm[9]，以它為增益介質(zhì)的多波長光纖光源不需要光抽運、易得到穩(wěn)定的多縱模振蕩，且SOA商品性能成熟、價格低廉，因此具有極大的研究潛力[10-12]．但使其適用于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，還需進(jìn)一步提高多波長光源的輸出功率平坦度并窄化線寬，以保證多路復(fù)用傳感器陣列系統(tǒng)的效率和精度．

筆者數(shù)值模擬了不同SOA驅(qū)動電流下多波長光源的穩(wěn)態(tài)輸出結(jié)果，并分析了未泵浦摻鉺光纖(erbium-doped fiber，EDF)長度對輸出線寬的影響；實驗構(gòu)建了帶有單程反饋和線寬窄化機(jī)制的多波長光纖激光器；對光源的功率譜平坦、線寬窄化、穩(wěn)定性和可調(diào)諧性進(jìn)行了研究．

1 理論分析

利用SOA分段模型對多波長光纖光源的穩(wěn)態(tài)輸出結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖1所示．

由圖1可知，隨著SOA注入電流的增大，SOA的增益增加，從而使激光器輸出的多波長數(shù)量和功率隨之增大．同時，由于激光腔內(nèi)增益飽和效應(yīng)，激光器光源輸出的多波長的中心位置向長波方向移動．因此，可充分利用激光器穩(wěn)態(tài)工作時SOA處于飽和狀態(tài)這一特點，采用單程反饋機(jī)制實現(xiàn)功率譜平坦化．即利用一定的反饋裝置，將激光器輸出的光反饋回SOA，當(dāng)SOA工作在飽和狀態(tài)時，反饋信號中的強激光譜線使SOA在該波長處飽和程度更深，弱激光譜線使SOA的飽和程度淺，從而使激光腔內(nèi)振蕩的強激光譜線得到的增益低而弱激光譜線的增益相對較高，實現(xiàn)在整個輸出帶寬內(nèi)各個波長的功率均勻．

圖1 穩(wěn)態(tài)時多波長光纖光源的輸出功率隨電流的變化趨勢Fig.1 Stable output power of multi-wavelength fiber source with different injection currents of SOA

激光器的線寬窄化機(jī)制由未泵浦EDF中駐波形成的等效光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)實現(xiàn)，等效FBG反射譜半高全寬[12]與EDF長度的關(guān)系式為

式中：Δn為誘導(dǎo)折射率變化量；Lg為EDF長度；λ為輸入光波長；neff為EDF的等效折射率． 根據(jù)擬選用的實驗器件數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬得到光源輸出激光線寬與波長和EDF長度的關(guān)系，如圖2所示．

圖2 多波長光源輸出線寬與波長、EDF長度的關(guān)系Fig.2 Variation of linewidth of multi-wavelength fiber source with wavelength and the length of EDF

從圖2中可以看出，當(dāng)EDF的長度在0.3,m時，線寬壓縮比達(dá)到最高，單縱模狀態(tài)下可以將線寬壓窄至 MHz量級，超過一定長度后，壓縮比呈現(xiàn)出飽和趨勢，壓縮效果不再顯著提高，過長的未泵浦EDF還會給激光器帶來不必要的損耗．從圖 2中還可看出，EDF的長度一定時，在 1,550,nm～1,650,nm 范圍內(nèi)各個波長線寬之間的差別很小，能起到對多波長均衡窄化線寬的效果．

2 實驗裝置

圖3為窄線寬多波長光纖光源實驗結(jié)構(gòu)示意，它采用2個級聯(lián)的SOA作為增益介質(zhì)，當(dāng)注入電流為250,mA時，SOA1和SOA2的峰值增益波長分別為1,540,nm和1,520,nm，3,dB增益帶寬分別為60,nm和67,nm；利用高雙折射光纖環(huán)形鏡(Hi-Bi FLM)作為一級濾波器進(jìn)行波長選擇，Hi-Bi光纖長度 5.9,m，濾波間隔為 0.8,nm[13]；(A)為未泵浦EDF和 3,dB耦合器構(gòu)成的非線性光纖環(huán)形鏡，它作為二級濾波器實現(xiàn)激光線寬窄化，(B)為單程反饋機(jī)制，它利用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(Faraday rotator mirror，F(xiàn)RM)反饋部分能量給SOA2使之形成增益飽和，均衡激光器輸出的功率譜．該多波長光源的實驗裝置實物照片如圖4所示．

圖3 窄線寬多波長光纖光源實驗結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Experimental structure of narrow linewidth multiwavelength optical fiber source

圖4 窄線寬多波長光纖光源的實驗裝置實物照片F(xiàn)ig.4 Picture of the experiment device of narrow linewidth multi-wavelength optical fiber source

3 實驗結(jié)果分析

3.1 單程反饋機(jī)制對輸出結(jié)果的影響

當(dāng)圖 3所示的實驗裝置不含線寬窄化機(jī)制(A)和單程反饋機(jī)制(B)，SOA1和SOA2的注入電流均為250,mA時，得到的多波長結(jié)果送入Ando的AQ-6315A光譜分析儀進(jìn)行測量和分析，其多波長光纖光源的輸出結(jié)果如圖5(a)所示．在相同注入電流下加入單程反饋機(jī)制(B)后，其多波長輸出結(jié)果如圖5(b)所示．

比較圖 5(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，未加單程反饋機(jī)制時，該光纖光源輸出功率譜不平坦度＜±4,dB時僅有 21個波長輸出；加入單程反饋機(jī)制后，功率譜不平坦度＜±3,dB時有27個多波長輸出，輸出功率譜的平坦度和多波長個數(shù)均顯著改善．

為了考察該多波長激光輸出的穩(wěn)定性，對這一組多波長進(jìn)行了 8次間隔 30,min的重復(fù)掃描．為便于觀測，在圖6中給出了6個波長的重復(fù)掃描結(jié)果，并在光譜儀最高分辨率 0.05,nm的精度下分別測量每次掃描時各波長的中心位置，未見波長的顯著抖動．

圖5 多波長光纖光源的輸出結(jié)果Fig.5 Output results of the narrow linewidth multiwavelength fiber source

圖6 窄線寬多波長光纖光源輸出的間隔掃描結(jié)果Fig.6 Stability figure of the narrow linewidth multiwavelength fiber source

3.2 線寬窄化機(jī)制對輸出結(jié)果的影響

在實驗結(jié)構(gòu)中加入線寬窄化機(jī)制(A)，當(dāng) SOA1和SOA2的注入電流均為250,mA，EDF的長度分別為 1.0,m、1.5,m、2.0,m 時，窄線寬多波長光纖光源輸出譜線的3,dB線寬如圖7所示．

未加線寬窄化機(jī)制時，輸出激光線寬為 0.2,nm；加入1.0,m、1.5,m、2.0,m的未泵浦EDF后，相應(yīng)的輸出激光線寬窄化為 0.15,nm、0.12,nm、0.06,nm．由此可見線寬窄化效果比較明顯，但比數(shù)值模擬的結(jié)果偏大，這是由于一級濾波器的濾波譜線為正弦透過率，透過率線寬遠(yuǎn)大于 EDF形成的等效光柵的線寬，因此輸出的每個激光波長實際包含了多個EDF等效光柵的透過譜線，如果選用較窄線寬的一級濾波器將得到更好的結(jié)果．

圖7 窄線寬多波長光纖光源的線寬測量結(jié)果Fig.7 Experimental results of the 3 dB linewidth of the multi-wavelength fiber source

圖 8(a)給出了 EDF為 2.0,m時，濾波器濾出了中心波長 1,538.654,nm的單波長光譜，其3,dB線寬為0.06,nm．圖8(b)顯示了每30,min掃描1次，共掃描8次的光譜掃描結(jié)果．

圖8 帶有線寬窄化機(jī)制的多波長光纖光源經(jīng)過濾波器選波的輸出結(jié)果Fig.8 Output results of one channel from the narrow linewidth multi-wavelength fiber source

3.3 激光腔不同輸出耦合比對輸出結(jié)果的影響

為了進(jìn)一步提高輸出多波長的功率平坦度，對激光腔輸出耦合比對輸出結(jié)果的影響進(jìn)行了實驗研究．圖 9所示為輸出耦合比分別為 75∶25、60∶40、50∶50的輸出結(jié)果．

從圖中可知，隨著輸出耦合比的增加，輸出功率更加均衡，但激光腔內(nèi)的能量逐漸降低，獲得的多波長數(shù)目減少．當(dāng)耦合比為 50∶50時，激光器輸出的15個多波長不平坦度小于±1.5,dB．因此，激光腔輸出耦合比的選擇要綜合權(quán)衡波長數(shù)目和功率平坦度2個因素．

圖9 不同激光腔輸出耦合比時，獲得的多波長結(jié)果Fig.9 Output results of the narrow linewidth multi-wavelength fiber source with different coupling ratios

3.4 多波長光源的可調(diào)諧性初步研究

實驗中通過連續(xù)手動調(diào)節(jié) Hi-Bi,FLM 中的 PC3的角度，還可以實現(xiàn)這一組輸出波長的整體連續(xù)調(diào)諧，最大的調(diào)諧范圍為 50,GHz，如圖 10所示．但是全光纖結(jié)構(gòu)的 PC只能靠調(diào)節(jié)各光纖環(huán)之間的相對角度實現(xiàn)偏振控制，調(diào)諧精度難以保證．因此為了更好地滿足光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用，筆者擬對多波長進(jìn)行精密的腔外電調(diào)諧，目前有關(guān)實驗正在進(jìn)行中．

圖10 多波長光源的整體調(diào)諧結(jié)果Fig.10 Tunable results of the multi-wavelength fiber source

4 結(jié) 語

本文分析模擬了多波長光纖光源的穩(wěn)態(tài)輸出結(jié)果，實驗構(gòu)建了一種帶有單程反饋和線寬窄化機(jī)制的窄線寬多波長光纖光源，測量和分析了這2種機(jī)制以及不同輸出耦合比對多波長功率譜平坦性和線寬的影響．實驗實現(xiàn)光源輸出功率譜不平坦度＜±3,dB時，多波長個數(shù)可達(dá) 27個，3,dB線寬約 0.06,nm，并初步實現(xiàn)波長在 50,GHz范圍內(nèi)整體連續(xù)可調(diào)．該光源再結(jié)合上高精度的電調(diào)諧手段，即可為光纖傳感網(wǎng)提供高效的掃頻光源，更好地應(yīng)用于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)．

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