羅 章，何 巍，董明利*，張 雯

(1．北京信息科技大學(xué) 光電測試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2．北京信息科技大學(xué) 光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

1 引 言

光纖激光器由于其結(jié)構(gòu)緊湊、低噪聲、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械加工、遙感、材料加工、激光傳感、光通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。近年來，窄線寬光纖激光器成為激光器發(fā)展的重要方向之一，具有輸出激光線寬窄、高光束特性、穩(wěn)定性高、邊模抑制比高(Signal-to-noise ratio,SNR)等特點(diǎn)[3]，在高分辨率光譜學(xué)、微波光子、光纖傳感等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用[4]。

目前，國內(nèi)外針對實(shí)現(xiàn)窄線寬激光輸出的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展。利用光纖光柵(Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)[5]、保偏光纖光柵[6]、Mach-Zehnder干涉濾波器[7]、光纖Fabry-Perot濾波器[8-9]、光纖Lyot濾波器[10]、Convex-shaped fiber ring(CSFR)濾波器[11]、Sagnac環(huán)[12-13]等光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)了窄線寬激光輸出。近年來，啁啾光纖光柵(Chirped fiber Bragg grating，CFBG)作為重要的光學(xué)濾波器件，在激光和傳感領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。Wang等[14]提出了一種基于啁啾光纖光柵可調(diào)諧單縱模光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了1 535～1 565 nm寬波長范圍激光輸出；Guo等[15]通過CFBG實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)分布反饋的多波長激光輸出；Cheng等[16]提出了一種把CFBG放置在薩格納克環(huán)中作為腔鏡制作了線性腔可調(diào)諧四波長連續(xù)摻鉺光纖激光器，該系統(tǒng)能輸出從單波長到四波長的14種不同模式，所有輸出激光具有良好的穩(wěn)定性、線寬均小于0.28 nm、SNR大于20 dB；Lindberg等[17]利用CFBG作為兩端端面反射鏡制作了C腔可調(diào)諧激光器，激光輸出波長調(diào)諧范圍達(dá)35 nm；Yang等[18]設(shè)計(jì)了窄線寬可調(diào)諧的光纖激光器，利用CFBG選擇激光波長，輸出線寬小于0.03 nm；Fukushima等[19]提出了一種新型的可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形激光器(EDFRL)，采用級聯(lián)長周期光纖光柵作為濾波器，溫度測量范圍為30～130 ℃，波長漂移間隔在5 dB光衰減器調(diào)制下波長由1 561.34 nm漂移至1 567.76 nm；Markowski等[20]提出由兩個(gè)啁啾光纖光柵組成的法布里-珀羅(F-P)腔進(jìn)行應(yīng)變和溫度測量的方法。綜上所述，利用CFBG作為光學(xué)濾波器件能夠?qū)崿F(xiàn)窄線寬光纖激光輸出以及作為傳感器件能夠進(jìn)行溫度、應(yīng)變等物理量傳感測量。目前，對于CFBG光器件的研究主要還是作為寬帶濾波器實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧多波長輸出，而對于利用CFBG實(shí)現(xiàn)單波長輸出且進(jìn)行激光溫度傳感研究目前還較少，因此對于開展CFBG進(jìn)行光學(xué)濾波以及光纖激光溫度傳感研究具有重要的意義。

為實(shí)現(xiàn)窄線寬激光的輸出，本文提出了以未泵浦的摻鉺光纖作為可飽和吸收體穩(wěn)頻器件，與啁啾光纖光柵級聯(lián)搭建單波長輸出的窄線寬環(huán)形摻鉺光纖激光器，并對窄線寬光纖激光器的輸出性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析，實(shí)現(xiàn)了單波長窄線寬激光穩(wěn)定輸出。利用外部加熱平臺對光纖激光器中CFBG光器件進(jìn)行激光溫度傳感測試。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明CFBG在外部溫度變換下，激光輸出波長能夠滿足不同溫度變化下的線性漂移。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

摻鉺光纖激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，976 nm泵浦光耦合進(jìn)980/1550 nm波分復(fù)用器(Wavelength division multiplexer,WDM)的LD(Laser diode)接口，實(shí)驗(yàn)中利用環(huán)形器形成反向泵浦方式避免泵浦光進(jìn)入到可飽和吸收體中影響可飽和吸收效果，WDM的另一輸入端與環(huán)形器(Circulator)1端口連接，環(huán)形器2端口與未泵浦的摻鉺光纖作為可飽和吸收體(Saturable absorber,SA)和啁啾光纖光柵級聯(lián)接入摻鉺光纖激光器系統(tǒng)中，環(huán)形器3端口輸出光與分光比為50∶50的2×2耦合器(Optical fiber coupler,OC)的輸入端相接，耦合器輸出端口接入L波段增益光纖(L-band erbium-doped fiber,EDFL)，OC的另一輸出端口接入光譜儀(Optical spectrum analyzer,OSA)用以實(shí)時(shí)觀測激光輸出光譜，最后EDFL與WDM的輸出端接入構(gòu)成以摻鉺光纖為增益介質(zhì)的光纖環(huán)形腔激光器系統(tǒng)。使用威迅達(dá)公司生產(chǎn)的加熱平臺(Heating platform)對CFBG器件進(jìn)行50～300 ℃溫度傳感實(shí)驗(yàn)。

圖1 摻鉺光纖激光器系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of the erbium-doped fiber laser system

啁啾光纖光柵原理如圖2所示，CFBG是具有一定帶寬的光學(xué)濾波器，與柵距固定不變的FBG相比，CFBG可以看作是含有多個(gè)單一柵區(qū)的FBG，每個(gè)柵區(qū)柵距均勻變化。對于線性啁啾光纖光柵，整個(gè)結(jié)構(gòu)的柵區(qū)間隔如公式(1)所示：

圖2 啁啾光纖光柵結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of the chirped fiber Bragg grating

Λi=Λ0+Fi，

(1)

Λ0為CFBG的初始間隔距離，F(xiàn)為CFBG的啁啾系數(shù)，反映啁啾量大小。CFBG的光反射原理滿足光波耦合模理論，第i個(gè)柵區(qū)的光反射波長λi如公式(2)所示：

λi=2neffΛi，

(2)

neff為CFBG的有效折射率，Λi為光纖光柵的第i個(gè)柵區(qū)間距。

未泵浦摻鉺光纖作為可飽和吸收體原理如圖3所示，當(dāng)摻鉺光纖激光器泵浦出的信號光進(jìn)入到SA后，與頻率相同且方向相反的信號光在整個(gè)未泵浦摻鉺光纖長度內(nèi)會形成駐波分布，如圖3(a)所示。駐波的波腹處光強(qiáng)最大，波節(jié)處光強(qiáng)最小，駐波在SA內(nèi)形成后，光強(qiáng)越大，吸收系數(shù)就會越小，光強(qiáng)越小，吸收系數(shù)就會越大。吸收系數(shù)在SA整個(gè)長度上呈現(xiàn)出周期性調(diào)制，因此折射率也會呈現(xiàn)周期性分布，如圖3(b)所示，相當(dāng)于在SA內(nèi)部寫入具有一定帶寬的振幅光柵，該光柵能夠抑制光波傳輸過程中除形成駐波的縱模激光外其他縱模激光的產(chǎn)生，保證其單波長激光輸出。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為單向激光運(yùn)行的環(huán)形腔光纖激光器系統(tǒng)，其光譜范圍如公式(3)所示：

圖3 可飽和吸收體原理圖。(a)光纖中的光強(qiáng)分布；(b)光纖中的折射率分布。Fig.3 Diagram of the saturable absorber.(a)Distribution of intensity in the fiber.(b)Distribution of refractive index in the fiber.

(3)

nl為搭建的光纖激光器系統(tǒng)的腔長。理論上，SA形成的振幅光柵反射帶寬Δf<Δν時(shí)，光纖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)單波長激光輸出。

啁啾光纖光柵作為溫度傳感器件時(shí)，外界溫度變化會改變CFBG有效折射率及光柵間隔，反射波長會隨之改變，根據(jù)波長變化量與溫度對應(yīng)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)啁啾光纖光柵溫度傳感測量。根據(jù)麥克斯韋方程和耦合模理論可知，光纖光柵反射中心波長如公式(4)所示：

λ=2neffΛ，

(4)

neff為光纖光柵有效折射率，Λ為光柵間距。對公式(4)兩邊進(jìn)行微分可以得到中心波長漂移量，如公式(5)所示：

Δλ=2neffΔΛ+2ΔneffΛ,

(5)

光纖光柵在不受外力作用只受溫度變化時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長變化量是溫度的函數(shù)，由熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的光柵周期和折射率變化情況如公式(6)、(7)所示：

(6)

(7)

其中，α為光纖的熱膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù)。將公式(6)、(7)代入公式(5)后得到中心波長變化量與溫度的函數(shù)：

(8)

K為線性擬合函數(shù)的斜率即溫度靈敏度。

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

按照圖1所示的結(jié)構(gòu)搭建了基于CFBG濾波和SA穩(wěn)頻的摻鉺光纖激光器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建前，利用外部寬帶光源(Amplified spontaneous emission,ASE)對光纖光柵器件CFBG(訊天宇公司生產(chǎn)，型號為ID:160412-25；Wavelength：1 551.299 nm；Bandwidth：12.657 nm；Reflectivity：99.96%)光反射譜及光透射譜進(jìn)行測量，ASE波段范圍為1 529～1 605 nm，功率為13 dBm。實(shí)驗(yàn)中光譜儀采集分辨率為0.05 nm(Yokogawa Co.AQ6375)，可檢測波段范圍為1 200～2 400 nm。圖4為CFBG的光反射譜與光透射譜，根據(jù)光反射譜與光透射譜光譜數(shù)據(jù)分析，CFBG中心波長為1 549.40 nm，帶寬為12.41 nm。

圖4 CFBG的反射譜與透射譜Fig.4 Reflection spectrum and transmission spectrum of CFBG

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理(圖1)，對光纖激光器環(huán)形器2端口不接入CFBG和SA、只接入CFBG不級聯(lián)SA、接入長度為0.5 m SA和1 m SA且都級聯(lián)上CFBG等4種情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比分析，并通過光譜儀檢測不同情況光譜信息。如圖5(a)所示，光纖激光器中沒有接入SA和CFBG，從OSA數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)模現(xiàn)象十分明顯；如圖5(b)所示，只有CFBG接入光纖激光器時(shí)，CFBG的濾波效果出現(xiàn)，但仍然有調(diào)?，F(xiàn)象發(fā)生；如圖5(c)所示，0.5 m長SA與CFBG級聯(lián)接入光纖激光器時(shí)，穩(wěn)頻現(xiàn)象不明顯，調(diào)?，F(xiàn)象沒有得到很好抑制；如圖5(d)所示，SA長度設(shè)定為1 m時(shí)，激光系統(tǒng)會出現(xiàn)單波長激光輸出情況，但是仍有其他模式跳變情況，激光輸出不穩(wěn)定。最后通過選擇2.2 m長度的SA與CFBG級聯(lián)接入光纖激光器系統(tǒng)后，能夠穩(wěn)定輸出單波長激光。

圖5 SA和CFBG不同級聯(lián)情況分析。(a)不級聯(lián)SA和CFBG；(b)只級聯(lián)CFBG；(c)級聯(lián)0.5 m長SA和CFBG；(d)級聯(lián)1 m長SA和CFBG。Fig.5 Analysis of different connections between SA and CFBG.(a)Without SA and CFBG.(b)With CFBG.(c)0.5 m SA and CFBG.(d)1 m SA and CFBG.

泵浦功率為219 mW時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器1 555.25 nm單波長激光穩(wěn)定輸出。1 555.25 nm單波長激光光譜信息如圖6所示，1 555.25 nm激光的SNR為47.05 dB，3 dB線寬為0.06 nm。保持泵浦功率為219 mW、室溫26 ℃不變條件下，對1 555.25 nm激光的穩(wěn)定性進(jìn)行測試與分析，在間隔2 min掃描間隔內(nèi)對其輸出光譜進(jìn)行監(jiān)測，在監(jiān)測過程中，沒有觀察到其他波長激光模式跳變現(xiàn)象。從圖6(d)可見，在10 min監(jiān)測時(shí)間范圍內(nèi)，1 555.25 nm單波長激光功率變化為0.59 dB，3 dB線寬均小于0.07 nm。

圖6 單波長激光光譜分析。(a)SNR；(b)3 dB 線寬；(c)1 555.25 nm激光穩(wěn)定性；(d)1 555.25 nm激光功率波動。Fig.6 Spectrum analysis of single-wavelength laser.(a)SNR.(b)3 dB linewidth.(c)1 555.25 nm laser stability.(d)Power fluctuation of 1 555.25 nm laser.

保持泵浦功率為219 mW和室溫26 ℃不變條件下，利用外部加熱平臺對CFBG進(jìn)行溫度傳感特性分析，溫度變化范圍50～300 ℃，溫度以50 ℃步長遞增，每個(gè)溫度點(diǎn)等待30 min，待外部加熱平臺溫度穩(wěn)定后對激光輸出波長進(jìn)行光譜信息采集。50～300 ℃升溫過程激光輸出波長漂移情況如圖7(a)所示，激光輸出波長由短波向長波方向漂移，波長漂移及功率變化情況如圖7(b)所示，升溫過程激光輸出波長由50 ℃時(shí)1 555.32 nm向300 ℃時(shí)1 558.42 nm漂移，整個(gè)升溫過程激光波長輸出功率沒有發(fā)生明顯的波動，功率變化為0.37 dB。根據(jù)激光波長與溫度擬合曲線可知，升溫過程中，溫度靈敏度為12.59 pm/℃，線性度為0.998 6。

圖7 升溫示意圖。(a)升溫波長漂移；(b)溫度靈敏度與功率變化。Fig.7 Schematic of heating.(a)Wavelength-shift acquired during heating.(b)Temperature sensitivity and power fluctuation.

同樣條件下，300～50 ℃降溫過程激光輸出波長漂移情況如圖8(a)所示，激光輸出波長由長波向短波方向漂移，波長漂移及功率變化情況如圖8(b)所示。降溫過程中，激光輸出波長由300 ℃時(shí)1 558.44 nm向50 ℃時(shí)1 555.31 nm漂移，整個(gè)降溫過程激光波長輸出功率沒有發(fā)生明顯的波動，功率變化為0.27 dB。根據(jù)激光波長與溫度擬合曲線可知，降溫過程溫度靈敏度為12.58 pm/℃，線性度為0.998 3。

圖8 降溫示意圖。(a)降溫波長漂移；(b)溫度靈敏度與功率變化。Fig.8 Schematic of cooling.(a)Wavelength-shift acquired during cooling.(b)Temperature sensitivity and power fluctuation.

保持泵浦功率為219 mW和室溫26 ℃不變條件下，加熱平臺設(shè)置為50 ℃時(shí)，對1 555.32 nm單波長激光輸出的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行測試。如圖9(a)所示，在10 min掃描時(shí)間內(nèi)，間隔2 min對激光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)中沒有觀察到明顯的模式跳變現(xiàn)象。如圖9(b)所示，50 ℃時(shí)5次數(shù)據(jù)采集功率沒有發(fā)生明顯的波動，功率變化為0.27 dB，10 min掃描時(shí)間間隔內(nèi)其波長3 dB線寬均小于0.07 nm，SNR均大于40 dB。

圖9 單波長激光光譜穩(wěn)定性。(a)50 ℃ 1 555.32 nm 激光穩(wěn)定性；(b)1 555.32 nm激光功率波動。Fig.9 Spectrum stability of single-wavelength laser.(a)50 ℃ stability of 1 555.32 nm laser.(b)Power fluctuation of 1 555.32 nm laser.

在相同測試條件下，加熱平臺設(shè)置為300 ℃時(shí)，對1 558.42 nm單波長激光輸出的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行測試。如圖10(a)所示，在10 min掃描時(shí)間內(nèi)，間隔2 min對激光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)中沒有觀察到明顯的模式跳變現(xiàn)象。如圖10(b)所示，300 ℃時(shí)5次采集數(shù)據(jù)功率沒有發(fā)生明顯的波動，功率變化為0.09 dB，10 min掃描時(shí)間內(nèi)激光輸出波長3 dB線寬均小于0.07 nm，SNR均大于40 dB。

圖10 單波長激光光譜穩(wěn)定性。(a)300 ℃ 1 558.42 nm激光穩(wěn)定性；(b)1 558.42 nm激光功率波動。Fig.10 Spectrum stability of single-wavelength laser.(a)300 ℃ stability of 1 558.42 nm laser.(b)Power fluctuation of 1 558.42 nm laser.

通過對設(shè)計(jì)的窄線寬摻鉺光纖激光器的光譜輸出特性、3 dB帶寬和固定溫度波長穩(wěn)定性進(jìn)行測試和分析，驗(yàn)證了一種基于啁啾光纖光柵進(jìn)行光學(xué)濾波與級聯(lián)方式相接的可飽和吸收體進(jìn)行穩(wěn)頻的摻鉺光纖激光器的可行性和有效性。該方法也能很好地避免其縱模的跳變，提高了激光輸出波長的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的整個(gè)光纖激光器激光輸出系統(tǒng)能較好地進(jìn)行溫度傳感測量。

4 結(jié) 論

本文提出并分析了采用CFBG與SA級聯(lián)穩(wěn)頻技術(shù)進(jìn)行全光纖結(jié)構(gòu)單波長激光輸出的方法，實(shí)現(xiàn)中心波長為1 549.40 nm、帶寬為12.41 nm CFBG和長度為2.2 m SA選型，實(shí)現(xiàn)了單波長激光穩(wěn)定輸出。單波長激光輸出中心波長為1 555.25 nm，3 dB線寬為0.06 nm，SNR為47.05 dB。在10 min的監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，輸出激光功率變化為0.59 dB，SNR均大于40 dB，并對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的CFBG進(jìn)行了50～300 ℃的溫度特性分析。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)所采用的CFBG升溫時(shí)的溫度靈敏度為12.59 pm/℃，線性度為0.998 6；降溫時(shí)的溫度靈敏度為12.58 pm/℃，線性度為0.998 3。并對溫度變化后50 ℃和300 ℃的激光輸出波長穩(wěn)定性進(jìn)行測試，功率變化為0.27 dB和0.09 dB。該CFBG與SA級聯(lián)方式穩(wěn)頻的光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、光譜輸出性能良好以及溫度傳感測量時(shí)功率變化較小等特點(diǎn)，在光纖激光器及光纖傳感領(lǐng)域等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。