魏佳 ，張鵬 ，3，何爽 ，宮喜宇

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國(guó)家與地方聯(lián)合工程研究中心，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.鵬城實(shí)驗(yàn)室，深圳 518052）

隨著傳輸速度及傳輸容量的要求越來(lái)越高，為了進(jìn)一步提高通信容量，提出了波分復(fù)用技術(shù)及空分復(fù)用技術(shù)。在同一根光纖中同時(shí)讓兩個(gè)及以上的光波長(zhǎng)信號(hào)通過(guò)不同的信道各自傳輸，稱為波分復(fù)用技術(shù)［1］。光纖波分復(fù)用通信系統(tǒng)正朝著信道越來(lái)越多的方向快速發(fā)展。單模通信系統(tǒng)容量已經(jīng)逼近了極限，無(wú)法滿足通信的要求。空間域的利用被認(rèn)為是光通信中新的物理維度。近年來(lái)，空分復(fù)用技術(shù)在光纖通信和無(wú)線光通信中引起了科研人員的興趣［2］。模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)以不同模式為信息載體，以少模光纖為傳輸鏈路將傳輸容量擴(kuò)展多倍。

多波長(zhǎng)光纖激光器擁有較高的光束質(zhì)量，簡(jiǎn)單緊湊，可以同時(shí)為對(duì)多個(gè)信道提供穩(wěn)定的激光輸出，滿足當(dāng)下對(duì)光纖系統(tǒng)高容量的要求。近年來(lái)，關(guān)于實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸出的光纖激光器的研究也取得了重大的成果。胡松等人［3］利用受激布里淵增益和摻鉺光纖的線性增益，在常溫下得到波長(zhǎng)間隔0.08 nm的多波長(zhǎng)輸出。Wang等人［4］基于偏振旋轉(zhuǎn)和四波混頻效應(yīng)，采用保偏摻銩光纖和偏振控制器控制激光器的偏振模，并用400 m長(zhǎng)的單模無(wú)源光纖增強(qiáng)四波混頻效果，抑制偏振模競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧多波長(zhǎng)光纖激光器。周飛等人［5］實(shí)現(xiàn)了基于Sagnac環(huán)的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)，得到波長(zhǎng)可調(diào)諧的單雙波長(zhǎng)光纖激光器。樊冰等人［6］使用一個(gè)四端口環(huán)行器和兩個(gè)三端口環(huán)形器設(shè)計(jì)了一種波長(zhǎng)間隔為0.256 nm的多波長(zhǎng)布里淵摻鉺光纖激光器。這些研究很好地實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)激光輸出，但是這些方法存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等不足。

基于多模干涉的濾波器是種簡(jiǎn)單且低成本的濾波實(shí)現(xiàn)方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全光纖化、插入損耗低等優(yōu)點(diǎn)，其在光纖傳感系統(tǒng)、光纖激光系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力受到了廣泛重視。這種濾波器由單模或少模光纖與漸變折射率多模光纖組成，其實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波機(jī)制非常簡(jiǎn)單，模式之間的干擾效應(yīng)使之可以用作頻譜濾波器。A.Castillo-Guzman等人［7］基于多模干涉效應(yīng)的可調(diào)濾波器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形腔制造可調(diào)諧摻鉺光纖激光器，獲得了從1 549～1 609 nm的60 nm調(diào)諧范圍，信噪比為40 dB。Selvas R等人［8］通過(guò)將一根單模光纖的一端拼接到有源雙包層光纖，將單模光纖的另一端拼接到長(zhǎng)度為15 mm的105/125多模光纖上來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。使用此原理，可調(diào)諧光纖激光器顯示出8 nm的可調(diào)諧性，范圍從1 088～1 097 nm，輸出功率為500 mW。

多模光纖激光器也滿足提高通信傳輸容量的要求。近年來(lái)對(duì)多模光纖激光器的研究主要為高階模激光器及多模鎖模激光器。具有穩(wěn)定橫模輸出的光纖激光器在模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)上的潛在應(yīng)用是人們普遍期待和研究的。研究人員對(duì)多模光纖中非線性動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了一系列現(xiàn)象［9］。少模光纖激光器還提供了一種直接產(chǎn)生具有高效率和模態(tài)純度的高階模光束的新方法。他們還為研究非線性波傳播、高功率光纖激光器和隨機(jī)激光器開辟了新的方向。

使用模式選擇耦合器、少模光纖光柵、橫向偏移拼接技術(shù)、雙包層光纖［10］都能夠產(chǎn)生高階模式或多個(gè)模式。MAO等人［11］演示了一種插入損耗為0.36 dB基于錐形單模和雙模光纖的模式耦合器，并在1 550 nm處實(shí)現(xiàn)了全光纖圓柱矢量激光器。在時(shí)域上連續(xù)波、調(diào)Q和鎖模狀態(tài)之間的操作是可控的。在38～58 mW的泵浦范圍內(nèi)，調(diào)Q脈沖的徑向/方位角偏振的持續(xù)時(shí)間從10.4/10.8 μs到 6/6.4 μs，鎖模脈沖的持續(xù)時(shí)間從39.2/31.9 ps到 5.6/5.2 ps。Shen 等人［12］實(shí)驗(yàn)證明了一種具有LP11橫模輸出的可切換窄線寬單縱模摻鉺光纖環(huán)形激光器。激光器可以在兩個(gè)特定波長(zhǎng)下提供LP11橫模輸出的窄線寬單縱模。每個(gè)波長(zhǎng)的20 dB線寬約為7.2 KHz和6.4 KHz。WANG等人［13］實(shí)驗(yàn)證明了兩種在激光腔內(nèi)具有高階模振蕩的全少模光纖環(huán)形激光器。一種是輸出可調(diào)諧光學(xué)渦旋光束的可切換波長(zhǎng)全少模光纖激光器。

關(guān)于多模鎖模激光器的研究也在快速發(fā)展。HAN等人［14］報(bào)道了基于光纖布拉格光柵的多模振蕩調(diào)Q摻鉺光纖激光器。實(shí)現(xiàn)了LP01和LP11混合模式輸出，脈沖寬度為6.2 μs，脈沖間隔為61 μs，重復(fù)頻率為 17 kHz。DING等人［15］報(bào)道了時(shí)空鎖模多孤子多模光纖激光器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括多模諧波鎖模和多脈沖。輸出脈沖間隔為8.2 ns，重復(fù)頻率為121.6 MHz，信噪比約為50 dB。U?UR TE?IN 等人［16］報(bào)道了第一個(gè)基于多模干涉濾波的全光纖時(shí)空鎖模激光器。該激光器在1 036 nm處產(chǎn)生耗散孤子脈沖，平均功率為12 mW，持續(xù)時(shí)間為6.24 ps，重復(fù)頻率為24.3 MHz。

本實(shí)驗(yàn)組提出并實(shí)現(xiàn)使用多模干涉濾波器的基于少模摻鉺光纖的多模式振蕩多波長(zhǎng)光纖激光器。通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可調(diào)性。這將有助于進(jìn)一步提高光纖傳輸?shù)娜萘亢吞岣邔?duì)多維激光的非線性動(dòng)力學(xué)的理解。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)組提出的基于少模摻鉺光纖的多模式振蕩多波長(zhǎng)光纖激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此激光器采用中心波長(zhǎng)976 nm的多模激光器（MCMPL-976）作為泵浦源提供激勵(lì)，泵浦光首先通過(guò)準(zhǔn)直器將激光準(zhǔn)直進(jìn)空間，然后通過(guò)短波通二向色鏡后被顯微物鏡（PLL 20X）耦合進(jìn)5.5 m長(zhǎng)的少模摻鉺光纖中放大產(chǎn)生1.5 μm波段的光，對(duì)少模摻鉺光纖的增益譜進(jìn)行測(cè)量，可發(fā)現(xiàn)其背向增益功率較高，因此選擇使用增益光纖的背向譜。少模摻鉺光纖連接少模漸變型光纖后與多模偏振控制器連接，偏振控制器的作用為調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)偏振態(tài)，并實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激光的產(chǎn)生，偏振無(wú)關(guān)光隔離器的作用為保證諧振腔內(nèi)激光的單向傳輸，其兩端尾纖均為多模光纖。激光在偏振無(wú)關(guān)光隔離器的作用下，在環(huán)形腔中沿逆時(shí)針方向傳輸。一個(gè)50/50分光棱鏡，一端作為激光輸出端，另一端用于反饋經(jīng)短波通二向色鏡的反射進(jìn)入顯微物鏡后在腔內(nèi)循環(huán)，分光棱鏡輸出端的光經(jīng)準(zhǔn)直器耦合進(jìn)少模光纖后輸入到光譜分析儀（ANRITSU MS9710B）測(cè)量輸出光譜。使用光束質(zhì)量分析儀（CinCam CMOS-1201-IR）觀測(cè)激光器輸出光束輪廓。

圖1 基于少模摻鉺光纖的多模式振蕩多波長(zhǎng)光纖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 少模光纖

此實(shí)驗(yàn)共使用兩種少模光纖，一種是少模摻鉺光纖，另一種是漸變型無(wú)源少模光纖。所使用少模摻鉺光纖橫截面如圖2（a）所示。纖芯半徑為8 μm，該光纖為標(biāo)準(zhǔn)階躍型折射率分布，纖芯的折射率為1.445 7，包層的折射率為1.437 8。在折射率階躍型分布的少模摻鉺光纖中，通過(guò)改變鉺離子的分布實(shí)現(xiàn)增益均衡。該光纖中離子呈現(xiàn)雙層分布，光纖中鉺離子及折射率沿半徑方向的分布情況，如圖2（b）所示，光纖纖芯中部的離子濃度為 2.6×1024m-3，周圍為 4.6×1024m-3。提高纖芯外部的鉺離子濃度，是實(shí)現(xiàn)高階模式放大的有效途徑。根據(jù)計(jì)算，此光纖支持6個(gè)空間模式（包含簡(jiǎn)并模），分別是 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02模式［17］。使用此少模摻鉺光纖測(cè)量的增益譜結(jié)果如圖3所示，可觀察到1 560 nm處的增益最大。

圖2 少模摻鉺光纖示意圖

圖3 多模泵浦少模摻鉺光纖正向增益譜

所使用的漸變型無(wú)源少模光纖纖芯直徑為23 μm，支持四種模式（LP01，LP11，LP21，LP02）各模式色散依次為 21.4ps/(nm?km)、21ps/(nm?km)、21.6ps/(nm?km)、22ps/(nm?km)，衰減系數(shù) ≤0.21 dB/km。如圖4所示為實(shí)驗(yàn)中使用的漸變型無(wú)源少模光纖支持的LP模式的光強(qiáng)分布情況。從圖中可看出光纖中各個(gè)模式的光場(chǎng)分布，不同模式下光場(chǎng)分布情況截然不同。

圖4 漸變型少模光纖中 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02空間模式光場(chǎng)強(qiáng)度的空間分布圖

1.3 多模干涉濾波器

當(dāng)任意的光信號(hào)耦合進(jìn)入多模光纖后，會(huì)在光纖內(nèi)激勵(lì)產(chǎn)生若干高階模式。在多模光纖的不同位置，激勵(lì)的模式進(jìn)行干涉疊加，產(chǎn)生不同的光能量分布，該現(xiàn)象被稱為光纖中的多模干涉效應(yīng)。多模干涉效應(yīng)與傳輸?shù)墓庑盘?hào)波長(zhǎng)相關(guān)，不同波長(zhǎng)光在同一多模光纖中多模干涉結(jié)果各不相同，基于該效應(yīng)可制成全光纖濾波器。

多模干涉濾波器的濾波峰值可以通過(guò)改變多模光纖折射率、纖芯直徑、光纖長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。將一段多模光纖部分纏繞在三環(huán)式偏振控制器中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振控制器的各個(gè)環(huán)改變對(duì)多模光纖施加的應(yīng)力，從而改變多模光纖的有效長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)多模光纖濾波器透射譜波長(zhǎng)的變化。將該多模干涉結(jié)構(gòu)與少模摻鉺光纖相連，其透射譜如圖5所示，從圖中可以看出，連接多模干涉結(jié)構(gòu)后光譜有明顯的變化，其中有多個(gè)波長(zhǎng)被激發(fā)。

圖5 多模干涉結(jié)構(gòu)透射譜

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)中由于偏振控制器是連續(xù)可調(diào)的，所以通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器就可以使環(huán)形腔內(nèi)的損耗發(fā)生改變，從而控制不同波長(zhǎng)激光的增益與損耗。通過(guò)逐漸增加泵浦功率并調(diào)整偏振控制器，可以記錄輸出功率及其相應(yīng)的狀態(tài)，輸出功率隨泵浦功率變化的曲線如圖6所示。

圖6 輸出功率隨泵浦功率變化的曲線

激光在0～2.67 W的泵浦功率范圍內(nèi)未振蕩產(chǎn)生激光，當(dāng)泵浦功率大于2.67 W時(shí)，輸出變?yōu)檫B續(xù)光的第一種狀態(tài)；當(dāng)泵浦功率在2.9～3 W之間時(shí)，輸出變?yōu)檫B續(xù)光的第二種狀態(tài)；當(dāng)泵浦功率在3～3.2 W之間時(shí)，輸出變?yōu)檫B續(xù)光的第三種狀態(tài)。由于激光腔中空間結(jié)構(gòu)的存在，其中準(zhǔn)直器和少模摻鉺光纖之間的耦合方式是通過(guò)20倍顯微物鏡聚焦后耦合進(jìn)少模摻鉺光纖。聚焦后的光斑尺寸小于1 mm，明顯大于少模摻鉺光纖的直徑（16 μm），部分泵浦在耦合過(guò)程中被損耗掉。激光經(jīng)過(guò)少模光纖進(jìn)入多模光纖時(shí)由于纖芯直徑的差距較大，同樣會(huì)導(dǎo)致大量的功率損耗。因此輸出功率與泵浦功率的關(guān)系曲線的斜率效率僅為0.538%。

2.2 單波長(zhǎng)可調(diào)諧結(jié)果及光束輪廓分析

在實(shí)驗(yàn)中將輸入光功率調(diào)至2.75 W，在多模光纖濾波器透射譜峰值處得到了穩(wěn)定的單波長(zhǎng)激光輸出，通過(guò)光譜分析儀測(cè)量激光器輸出光譜，結(jié)果如圖7（a）所示?？梢钥吹酱藭r(shí)激光器產(chǎn)生的是單波長(zhǎng)激光，少模摻鉺光纖的長(zhǎng)度增加會(huì)使帶內(nèi)吸收變強(qiáng)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)減弱引起的激光器發(fā)射波長(zhǎng)紅移所以中心波長(zhǎng)為1 590.4 nm，3 dB光譜線寬約為0.08 nm，邊模抑制比（SMSR）約為38.31 dB。繼續(xù)增加泵浦功率至2.85 W時(shí)保持功率不變，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器旋轉(zhuǎn)多模干涉濾波器，得到可調(diào)諧單波長(zhǎng)激光輸出，如圖7（b）所示。

圖7 單波長(zhǎng)激光光譜

從圖7中可以看出，此時(shí)調(diào)諧范圍為1 572.12～1 599.72 nm。但無(wú)法通過(guò)這種機(jī)械式的軸旋轉(zhuǎn)精確地控制多模光纖中的模式分布，無(wú)法得到旋轉(zhuǎn)角與波長(zhǎng)之間的關(guān)系。光束輪廓在輪廓圖上顯示為光束能量分布，光束能量分布對(duì)應(yīng)于橫向模式分布，如圖8所示為基模的光束輪廓。此時(shí)測(cè)量單波長(zhǎng)激光的光束輪廓以圖9為例，與基模光束輪廓明顯不同，可以判斷出此時(shí)的單波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光中不僅含有基模光，而是多個(gè)橫向模式的混合狀態(tài)。

圖8 基模光束輪廓圖

圖9 單波長(zhǎng)輸出光束輪廓圖

光纖激光器的一個(gè)重要指標(biāo)就是穩(wěn)定性，穩(wěn)定性越好越能在各個(gè)領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。在輸入泵浦功率為2.85 W時(shí)，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了10分鐘的測(cè)試。使用光功率計(jì)每隔30秒測(cè)量一次輸出功率，測(cè)量結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，激光輸出功率的波動(dòng)范圍為±1.1 dB，其功率波動(dòng)的主要原因是空間成分的耦合和環(huán)境溫度的變化。使用光譜儀每隔2分鐘測(cè)量一次光譜，測(cè)量結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出由于空間耦合部分受溫度等因素影響較大，所以測(cè)得的光譜功率會(huì)有所變化，但中心波長(zhǎng)基本保持不變。整體來(lái)看，此條件下的輸出激光較為穩(wěn)定。

圖10 激光輸出特性的功率穩(wěn)定性

圖11 激光輸出特性的光譜穩(wěn)定性

2.3 多波長(zhǎng)可調(diào)諧結(jié)果及光束輪廓分析

在相同的外界條件下，繼續(xù)增加泵浦功率至2.9 W時(shí)，得到了雙波長(zhǎng)的激光輸出，保持功率不變，調(diào)節(jié)偏振控制器旋轉(zhuǎn)角度，可以獲得不同的雙波長(zhǎng)輸出，從而實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光的可調(diào)諧。測(cè)量四組光譜，如圖12所示。調(diào)諧范圍為1 574.24～1 598.3 nm，波長(zhǎng)間隔分別為13.2 nm、23.3 nm、10 nm、20.76 nm。測(cè)量的激光的光束輪廓以圖13為例，與基模光束的明顯不同可以判斷出此時(shí)的雙波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光是多個(gè)橫向模式的混合狀態(tài)。當(dāng)泵浦功率上升到3 W時(shí)，還能觀測(cè)到三波長(zhǎng)激光，如圖14所示，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器而改變環(huán)形腔內(nèi)損耗，可以觀察到不同的三波長(zhǎng)現(xiàn)象，調(diào)諧范圍為1 574.54～1 599.02 nm。光束輪廓圖如圖15所示，三波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光中同樣為多個(gè)橫向模式混合狀態(tài)。

圖12 雙波長(zhǎng)輸出光譜

圖13 雙波長(zhǎng)輸出光束輪廓圖

圖14 三波長(zhǎng)輸出光譜

圖15 三波長(zhǎng)輸出光束輪廓圖

3 結(jié)論

使用支持六個(gè)模式（LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b，LP02）的少模摻鉺光纖作為增益介質(zhì)放大產(chǎn)生1.5 μm波段各模式增益均衡多模光，通過(guò)少模光纖-多模光纖-少模光纖制成的多模干涉濾波器實(shí)現(xiàn)了單波長(zhǎng)可調(diào)諧多模激光及多波長(zhǎng)可調(diào)諧多模激光輸出。在2.75 W的泵浦功率時(shí)激光輸出為單波長(zhǎng)，以某一測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，其中心波長(zhǎng)為1 590.4 nm，激光線寬0.08 nm，激光器的邊模抑制比為38.31 dB，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)調(diào)節(jié)偏振態(tài)，得到單波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍為1 572.12～1 599.72 nm。增加泵浦功率還可得到雙波長(zhǎng)多模激光，調(diào)整偏振控制器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧，調(diào)諧范圍為1 574.24～1 598.3 nm。繼續(xù)改變功率及偏振控制器還可以得到三波長(zhǎng)多模激光。在之后的實(shí)驗(yàn)中搭建全光纖結(jié)構(gòu)的多模光纖激光器將提高激光效率。對(duì)多模式振蕩多波長(zhǎng)激光器的研究將提高人們對(duì)多維激光的時(shí)空動(dòng)力學(xué)的理解。