陳雨君, 姚波, 劉昊煒, 魏珊珊, 毛慶和?

(1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 230026;2 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所光子器件與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230031)

0 引 言

2μm 波段單縱模、窄線(xiàn)寬光纖激光器在高分辨光譜[1]、大氣環(huán)境探測(cè)[2,3]、量子信息[4]以及非線(xiàn)性頻率變換[5]等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用,其主要有分布反饋(DFB)[6,7]、分布布拉格反射(DBR)[8,9]以及環(huán)形腔[10,11]等基本結(jié)構(gòu)。其中,DBR 型結(jié)構(gòu)具有單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì),應(yīng)用最為廣泛[12]。早期,受石英玻璃單模摻銩光纖摻雜濃度低的限制,DBR 型2μm 波段單縱模光纖激光器中均采用雙包層增益光纖[13,14],與DBR 腔中光纖Bragg 光柵(FBG)之間難以實(shí)現(xiàn)高效耦合,造成了泵浦閾值高、泵浦功率高、轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題。為此,人們通過(guò)采用多組分玻璃光纖技術(shù)來(lái)提升單模摻銩光纖的摻雜濃度,進(jìn)而使得允許采用單模摻銩光纖來(lái)構(gòu)建2μm 波段DBR 單縱模光纖激光器,降低了對(duì)泵浦功率的要求,轉(zhuǎn)換效率也獲得了明顯提升[15]。但是,多組分玻璃光纖存在與傳統(tǒng)石英玻璃光纖熔接損耗大、熔接點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度差等不足,制約了多組分玻璃單模摻銩光纖激光器的實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái),基于石英玻璃基質(zhì)的單模摻銩光纖的摻雜濃度已得到了很大提高,793 nm 和1610 nm 泵浦帶的吸收已分別可達(dá)27 dB/m 和16 dB/m[16],這使人們又重新采用這種石英玻璃單模摻銩光纖來(lái)構(gòu)建2μm 波段DBR 單縱模光纖激光器。2021 年,Zhang 等[17]采用196 mW 的786 nm 半導(dǎo)體激光器泵浦,基于石英玻璃的單模摻銩光纖構(gòu)建了1989 nm 處輸出功率達(dá)13 mW 的DBR 單縱模光纖激光器。盡管如此,這類(lèi)摻銩光纖激光器依然存在泵浦閾值偏高、泵浦效率偏低等缺點(diǎn),特別是具有頻率調(diào)諧功能的單縱模光纖激光器還未見(jiàn)報(bào)道。

本文報(bào)道了一種具有頻率調(diào)諧功能的2μm 波段DBR 型單縱模光纖激光器。采用石英玻璃單模摻銩光纖和793 nm 半導(dǎo)體激光器泵浦源,通過(guò)兩次封裝和TEC 精密溫控將所有光電器件集成在1U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱內(nèi),構(gòu)成了激光器樣機(jī)。該樣機(jī)可通過(guò)內(nèi)置壓電陶瓷(PZT)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率的快速調(diào)諧,還可通過(guò)TEC 精密溫控實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率的大范圍調(diào)諧,單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)輸出功率為18.2 mW,泵浦轉(zhuǎn)換效率為27%。

1 激光器結(jié)構(gòu)

圖1(a)為所設(shè)計(jì)研制的2μm 波段DBR 型單縱模光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖。所用增益光纖為石英玻璃單模摻銩光纖(TDSF),其數(shù)值孔徑、纖芯直徑和吸收系數(shù)分別為0.24、5.5μm 和900 dB/m@793 nm。該TDSF 兩端分別與具有不同反射特性的一對(duì)FBGs 相熔接,構(gòu)成DBR 型光纖諧振腔。其中,高反射率FBG(HR-FBG)的中心波長(zhǎng)、反射率、3 dB 帶寬和柵區(qū)長(zhǎng)度分別為1942.7 nm、99.9%、0.33 nm 和30 mm,由與增益光纖模場(chǎng)相匹配的石英單模光纖刻寫(xiě)而成;低反射率FBG(LR-FBG)由保偏單模匹配光纖刻寫(xiě),用作激光耦合輸出,其反射率、3 dB 帶寬和柵區(qū)長(zhǎng)度分別為70%、0.07 nm 和25 mm。由于雙折射效應(yīng),該LR-FBG 快慢軸反射中心波長(zhǎng)不同,通過(guò)將慢軸中心波長(zhǎng)選擇為1942.675 nm,使其處在HR-FBG反射帶的邊緣,就可使得LR-FBG 快軸反射波長(zhǎng)處在HR-FBG 反射帶之外,進(jìn)而構(gòu)建出線(xiàn)偏振DBR 光纖諧振腔[18]?；谶@種光纖諧振腔特性,為了保證激光器的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定并且輸出功率盡可能地高,優(yōu)化后的TDSF 長(zhǎng)度為1.4 cm。該DBR 光纖激光器由帶單模尾纖的最高輸出功率為105 mW 的793 nm激光二極管(LD)經(jīng)保偏波分復(fù)用器(PM-WDM)泵浦,產(chǎn)生的線(xiàn)偏振單縱模激光經(jīng)1950 nm 保偏隔離器(PM-ISO)后輸出,HR-FBG 尾部切割成斜8?,以抑制寄生振蕩、提高穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)單縱模激光的頻率調(diào)諧功能,采用環(huán)氧樹(shù)脂膠將壓電陶瓷(PZT)粘接在增益光纖側(cè)面,通過(guò)電控拉伸PZT,調(diào)節(jié)DBR 腔長(zhǎng),對(duì)激光頻率進(jìn)行快速調(diào)諧。同時(shí),通過(guò)物理接觸的導(dǎo)熱封裝將構(gòu)成激光器的光纖及其器件固定在黃銅熱沉盒中,再將黃銅盒二次封裝在聚四氟乙烯(PTFE)絕熱盒內(nèi)[如圖1(b)],這樣,通過(guò)半導(dǎo)體制冷器(TEC)就可對(duì)二次封裝盒內(nèi)的黃銅熱沉進(jìn)行精密溫控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率的大范圍溫度調(diào)諧。值得指出的是,這種二次封裝技術(shù)和精密溫度控制可有效抑制外部環(huán)境擾動(dòng)對(duì)激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的影響,有利于提升激光器的工作穩(wěn)定性[19]。最后,采用光電分離封裝方案,以減小電學(xué)模塊產(chǎn)熱和散熱為準(zhǔn)則,將激光器光學(xué)和電學(xué)部分集成在1U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中,集成樣機(jī)具備PZT 調(diào)諧端口以及控制溫度、泵浦的通信端口,集成樣機(jī)照片如圖1(c)所示。

圖1 (a)2μm DBR 單縱模光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖;(b)激光器PTFE 絕熱封裝實(shí)物照片;(c)激光器集成樣機(jī)照片F(xiàn)ig.1 (a)Structure diagram of the 2μm DBR single-longitudinal-mode fiber laser;(b)Photo of laser packaged by PTFE;(c)Photo of the laser prototype

2 測(cè)試結(jié)果與討論

采用兩次封裝的光纖激光器在輔以精密溫控后測(cè)得的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)極其穩(wěn)定。圖2 為利用自由光譜范圍為1.5 GHz、精細(xì)度為250 的F-P 掃描干涉儀(Thorlabs,SA200-18B)測(cè)得的激光器在25?C 控制溫度下輸出單縱模激光特性?？梢?jiàn),激光器輸出為單個(gè)縱模,并且,在提升泵浦功率或改變TEC 控制溫度的過(guò)程中,激光器均能保持穩(wěn)定的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。不僅如此,實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸出的單縱模激光為線(xiàn)偏振激光,偏振度高達(dá)24 dB。

圖2 利用F-P 掃描干涉儀測(cè)得的光纖激光器單縱模激光特性Fig.2 Single-longitudinal-mode laser characteristics of the fiber laser measured by F-P scanning interferometer

圖3(a)為在25?C 溫度控制下測(cè)得的輸出激光功率隨泵浦功率的變化。可見(jiàn),激光器的泵浦閾值低至38 mW,這得益于在激光器制作過(guò)程中,通過(guò)優(yōu)化熔接參數(shù)有效降低了熔接點(diǎn)損耗,使得腔損耗也隨之減小。當(dāng)泵浦功率為105 mW 時(shí),輸出功率達(dá)18.2 mW,對(duì)應(yīng)的泵浦轉(zhuǎn)換效率約為27%,表明該激光器具有很高的泵浦轉(zhuǎn)換效率。不僅如此,即使泵浦功率增加到可用的最大泵浦功率,輸出激光功率仍未出現(xiàn)飽和,因此,若改用更大輸出功率的泵浦源,單縱模激光輸出功率還可進(jìn)一步提升。圖3(b)為利用光譜分析儀(Yokogawa,AQ6735)測(cè)得的輸出單縱模激光光譜,其中心波長(zhǎng)為1942.86 nm,光譜寬度約為0.05 nm(受限于光譜儀的分辨率),信噪比(SNR,RSN)大于60 dB。

圖3 (a)輸出激光功率隨泵浦功率的變化趨勢(shì);(b)利用光譜分析儀測(cè)得的輸出激光光譜,插圖為光譜的局部放大圖Fig.3 (a)Variation of laser output power with pump power;(b)Output laser spectrum measured by the optical spectrum analyzer,and the inset is a partial enlarged view of the spectrum

由于激光器采用了絕熱封裝,使得TEC 控制溫度由25?C 升高至50?C 的過(guò)程中,激光中心波長(zhǎng)可從1942.86 nm 無(wú)跳模地調(diào)諧至1943.22 nm,對(duì)應(yīng)的中心頻率調(diào)諧范圍達(dá)29 GHz,圖4 為測(cè)試結(jié)果。因此,本研究所采用的DBR 單縱模光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)大范圍的頻率調(diào)諧。在25?C 的TEC 控制溫度下,通過(guò)改變施加在激光器內(nèi)置PZT 上的電壓還可以對(duì)激光頻率進(jìn)行快速調(diào)諧。圖5(a)給出了當(dāng)PZT 電壓的頻率為1 kHz、幅度為4 V 的三角波時(shí),由F-P 掃描干涉儀(Thorlabs,SA210-12B)測(cè)量獲得的激光頻率調(diào)諧特性,可見(jiàn)激光頻率在1.5 GHz 范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),當(dāng)PZT 電壓調(diào)制幅度分別為8 V和16 V 時(shí),頻率調(diào)諧分別達(dá)3.1 GHz 和5.9 GHz,即頻率調(diào)諧范圍與PZT 調(diào)諧電壓近似成線(xiàn)性關(guān)系,在1 kHz 調(diào)諧頻率下,調(diào)諧系數(shù)約為375 MHz/V。圖5(b)為當(dāng)PZT 調(diào)制電壓固定在16 V 時(shí)實(shí)測(cè)的激光頻率改變量隨調(diào)制頻率的變化,可見(jiàn),當(dāng)調(diào)制頻率小于1 kHz,頻率調(diào)諧范圍隨調(diào)制頻率增大保持6 GHz 不變;當(dāng)調(diào)制頻率大于1 kHz,由于調(diào)制速度較高,激光器腔長(zhǎng)伸縮變化已無(wú)法完全響應(yīng),因此激光頻率調(diào)諧范圍開(kāi)始緩慢下降,當(dāng)調(diào)制頻率為9 kHz 時(shí),頻率調(diào)諧范圍降到最大調(diào)諧范圍的一半,約為3 GHz,因此,基于PZT 的激光器頻率快速調(diào)諧的帶寬約為9 kHz。

圖4 輸出激光中心波長(zhǎng)隨TEC 控制溫度的變化Fig.4 Variation of the center wavelength of output laser with the TEC control temperature

圖5 (a)對(duì)PZT 施加調(diào)制頻率為1 kHz、幅度為4 V 的三角波時(shí)利用F-P 掃描干涉儀測(cè)得的激光頻率調(diào)諧特性;(b)對(duì)PZT 施加幅度為16 V 的三角波時(shí)實(shí)測(cè)的輸出激光頻率改變量隨調(diào)制頻率的變化Fig.5 (a)Laser frequency tuning characteristics measured by F-P scanning interferometer when the PZT is modulated by a triangular-wave with a frequency of 1 kHz and a voltage of 4 V;(b)Measured changes of laser frequency varies with modulation frequency when the PZT is modulated by a triangular-wave with a voltage of 16 V

3 結(jié) 論

基于石英玻璃單模摻銩光纖和793 nm 半導(dǎo)體激光泵浦源,研制了一種具有頻率調(diào)諧功能的2μm 波段DBR 型單縱模光纖激光器,并將該激光器集成為1U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的樣機(jī)。通過(guò)采用二次絕熱封裝并輔以TEC 精密溫控,使得該激光器具有優(yōu)良的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性;通過(guò)內(nèi)置PZT 實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光頻率的快速調(diào)諧,調(diào)諧范圍和調(diào)諧帶寬分別為6 GHz 和9 kHz;通過(guò)TEC 溫度控制還實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光頻率的大范圍無(wú)跳模調(diào)諧,調(diào)諧范圍達(dá)29 GHz。此外,該激光器還具有泵浦閾值低、泵浦效率高以及輸出激光信噪比高等特點(diǎn),因此,有望應(yīng)用于高分辨光譜、量子信息、非線(xiàn)性頻率變換等領(lǐng)域。