張華得，高曦倫，沈永行

（1 浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310027）

（2 現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

0 引言

單頻光纖激光器和多波長光纖激光器是光纖激光器的兩個重要研究方向，多波長的單頻光纖激光器因能同時實(shí)現(xiàn)多個不同波長的單頻激光輸出，具有重要的應(yīng)用前景。這類激光器輸出的激光具有很好的單色性，從而擁有相干長度長、噪聲系數(shù)低等優(yōu)勢，使其在光纖通信、光纖傳感、激光雷達(dá)、高精度激光測量等領(lǐng)域應(yīng)用潛力大［1-3］。根據(jù)諧振腔結(jié)構(gòu)的不同，實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出的主要方法包括分布反饋（Distributed Feedback，DFB）腔［4］、分布布拉格（Distributed Bragg Reflection，DBR）腔［5］和環(huán)形腔［6］。DFB腔和DBR腔都是線性腔，利用超短的腔長得到超寬的縱模間隔，從而實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出。線性短腔存在空間燒孔效應(yīng)，且不易通過插入其他光學(xué)器件來改善輸出光的性能。采用行波腔結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔可以避免空間燒孔效應(yīng)的產(chǎn)生，且較長的腔長使得可以采用較長的增益光纖，從而有效提高激光輸出功率。目前環(huán)形腔常用的線寬壓縮技術(shù)有特殊濾波器法［7］、復(fù)合腔法［8］和可飽和吸收體（Saturable Absorber，SA）法［9］。其中特殊濾波器價格昂貴，而復(fù)合腔法則需要通過游標(biāo)效應(yīng)來精細(xì)設(shè)計(jì)主腔和各個子腔的長度，很容易受到溫度和振動等干擾，使得輸出的單頻激光較不穩(wěn)定。相對而言，采用飽和吸收體的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)工作較為靈活，但容易產(chǎn)生弛豫振蕩。因?yàn)榄h(huán)形腔結(jié)構(gòu)可輸出不同波長的激光，結(jié)構(gòu)緊湊且成本低，是多波長激光雷達(dá)和激光傳感的理想選擇，在太赫茲、微波光子學(xué)等領(lǐng)域也有廣闊的前景［10-12］。如以多波長單頻光纖激光器作為探測光源，測距精度可達(dá)納米級別，并能實(shí)現(xiàn)更寬范圍的激光探測需求［13］。近年來，基于環(huán)形腔的多波長單頻光纖激光器引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。

2008年，PAN S等利用一個光纖法布里-珀羅（Fiber Fabry-Perot， FFP）濾波器結(jié)合環(huán)形腔實(shí)現(xiàn)了波長間隔為0.3 nm的雙波長單頻光纖激光輸出［14］。2014年，ZHU L等利用兩個光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating， FBG）串聯(lián)濾波，并利用未泵浦的增益光纖作為可飽和吸收體和增益均衡效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了1 540 nm和1 545 nm的雙波長單頻激光輸出［15］。2016年，ZHU T等利用FBG作為濾波器件，通過在腔中加入一段錐形光纖，得到1 530 nm和1 550 nm兩個波長處的單頻激光輸出，線寬約為700 Hz［16］。2018年，LIU J等采用FBG作為波長選擇元件，多層黑鱗薄片作為SA，得到了波長間距為0.8 nm的雙波長單頻激光輸出［17］。2021年，WEN Q等利用MXene QDs作為SA，相移光纖布拉格光柵（Phase-Shifted FBG， PS-FBG）結(jié)合FBG作為波長選擇元件，最終得到了線寬分別為473.5 Hz和531 Hz的雙頻激光輸出［18］。此類研究大多采用特殊的昂貴光纖器件或材料，往往導(dǎo)致較高的實(shí)驗(yàn)成本；或是依賴于精細(xì)的偏振控制和增益均衡控制，其復(fù)雜的調(diào)節(jié)控制過程使得激光器的應(yīng)用受到限制。

針對上述不足，本文報道了一種環(huán)形腔結(jié)構(gòu)雙波長單頻摻餌光纖激光器，在不引入偏振控制和不使用特殊偏振器件的前提下，利用標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)的FFP濾波器結(jié)合FBG來實(shí)現(xiàn)激光腔的高穩(wěn)定波長選擇，并利用未泵浦摻餌光纖作為SA，通過SA中自組織光柵的窄帶濾波特性實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

圖1為雙波長單頻光纖激光器原理結(jié)構(gòu)。激光諧振腔中，兩個半導(dǎo)體激光器（Laser Diode， LD）作為諧振腔的泵浦源，通過980/1550波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer， WDM）的980端口進(jìn)入諧振腔內(nèi)，通過反向泵浦的方式注入作為增益介質(zhì)的兩段摻餌光纖（Erbium-doped Fiber，EDF）中，其中EDF1的長度為10 m， EDF2的長度為8 m。兩個子腔中產(chǎn)生的激光通過光纖環(huán)行器（Optical Circulator， OC）實(shí)現(xiàn)了互不干擾。由于環(huán)形器的反向隔離度（如3端口的光傳輸?shù)?端口的損耗）大于40 dB，可以有效保證兩個波長的激光在腔內(nèi)的單向傳輸。兩個耦合比為50/50的光纖耦合器（Optical Coupler）用于激光能量輸出。

圖1 雙波長單頻光纖激光器原理結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental setup of the dual-wavelength single-frequency fiber laser

實(shí)驗(yàn)采用FBG結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)FFP濾波器的方式進(jìn)行波長選擇和初步的波長穩(wěn)定。其中FBG1的測試中心波長為1 570.23 nm，反射率為99.94%，3 dB帶寬為0.46 nm，邊模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，SMSR）為28 dB。FBG2的測試中心波長為1 548.53 nm，反射率為93.2%，3 dB帶寬為0.25 nm，SMSR為19 dB。標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)FFP濾波器的梳狀透射譜特性可以用自由光譜范圍（Free Spectral Range，F(xiàn)SR）和半高全寬（Full-Width Half Maximum，F(xiàn)WHM）、精細(xì)度（Fineness，F(xiàn)）和插入損耗等參數(shù)來描述。FFP的存在可以保證所產(chǎn)生的激光波長穩(wěn)定在單個透射峰范圍內(nèi)，并且有效抑制跳模，實(shí)現(xiàn)波長的初步穩(wěn)定。用較大FSR的FFP濾波器有利于結(jié)合FBG進(jìn)行激光波長選擇，較低的損耗則有利于降低激光器的閾值。因此，采用一個FSR為100 GHz的FFP，其最大插入損耗約為2.14 dB，單個透射峰的3 dB帶寬約為0.056 nm。

用未泵浦的摻餌光纖作為可飽和吸收體來實(shí)現(xiàn)激光的單縱模輸出。如圖1所示，當(dāng)產(chǎn)生的信號光通過環(huán)形器2端口進(jìn)入未泵浦的摻餌光纖后，會被FBG反射，正反兩個方向傳播的光場會在這段光纖中產(chǎn)生駐波干涉，形成干涉光強(qiáng)的周期性分布，導(dǎo)致光纖中周期性的吸收系數(shù)變化，從而產(chǎn)生周期性的折射率分布，形成自追蹤動態(tài)光柵。因?yàn)樗憩F(xiàn)為損耗（或增益）呈周期性變化的空間分布，通常又稱為增益光柵。增益光柵不僅能實(shí)現(xiàn)縱模的有效選擇，而且能有效抑制跳模，使光纖激光器獲得穩(wěn)定的單縱模輸出［19］。通過SA產(chǎn)生的自追蹤動態(tài)光柵均具有窄帶的濾波效應(yīng)，有非常好的模式選擇特性，能有效地消除多縱模振蕩，是產(chǎn)生單縱模激光輸出的一種有效方法。實(shí)驗(yàn)選用的SA1長度為8.9 m，在1 570 nm處的吸收系數(shù)約為0.87 dB/m；SA2長度為5.5 m，在1 550 nm處的吸收系數(shù)約為0.34 dB/m。

實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的單縱模選取過程為：在環(huán)形腔中先通過FBG和FFP進(jìn)行波長的初步選擇，F(xiàn)FP會有效抑制跳模，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然后通過SA形成的自追蹤動態(tài)光柵實(shí)現(xiàn)單縱模激光的輸出。實(shí)驗(yàn)具體的單縱模選取過程原理如圖2所示。以產(chǎn)生1 548 nm處單頻激光的諧振腔為例來說明。實(shí)驗(yàn)中此子腔的縱模間隔約為5 MHz，F(xiàn)BG的3 dB帶寬約為31 GHz，F(xiàn)FP的3 dB帶寬約為7 GHz。因?yàn)镕FP的自由光譜范圍為100 GHz，大于FBG的3 dB帶寬，從而可以有效保證只會在一個FFP透射峰中產(chǎn)生激光，防止跳模。最后通過SA的窄帶濾波特性，只要SA形成的動態(tài)光柵的帶寬小于腔縱模間隔，便可以選出單縱模，從而形成單頻激光的輸出。

圖2 單縱模選取原理示意圖Fig.1 Schematic of single longitudinal mode selection principle

最終能否形成單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)鍵要看由未泵浦的摻餌光纖作為可飽和吸收體所形成的動態(tài)光柵的帶寬能否小于諧振腔的縱模間隔。從定量角度分析，計(jì)算可飽和吸收體中所形成的動態(tài)光柵的帶寬表達(dá)式為［20］

式中，Δn為折射率的周期性空間變化；neff為有效折射率；λ為光柵中最大反射處中心波長；LSA為飽和吸收體長度；κg為動態(tài)光柵的耦合系數(shù)，可表示為

實(shí)驗(yàn)中λ約為1 548 nm，neff約為1.45，LSA約為5.5 m。經(jīng)過估算得出實(shí)驗(yàn)中未泵浦的摻餌光纖作為可飽和吸收體形成的動態(tài)光柵帶寬小于5 MHz，即小于諧振腔的縱模間隔，因此可以保證單縱模的選取。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輸出激光的功率和光譜特性

實(shí)驗(yàn)中通過改變泵浦功率來測量激光輸出端口的功率以分析輸出激光的功率特性。圖3（a）和（b）分別為實(shí)驗(yàn)測得的兩個輸出激光的工作閾值、斜效率曲線以及單頻工作區(qū)域。其中散點(diǎn)是實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，斜效率特性由擬合后的直線來表征。實(shí)驗(yàn)過程中泵浦功率從0 mW開始逐漸增加，當(dāng)LD1的泵浦功率增加至58 mW，LD2的泵浦功率增加至138 mW時，可以從光譜上看見輸出激光已經(jīng)達(dá)到閾值并起振，得到中心波長分別為1 569.97 nm和1 548.06 nm的激光輸出。此時兩個輸出激光的功率分別為4.2 mW和10.1 mW。由于摻餌光纖的增益譜特性，盡管不同縱模間存在增益競爭，但是隨著泵浦功率的提高，增益能達(dá)到閾值的縱模數(shù)量會隨之增加，此時由于增益過高，可能會使得通過SA后，除主模外的其余邊模也會產(chǎn)生振蕩，最終產(chǎn)生多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在激光起振后，通過改變泵浦功率并觀察輸出激光的單頻性能，得到輸出激光的單頻工作區(qū)域。在可以維持單頻性能的前提下，實(shí)驗(yàn)得到的1 570 nm和1 548 nm處激光的輸出功率范圍分別為2.6～26.8 mW和1.9～5.7 mW。從圖3可以看出1 548 nm處的閾值點(diǎn)高于其最大單頻工作點(diǎn)，因此在激光起振后，通過緩慢降低泵浦功率并實(shí)時監(jiān)測其單頻性得到了單頻工作區(qū)域。而1 570 nm處的閾值點(diǎn)處于其單頻工作區(qū)域中，這一方面是由于在1 548 nm和1 570 nm處摻餌光纖的增益系數(shù)和吸收系數(shù)不同，另一方面是針對兩個子腔使用了不同種類的增益光纖和未泵浦的摻餌光纖，使得兩激光波長處的輸出功率、斜效率和單頻工作區(qū)域有一定差別。

圖3 輸出激光的功率特性Fig.3 Power characteristic of output laser

實(shí)驗(yàn)中通過分辨率為0.01 nm的光譜分析儀（OSA，ANDO，AQ6317C）采集該激光器的輸出光譜。圖4（a）是LD1的泵浦功率為104 mW時1 570 nm激光的輸出光譜，圖4（b）是LD2的泵浦功率為83 mW時1 548 nm激光的輸出光譜。從圖4可以看出，輸出激光的信噪比（Optical Signal to Noise Ratio， OSNR）分別為58 dBm和55 dBm，表明該激光器諧振腔具有較高的品質(zhì)因數(shù)和良好的模式選擇能力。

圖4 激光器的輸出光譜Fig.4 Typical output spectrum of laser

2.2 輸出激光的穩(wěn)定性

單頻激光輸出的穩(wěn)定性包括波長穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性，是表征單頻激光性能的重要指標(biāo)。為了測量搭建的激光器輸出單頻激光的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中在打開激光器半小時后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每間隔10 min采集一次光譜并記錄輸出激光的功率。

圖5（a）和（b）分別是1 570 nm激光和1 548 nm激光每間隔10 min采集的穩(wěn)定光譜掃描圖。連續(xù)10次掃描的光譜形狀未見明顯改變，中心波長未見明顯飄移。因?yàn)楣庾V儀的分辨率為0.01 nm，而實(shí)驗(yàn)中連續(xù)采集10次光譜的中心波長都為1 569.97 nm和1 548.06 nm，可以表明輸出的兩個波長的單頻激光都有良好的波長穩(wěn)定性。圖5（c）和（d）分別是104 mW泵浦功率下產(chǎn)生的1 570 nm激光和83 mW泵浦功率下產(chǎn)生的1 548 nm激光的輸出激光功率波動圖?？梢钥闯?，1 570 nm激光的輸出功率波動為0.01 dBm，1 548 nm激光的輸出功率波動為0.02 dBm，表明輸出的兩個波長的單頻激光都有良好的功率穩(wěn)定性，證明了所采用的雙波長單頻激光制作方法能很好地避免兩個波長之間激光的互相干擾，輸出激光有很好的工作穩(wěn)定性。

圖5 光譜和輸出功率隨時間的變化Fig.5 Spectral and output power variation with time

2.3 輸出激光的線寬特性

輸出激光的線寬是單頻光纖激光器的一個重要性能表征參量。實(shí)驗(yàn)中采用基于馬赫-曾德爾干涉儀的延時非零自外差法［21］測量輸出激光的線寬。實(shí)驗(yàn)中移頻器件采用工作中心頻率在100 MHz的光纖聲光調(diào)制器（Acoustic Optical Modulator，AOM），延時光纖使用40 km的普通單模光纖，輸出光通過該測量系統(tǒng)后通過頻譜分析儀來觀察拍頻譜線。由于延時光纖長度有限，并且該測量系統(tǒng)對環(huán)境較敏感，所得的拍頻譜線難以和洛倫茲線型完全擬合，但其對測量結(jié)果的影響不大，最終處理數(shù)據(jù)時仍然可以將拍頻譜線近似成洛倫茲線型。

實(shí)驗(yàn)中當(dāng)頻譜儀設(shè)置的中心頻率為100 MHz、掃描范圍為200 MHz時，連續(xù)數(shù)十分鐘內(nèi)觀察頻譜圖中除了中心頻率外沒有任何拍頻信號存在，表明此時輸出激光處于良好的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在此前提下采集頻譜儀顯示的拍頻譜線數(shù)據(jù)。圖6（a）和（b）分別是104 mW泵浦功率產(chǎn)生的1 570 nm激光和83 mW泵浦功率產(chǎn)生的1 548 nm激光在通過延時非零自外差系統(tǒng)后測得的拍頻譜線。通過各自的拍頻譜線擬合成洛倫茲曲線來計(jì)算輸出激光的線寬。輸出激光的線寬大小可以由擬合的洛倫茲線型的?20 dB帶寬得到。圖6（a）和（b）的?20 dB帶寬分別為4.58 kHz和4.45 kHz，因此可以得到輸出的1 570 nm激光的線寬約為230.2 Hz，1 548 nm激光的線寬約為223.6 Hz。該線寬值表明輸出的雙波長激光有很好的激光單頻特性。

圖6 輸出激光的線寬特性Fig.6 Linewidth characteristics of the output laser

3 結(jié)論

本文基于標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)構(gòu)的FFP濾波器結(jié)合FBG實(shí)現(xiàn)波長選擇和初步穩(wěn)定，進(jìn)一步利用未泵浦摻餌光纖作為可飽和吸收體來實(shí)現(xiàn)兩個波長處的穩(wěn)定單縱模激光振蕩。實(shí)驗(yàn)最終獲得了1 570 nm處和1 548 nm處穩(wěn)定的雙波長單頻激光輸出。激光起振后，當(dāng)泵浦功率分別調(diào)節(jié)至104 mW和83 mW時，在1 570 nm和1 548 nm處分別獲得了輸出功率為10.3 mW和4.7 mW、OSNR分別為58 dB和55 dB的單頻激光輸出。實(shí)驗(yàn)測得輸出激光有良好的斜效率。由于在1 570 nm和1 548 nm處摻餌光纖的增益系數(shù)和吸收系數(shù)有顯著差別，實(shí)驗(yàn)得到1 570 nm和1 548 nm激光輸出的斜效率、閾值點(diǎn)和單頻工作區(qū)域都有較為明顯的差別。實(shí)驗(yàn)表明輸出激光具有良好的波長穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性。采用延時非零自外差法測得1 570 nm和1 548 nm輸出激光的線寬分別約為230.2 Hz和223.6 Hz，表明輸出激光有良好的單頻性能。該激光器采用偏振不敏感器件，不需要復(fù)雜的偏振控制，并且可以通過改變FBG靈活改變輸出激光的波長，輸出激光有較窄的線寬和良好的工作穩(wěn)定性。