偏振耦合實現分布反饋光纖激光保偏輸出

宋志強，祁海峰，倪家升，王偉濤，郭健，姜鵬波，王昌

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 山東省科學院激光研究所,山東 濟南 250014)

相干性好是激光得以廣泛應用的顯著優(yōu)點，而線寬和偏振是影響激光相干性的兩項關鍵指標，具有窄線寬線偏振特點的激光器在激光陀螺[1-2]、光纖傳感[3-4]、相干光束合成[5-6]等領域具有重大的應用價值。線偏振窄線寬激光器一般是在窄線寬激光器的基礎上進行偏振模式控制并由保偏光纖傳輸，目前主要采取的方案有保偏光纖耦合輸出的外腔半導體激光器[7]、基于保偏光纖光柵諧振腔的分布布拉格反射(distributed Bragg reflection，DBR)光纖激光器[8]和全保偏光路的環(huán)形腔光纖激光器[9]等幾種技術。

分布反饋光纖激光器(distributed feedback fiber laser, DFB-FL)是一種固有單頻激光器，在諸多單頻激光器種類中具有最穩(wěn)定的單縱模運轉和最低的噪聲水平[10]，并且通過優(yōu)化光柵刻寫參數能夠實現穩(wěn)定的單偏振激光運轉[11]。但目前一方面未有成熟的商用保偏摻鉺光敏光纖用來直刻保偏的DFB-FL，另一方面即使采用保偏摻鉺光纖直刻，工藝上也難以保證激光偏振方向與保偏光纖光軸完全匹配。以上技術瓶頸造成現有的DFB-FL均為單模光纖結構，失去了其單線偏振運轉的技術優(yōu)點。對此，我們借鑒保偏光纖耦合輸出的外腔半導體激光器經驗，將具有單線偏振性能的DFB-FL輸出尾纖替換為保偏光纖，通過監(jiān)測激光功率和偏振消光比的變化，反饋調節(jié)DFB-FL激光偏振方向與保偏尾纖慢軸一致，低損耗熔接，從而實現DFB-FL激光的偏振模式耦合和保偏輸出。

1 技術原理

DFB-FL一般是由紫外激光在光敏摻鉺光纖上刻寫相移光纖光柵構成，光纖光柵的側面曝光工藝會導致光纖切向折射率分布不均勻，造成光纖極化，因此光纖光柵是存在雙折射效應的[12]。控制摻鉺相移光纖光柵曝光深度，進而控制光柵極化程度在合理范圍，能夠讓某一方向的偏振模具有較高的激光閾值，不能夠起振，從而使DFB-FL具有穩(wěn)定的單縱模單偏振運轉特性[13]。

DFB-FL的結構一般如圖1(a)所示，泵浦光經波分復用器(wavelength division multiplexing，WDM)進入摻鉺相移光纖光柵構成的增益介質諧振腔，在泵浦光激勵下產生單縱模線偏振激光，激光經WDM和光隔離器輸出，剩余泵浦光從摻鉺相移光纖光柵尾纖輸出。由于摻鉺相移光纖光柵的尾纖是單模光纖，激光傳輸過程中難以保持線偏振特性，經過一定傳輸距離后會退化為橢圓偏振光，并且偏振消光比極不穩(wěn)定，隨光纖彎曲扭轉狀態(tài)變化很大。

DFB-FL中激光的偏振方向是由刻寫光纖光柵時，紫外光的照射方向所決定，因此在摻鉺相移光纖光柵刻寫完成后，激光的線偏振方向是固定的，沿軸向旋轉光纖光柵，激光線偏振方向也隨之轉動。據此，可以用保偏光纖替換原有的單模尾纖，偏振模式耦合后熔接到摻鉺相移光纖光柵弱側，實現線偏振激光的保偏輸出。圖1(b)所示為DFB-FL激光偏振模式耦合輸出工作原理，泵浦光經保偏波分復用器進入保偏光纖，將摻鉺相移光纖光柵激光輸出端原單模尾纖用光纖用切割刀切除，分別將保偏光纖和摻鉺相移光纖光柵放入保偏熔接機，并進入待熔接的包層對齊狀態(tài)，后向輸出激光經保偏波分復用器和保偏隔離器輸出后由消光比測試儀(Thorlabs ERM100)和功率計(EXFO FPM-600)分別測量消光比和功率。保偏光纖工作面有快慢軸之分，而保偏隔離器一般是慢軸工作器件，保偏光纖和保偏隔離器構成檢偏器結構。當旋轉摻鉺相移光纖光柵時，隨著激光偏振方向與保偏光纖慢軸夾角的改變，輸出端激光功率和偏振消光比都會變化。只有當激光偏振方向與保偏光纖慢軸方向一致時，激光輸出功率最大且偏振消光比最穩(wěn)定，此時激光輸出偏振態(tài)為穩(wěn)定的線偏振模。

圖1 DFB-FL基本結構圖和激光偏振模式耦合原理圖Fig.1 Basic structure of DFB-FL and schematic of laser polarization mode coupling

2 實驗分析與討論

制作一支單偏振DFB-FL作為樣品進行實驗分析，采用EXFO AP2040高精度光譜儀測量其激光光譜，如圖2(a)所示。同時，為了說明利用該光譜儀0.16 pm分辨率，能夠準確區(qū)分激光是否具有單偏振模式。制作了一支雙偏振模DFB-FL進行對比，其激光光譜如圖2(b)所示，偏振模波長間隔約12 pm。一般情況下，對光纖側面曝光導致的光柵極化折射率差一般在10-5量級[14]，對應可能出現的激光雙偏振模的波長差在10～20 pm范圍，實驗結果與之吻合。

圖2 DFB-FL光譜

在用保偏熔接機達到保偏光纖和樣品激光器摻鉺相移光纖光柵處于包層對齊狀態(tài)后，按照圖1(b)所示方法，保持保偏光纖不動，調節(jié)摻鉺相移光纖光柵的軸向角度，同時開啟泵浦光測量后向激光功率和偏振消光比。控制摻鉺相移光纖光柵側夾具轉動，每轉動10°記錄激光功率和偏振消光比變化，分別如圖3和圖4所示。可以看出，隨著角度變化，在180°范圍內僅出現一次功率和偏振消光比最大值。當夾具轉動到-30°～-40°左右的位置時，耦合輸出的激光功率和偏振消光比分別達到了最大值，可以認為此時激光偏振方向基本與保偏光纖慢軸一致。雖然由于摻鉺相移光纖光柵處于熔接機夾具的夾持狀態(tài)，會影響激光的腔損耗和偏振方向，但經過多次實驗驗證，此偏振模式耦合方法仍然是有效的。

圖3 激光輸出功率隨轉動角度變化 Fig.3 Curve of laser output power with the rotation angle

圖4 激光偏振消光比隨轉動角度變化Fig.4 Curve of PER with the rotation angle

進一步精細調整優(yōu)化兩側光纖軸向角度，使輸出功率保證在最高水平。保持光纖對準狀態(tài)放電熔接，則構成了保偏光纖耦合輸出的DFB-FL。利用Agilent N7788B偏振分析儀測量激光偏振態(tài)如圖5所示。可以看出，此時激光偏振度為1，為完全偏振光，且代表激光偏振態(tài)的點在邦加球的赤道上，激光偏振態(tài)為穩(wěn)定的線偏振光。同時，測量其偏振消光比大于30 dB，彎曲扭轉光纖時數值基本不變。

圖5 保偏DFB-FL的激光偏振態(tài)Fig.5 Laser polarization state of the polarization-maintaining DFB-FL

另外，分別測量記錄了單模尾纖和保偏尾纖下DFB-FL的激光效率和線寬，對比情況如圖6所示。由于偏振模式耦合中，保偏尾纖與摻鉺光纖的模場失配度更高，造成熔接損耗更高，因此更換保偏尾纖后激光效率要低一些。利用自研的自零差法激光線寬測量裝置[10,15]，分別測量同一DFB-FL兩種輸出尾纖的情況下激光線寬，如圖6(b)所示，可以看出，更為重要的激光窄線寬特性得到了良好的保持。

圖6 激光效率和線寬變化情況Fig.6 Variation in laser efficiency and line width

3 結論

DFB-FL是目前應用廣泛的一種低噪聲窄線寬光源，但受限于光纖材料和工藝，目前還不能直接刻寫制作保偏輸出的有源相移光纖光柵器件，限制了其在一些特殊方向的應用。本文提出的偏振模式耦合實現DFB-FL保偏輸出的方案，采用常規(guī)的單模光纖DFB-FL作為窄線寬線偏振激光光源，而制作單偏振摻鉺相移光纖光柵的技術已經很成熟。利用保偏熔接機實現保偏光纖光軸和激光偏振方向的耦合，將DFB-FL尾纖更換為保偏光纖，有效實現了窄線寬激光的保偏輸出。經實驗驗證，激光偏振消光比達到30 dB以上，為穩(wěn)定的線偏振光，同時激光線寬沒有變化。這種保偏輸出窄線寬激光器作為種子光源，可廣泛地應用于對光源線寬和偏振均有較高要求的光纖傳感、激光測量和相干探測等技術中。