基于無源三環復合子腔的2 050 nm波段單縱模摻銩光纖激光器

程 丹， 延鳳平*， 馮 亭， 韓文國， 秦 齊， 張魯娜， 白卓婭，李 挺， 楊丹丹， 郭 穎， 王 偉， 關 彪， 白 燕， 熊本和夫

(1． 北京交通大學 電子信息工程學院， 北京 100044； 2． 河北大學物理科學與技術學院 光信息技術創新中心， 河北 保定 071002；3. 中國科學院理化技術研究所 固體激光重點實驗室， 北京 100190； 4. 河北建筑工程學院 電氣工程學院, 河北 張家口 075000；5. 大阪工業大學 電子信息系統工程學專業， 大阪 999001)

1 引 言

近年來，摻銩光纖激光器的發展已經逐步跟上摻鐿、摻鉺光纖激光器的腳步。摻銩光纖近30 THz的輻射范圍(1 700～2 200 nm)為激光運行波長提供了更寬的選擇范圍。2 μm波段屬于人眼安全波段，盡管沒有激光可以保證對人眼絕對的安全，但這一波段的激光通常會被眼睛的玻璃體吸收而無法到達視網膜，使得其造成對人眼無法治愈的傷害的閾值要遠高于其他短波長波段的激光[1]。因此，該波段激光受到各應用行業的青睞，尤其在自由空間光通信等需確保人眼安全的領域。目前，針對2 μm波段激光器的研究主要集中在 1 900～2 000 nm摻銩光纖的高增益范圍[2-5]，在增益較低的2 050 nm所提出的研究成果，尤其是對2 050 nm的單縱模光纖激光器的報道還相對較少。2 050 nm處于大氣高透射窗口，該波長激光在大氣中的透過率高達80%，使得其非常適用于直接能量傳輸、自由空間光通信，并且在2 050 nm附近的高光束質量高能激光器也可被應用于大氣多普勒激光雷達。在2 050 nm左右穩定的單縱模激光光源在以上應用中不可或缺。

然而，摻銩光纖在2 050 nm附近增益較低，因此在該波段范圍搭建單縱模摻銩光纖激光器具有一定的挑戰性。現已提出的在2 050 nm波段的單縱模激光器[6-8]均采用銩鈥共摻光纖作為增益光纖的短腔結構或商用分布反饋型半導體激光器，其他結構的激光器還鮮有報道。采用長腔結構增長摻銩光纖的長度來提供足夠的增益也是一種解決方案，但目前還沒有該類型激光器的報道。與短腔結構的單縱模激光器相比，長腔結構由于允許加入調節器件，因而更具有靈活性和性能拓展性。但是，長腔結構導致了更小的縱模間隔，需要可靠的機制來抑制多縱模振蕩。通常，長腔結構中可以采用超窄帶濾波器[9-10]，或基于可飽和吸收體的自追蹤窄帶濾波器實現多縱模抑制[11-12]。也可以采用復合腔結構，比如多環復合腔，這種類型腔結構的激光器通常由一個提供增益的主腔結合一個或多個無源子環腔組成[13-17]。其中無源子環一般由一個或多個2×2光纖耦合器構成，作為濾波器在主腔中進行縱模選擇。該結構的優勢在于價格較低廉、靈活性高，通過優化各子腔長度及耦合器的耦合比可以實現不同的濾波效果，尤其適用于關鍵濾波器件相對缺乏的2 μm波段光纖激光器的單縱模濾波[18-19]。

本文采用環腔結構，利用實驗室自制的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)將波長選定在～2 048 nm處，創新性地使用雙3×3對稱型光纖耦合器搭建無源復合三環子腔，理論分析了利用其實現光纖激光器單縱模運轉的原理，并將其引入激光主環腔中成功實現了激光單縱模運行。與利用2×2光纖耦合器搭建復合環腔的傳統方法相比，3×3光纖耦合器結構更加緊湊，搭建復合環腔濾波器可以減少光纖耦合器的使用數量，具有更好的設計靈活性和更低的復雜性。實驗表明，所提出的激光器可以穩定激射在2 048.48 nm處，光信噪比約70 dB,100 min內波長及功率抖動分別不超過0.02 nm和0.453 dB，并穩定運轉在單縱模狀態。該激光器有望作為2 050 nm高功率激光器的種子源應用于自由空間光通信及大氣雷達領域。

2 實驗裝置

2.1 實驗結構

搭建的單縱模摻銩光纖激光器實驗結構如圖1綠色虛框內所示。793 nm的泵浦光(最高輸出功率12 W)經過790/2 000 nm (6+1)×1合束器(只用其中一支泵浦臂)注入腔內為增益光纖提供泵浦，一段芯子/內包層直徑為10/130 μm、纖芯數值孔徑為0.15的摻銩光纖(Nufern，Thulium-doped fiber,TDF)作為增益介質，其在793 nm處吸收系數為4.5 dB/m，為獲得在2 050 nm 波段的足夠增益，增益光纖長度選為4 m。摻銩光纖的另一端與光隔離器相連后接環形器的1端口，隔離器與環形器共同確保腔內激光的單向運轉。一支實驗室自制的FBG作為窄帶高反射鏡接于環形器的2端口，該光柵寫制采用相位掩模板法，由248 nm KrF準分子激光器(Excimer laser)直接掃描寫入到氫載后的單模光纖上,掩模板周期為1 423.6 nm，寫入長度為20 mm。由Yokogawa AQ6375型光譜儀在分辨率為0.05 nm下測得的FBG的透射譜如圖2所示，光柵透射深度為14.9 dB，所對應反射率為 96.76%。測得的FBG反射峰半高全寬(FWHM)為0.2 nm。經FBG反射后的光信號通過環形器3端口經偏振控制器后注入到新型無源三環復合子腔中進行進一步的縱模選擇，一個1×2光纖耦合器將10%激光從腔內提取輸出。所搭建激光器總腔長為～11.6 m，對應縱模間隔為～18 MHz。

注1 環形腔摻銩光纖激光器實驗結構圖及激光輸出特性測量結構圖，TDF:摻銩光纖,FC:光纖合束器,ISO:隔離器,CIR:環形器,DI-PC:偏振控制器,OC:光纖耦合器，PD:光電探測器,OSA:光譜分析儀,FSA:頻譜分析儀。

圖2 實驗室自制FBG透射譜

2.2 無源三環復合子腔結構及選模特性理論分析

由光柵透射譜換算所得的歸一化FBG反射譜半高全寬為0.15 nm,在2 050 nm波段對應的頻率范圍為～10.7 GHz，所搭建的主環腔縱模間隔約為18 MHz，因此所提出的無源三環復合子腔需要確保從FBG帶寬內近595個縱模中濾出一個縱模使得激光器可以形成單縱模振蕩。為達到這一目標，無源三環復合子腔應滿足如下條件：第一，由無源三環復合子腔形成的有效自由光譜范圍 (Free spectral range,FSR) 應大于0.5倍的FBG反射帶寬，確保在FBG的反射帶寬內只有一條復合子腔的有效傳輸通帶占優勢[16]；第二，該復合子腔的有效傳輸通帶帶寬應為主腔縱模間隔的1～2倍左右[16]。

無源三環復合子腔結構如圖1綠虛框中所示，該復合子腔由兩個對稱型3×3光纖耦合器(耦合比1∶1∶1)共同組成一個1.88 m長大環腔及兩個內嵌的長度分別為0.3 m和0.7 m的小環腔。FSR 計算公式RFSR=c/n/L(c=3×108m/s,為光速，n=1.44,為纖芯折射率，L為腔長)，可知大環對應的FSR約為～110 MHz，小環對應的FSR分別約為～700 MHz及～300 MHz。根據游標效應,復合環所對應的有效FSR應為該三環FSR的最小公倍數，約為23.1 GHz。在2 050 nm波段，其對應波長范圍為0.32 nm，大于FBG的反射帶寬。在此基礎上，該窄帶干涉峰將進一步對激光器進行縱模選擇，復合子環的窄帶干涉峰帶寬由子環中最長環長決定，環長越長，帶寬越窄。復合子環腔干涉峰帶寬可根據公式得到[14,20]：

(1)

其中L1為復合三環腔大子環腔腔長，δ為光在大子環腔傳輸一周后的損耗，可以表示為：

(2)

其中，Io為輸入光強，Ii為在大子環腔傳輸一周后的剩余光強。給定兩耦合器插入損耗為0.2 dB，計算得到的窄帶干涉峰帶寬為21 MHz，約為1.17倍的主腔縱模間隔，保證了在無源三環復合腔有效傳輸通帶內僅有一個縱模被選出。

我們進一步對所提出的無源三環復合子腔濾波器進行了仿真，仿真方法與我們之前工作中的仿真方法一致[17]。本文中采用的3×3對稱型光纖耦合器的傳輸矩陣為：

(3)

仿真所得復合三環腔透射譜如圖3所示,其中紅色線為測得的歸一化后的FBG反射譜，藍線表示仿真所得的無源三環復合子腔濾波器的透射譜。黃色虛線為無源三環復合子腔濾波器透射譜的包絡，由該包絡可以看出由無源三環復合子腔濾波器所形成的FSR為 0.14 nm(～10 GHz)，雖與上述估值略有出入，但由仿真所得的FSR依然大于0.5倍的FBG的反射帶寬，可以使得在FBG反射帶寬內只有一條有效傳輸通帶占優勢。插圖為我們對在FBG反射譜反射率最高處仿真所得的復合三環濾波器透射譜局部放大，可以看出在中心波長處，濾波器中干涉形成的透射峰濾波帶寬約為20.8 MHz，與上述估計的21 MHz 基本相符。由于過窄的傳輸通帶帶寬會使得激光器易受環境影響，使得激光器在受到環境擾動時發生跳模等不穩定輸出，所以我們未繼續壓窄復合三環腔的干涉峰帶寬，現有的帶寬范圍可以達到穩定的單縱模振蕩效果。綜上所述，所提出的無源三環復合子環腔理論上可以確保激光器的單縱模運行。

注3 無源三環復合子腔濾波器輸出透射譜，插圖為在激光中心波長處對復合三環濾波器透射譜的局部放大。

3 激光器輸出特性

激光器的搭建及測試均在室溫下進行，并和泵浦源放在同一個普通工作臺上，整個激光器系統并未施加任何的溫度補償裝置及隔振裝置。

激光器輸出特性測量結構如圖1藍色虛框中所示，輸出激光經耦合比為50∶50的1×2光纖耦合器分成兩路，一路接入光譜儀進行光譜測量，另一路接入一個帶寬為1 GHz的2 μm波段的光電探測器(Photodetector，PD)后，再接入帶寬為8 GHz的頻譜分析儀(Frequency spectrum analyzer，FSA)，在光譜測量的同時觀測激光器的單縱模特性。

激光器閾值為 3 W，在此基礎上繼續提高泵浦功率直到獲得穩定的激光輸出，此時泵浦功率為 3.6 W，激光光譜如圖4所示。測量所用光譜儀分辨率為0.05 nm，激光的中心波長在 2 048.48 nm，與FBG透射峰中心波長相比偏移了 0.04 nm，該波長漂移主要由溫度擾動及在測量光柵時由固定光柵帶來的應力擾動造成。所得輸出激光的 3 dB帶寬為 0.05 nm，與光譜儀分辨率相近，因此該帶寬測量結果受到光譜儀分辨率限制。輸出激光的光信噪比(Optical signal to noise ratio, OSNR)為 70 dB。較高的OSNR體現了激光器良好的振蕩質量及無源三環復合子環腔良好的選模能力。為證明激光器的短期穩定性，我們在 10 min內以 1 min為間隔用光譜儀掃描測量輸出光譜，期間泵浦功率不變，10 次測量結果如圖4內3D插圖所示，光譜幾乎沒有波長漂移及功率抖動。此外，我們對激光器的長期穩定性也進行了測試，在保持泵浦功率不變的情況下，每隔10 min對激光光譜進行測量，總時長100 min，所得激光器波長及功率抖動如圖5所示。100 min內波長漂移量小于0.02 nm，已小于OSA的測量分辨率，功率抖動小于0.453 dB，表明了激光器優秀的波長與功率穩定性。

注4 單縱模激光器輸出光譜

注5 100 min內激光器輸出波長和功率抖動

在測量光譜的同時，激光器的單縱模運轉特性通過自零差法測量確認，圖6(a)、(b)分別為掃描范圍為100 MHz 和 1 GHz的激光器拍頻結果。從圖中可見，掃描范圍內沒有任何明顯的拍頻信號被捕捉到，說明激光器運行在單縱模狀態下。為了驗證單縱模運轉的穩定性，連續掃描并每隔10 min存儲一次拍頻測試結果。圖6(a)、(b)內插圖分別為100 MHz和1 GHz掃描范圍內，在50 min內分別存儲的5次測量結果，可以看出均沒有拍頻信號被捕捉到，證明激光器運行在穩定的單縱模狀態。為了驗證所提出的無源三環復合子腔的選模能力，移除復合三環腔后對激光器進行拍頻，拍頻結果如圖6(c)所示。可見，當移除復合三環后，頻譜儀在各頻譜范圍內均檢測到了明顯的拍頻信號，說明在沒有復合三環腔作用下，激光器運轉在多縱模狀態，所提出的復合三環腔對縱模的抑制起到了至關重要的作用。

注6 頻譜儀所測激光器存在子環情況下，頻率范圍為0～100 MHz(a)及頻率范圍為0～1 GHz(b)激光器自零差法拍頻結果，其中插圖為每隔10 min所測得的拍頻結果；(c)激光器無子環情況下頻率范圍為0～1 GHz及0～100 MHz的拍頻結果。

最后，在耦合器的10%輸出端口處用功率計(Ophir StarLite)對激光器的輸出功率進行了測量，單縱模激光器輸出功率隨泵浦功率變化曲線如圖7所示。實驗中所使用的增益光纖截面是八邊形結構，與其相連的合束器及隔離器的尾纖均為10/130 μm匹配光纖及普通單模，盡管我們已經盡力優化對增益光纖的熔接，但由三種光纖之間離子擴散以及尺寸不匹配引起的模式失配導致的熔接損耗依然比較嚴重。并且，摻銩光纖在2 050 nm附近較小的增益系數也使得激光無法像在其他波段(1 900～ 2 000 nm) 一樣具有較高的增益及斜率效率。同時，在該波段無源器件的插入損耗也大于其他波段，進一步增加了腔內損耗。除此之外，實驗中為了降低激光器的閾值，采用的激光器輸出耦合比較小。以上原因造成激光器總輸出功率以及斜率效率均比較低。但是曲線具有很好的線性度，說明激光器并未達到飽和，隨著泵浦功率的提高，單縱模激光器的輸出功率可繼續提高。然而，考慮到過高的泵浦功率會在腔內引入較高自發輻射噪聲及熱噪聲，從而造成光信噪比下降及線寬展寬，因此在泵浦功率達到5.64 W后便未再繼續提高注入泵浦功率，此時激光器輸出功率為6.79 mW，斜率效率為0.25%。

圖7 激光器輸出功率隨泵浦功率變化特性曲線

所提出的激光器達成的技術指標與其他基于不同技術的單縱模摻銩光纖激光器的技術指標對比如表1所示。由于目前對2 050 nm波段單縱模種子源的報道相對較少，這里給出的其他研究工作圍繞在～1 940 nm波段。從對比結果可以看出，本文所提出的激光器具有高OSNR、高穩定性的優勢。

表1 基于不同技術的單縱模摻銩光纖激光器最高光信噪比及功率抖動比較

4 結 論

本文報道了一種基于無源三環復合腔的2 050 nm波段單縱模光纖激光器，并對其輸出穩定性進行了詳細表征。理論分析了利用該無源三環復合腔實現激光器單縱模振蕩的原理，并實驗證明了所提出的光纖激光器可以穩定運轉在單縱模激光輸出狀態。激光輸出波長為2 048.48 nm，光信噪比為70 dB，100 min內的波長抖動和功率抖動分別小于0.02 nm和0.453 dB。優異的光信噪比及穩定的激光輸出使其具有繼續作為后續光放大系統的種子源的能力，未來有潛力應用于激光雷達及空間光通信系統中。

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