1 引言

近年来,光纤激光器以其稳定的多波长输出^[1]、结构紧凑^[2]、光束质量好^[3]、损耗低、低阈值功率^[4]、宽的可调谐范围^[5-6]以及其独特的构造对热负荷效应具有极高的免疫性^[7]等潜在的优势受到人们广泛关注。多波长光纤激光器在很多领域有巨大的应用前景,包括密集波分复用光纤通信系统、微波信号的产生、光学仪器测试、光纤传感和光谱测量等^[8-14]。

受激布里渊散射(SBS)是一种非线性光学现象,是光波与声波通过电致伸缩相互作用^[15]而产生。将受激布里渊散射和掺杂光纤增益相结合的激光器已引起了国内外研究人员极大的兴趣。Cowle等^[16]最先提出混合布里渊掺铒光纤激光器(BEFL),将掺铒光纤(EDF)中的线性增益与单模光纤(SMF)中的非线性布里渊增益相结合实现了多波长布里渊激光器。通过布里渊散射级联实现多个斯托克斯线的同时产生,即低阶斯托克斯信号由掺铒光纤放大器(EDFA)放大后,作为新的布里渊抽运信号以激发更高阶的斯托克斯信号。之后,不同研究组对多波长布里渊激光器的不同结构、不同波长及调谐范围等方面进行了广泛研究,也取得了一定发展^[17-22]。

2000年,Abd-Rahman等^[23]利用双腔将斯托克斯光形成级联效应,从而获得了多波长布里渊光纤激光器。由于单布里渊频移0.08 nm的波长间隔对某些应用(例如波分复用)来说太窄,因此为扩大信道间隔,减少复用的难度,需要研究波长间隔为多倍布里渊频移的多波长布里渊光纤激光器。Parvizi等^[24]利用3 dB耦合器构成8字型结构,在实验中利用光子晶体光纤(100 m)作为非线性效应增益介质,最终获得了3个间隔为20 GHz的多波长输出,输出波长可以在1520~1600 nm范围内实现调谐。此后,张鹏^[25]等在8字型结构中通过加入掺铒光纤来提高线性增益,获得了间隔为 0.173 nm的6个波长输出,输出波长可以在1535~1563 nm内调谐。张旭萍等^[26]提出了具有三倍布里渊频移间隔的激光器,在高布里渊抽运功率的情况下实现了具有三倍布里渊频移间隔的3个多波长输出。随后Wang等^[27]在光路中运用两个具有SBS效应的腔,即单倍布里渊频移间隔腔和双倍布里渊频移间隔腔,通过两次掺铒光纤放大器进行信号放大补偿,最终获得了间隔为0.259 nm的7个功率超过-30 dBm的多波长输出。

本文分别研究了具有双倍、三倍布里渊频移间隔的多波长布里渊掺铒光纤激光器。双倍布里渊间隔频移是通过使用一个4端口环形器,使抽运光在单模光纤中连续发生两次布里渊散射,仅通过一次掺铒光纤放大器进行信号放大,在实验中获得了8个波长间隔为0.17 nm的布里渊多波长输出信号。三倍布里渊间隔频移通过组合两个腔来实现,腔1产生单倍布里渊频移,而腔2产生双倍布里渊频移,最后在实验中获得具有0.26 nm波长间隔的5个波长输出信号。

2 实验结构及原理

图1(a)是所构造的双倍、三倍布里渊频移多波长光纤激光器实验装置的示意图。该激光器可以看作是两个单独的腔,包含作为非线性增益介质的单模光纤SMF1(长度为25 km)和SMF2(长度为10 km),EDFA由最大输出功率为300 mW的980 nm激光抽运源、980/1550 nm波分复用器(WDM)和长度为 6 m的EDF构成,用于在谐振腔中提供线性增益,环形器Cir1与Cir3用于控制信号传播方向。布里渊抽运光源(BP)为具有710 nm(波长970~1680 nm)调谐范围的可调谐激光器(TL),通过3 dB耦合器耦合到腔内,同时实现激光输出,并采用光谱仪(OSA,AQ-6370D,YOKOGAWA,日本)测量得到的多波长信号。

当如图1(a)所示激光结构中去掉腔1,只保留腔2时,它是一个双倍布里渊频移间隔的多波长激光器。BP激光经3 dB耦合器进入激光腔内,如图1(b)中的箭头方向指示,经EDFA放大后先由Cir3的1端口进入到2端口中,随后进入到10 km长的SMF2中,当BP功率超过受激布里渊散射阈值时产生一阶布里渊斯托克斯信号(BS1)。由于布里渊散射的后向传输性质,BS1由 Cir3的端口2进入3端口,再从另一个方向进入到10 km的SMF2中,当BS1信号功率大于受激布里渊散射阈值时,二阶布里渊斯托克斯信号(BS2)产生。这样,反方向的BS2从Cir3的端口4输出,一部分信号由3 dB耦合器输出,另一部分信号通过EDFA放大后进入四端口环形器作为新的BP信号,如此循环,直到激光腔内的总增益小于工作波长处的腔体损耗为止。由于产生的BS2信号与初始BP信号之间存在两次布里渊频移,因此产生了间隔为0.17 nm的多波长激光器。

当腔1与腔2同时存在时,便成为了具有三倍布里渊频移间隔的多波长激光器。如图1(c)中的箭头方向指示,BP信号通过3dB耦合器以顺时针方向由EDFA放大后注入腔1,由cir1的端口1到端口2后进入SMF1,若BP的功率超过布里渊散射阈值,则产生BS1,并反向通过端口2传输到端口3(cir2作为回路镜,将残留BP信号反射回cir1)。然后,产生的BS1信号通过cir3端口1传输到端口2,再连续发生两次布里渊散射,产生沿顺时针方向的三阶斯托克斯信号(BS3),BS3信号通过Cir3的端口4出来,在BS1和BS3之间存在两次布里渊频移,因此它具有从初始BP信号的三次布里渊频移。部分BS3信号通过3 dB耦合器输出,另一部分作为新的BP信号,并通过与前一次相同的过程,一直持续到激光腔内的总增益小于工作波长处的腔体损耗为止。这样就产生了间隔为0.26 nm的多波长激光器。

图 1. (a)多波长布里渊激光器实验结构示意图;(b)双倍布里渊频移实现示意图;(c)三倍布里渊频移实现示意图

Fig. 1. Experimental schematics of (a) multi wavelength Brillouin fiber laser, (b) double Brillouin frequency shift realization and (c) triple Brillouin frequency shift realization

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3 实验结果与讨论

如图2所示,当未输入BP信号时,实验中增大980 nm抽运功率,发现在1562.8 nm附近出现自激发振荡模,这表明此激光器在1562.8 nm附近净增益最大。

图 2. 激光器在1562.8 nm处自激发振荡模

Fig. 2. Self-excited oscillation modes at 1562.8 nm

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3.1 双倍布里渊频移间隔多波长布里渊激光器

在BP波长设定为1562.8 nm,功率为5.56 dBm(3.6 mW)时,实验研究了双倍布里渊频移间隔多波长激光器的输出波长数随980 nm抽运功率的变化情况,结果如图3所示。实验结果表明随980 nm功率增大,双倍布里渊频移间隔波长数增加。当980 nm抽运功率为24.2 dBm(265 mW)时,输出端测得多波长光谱如图4所示,实现了8个波长的输出。8个波长的峰值功率分别为0.15,-1.26,-2.64,-4.21,-5.98,-8.42,-10.86,-17.43 dBm,单个布里渊激光波长3 dBm线宽约为0.016 nm。从图4中还可以看出,奇数阶斯托克斯光的峰值功率同8个偶数阶斯托克斯光相比要低得多,但依然存在,原因是实验中存在瑞利散射的影响,导致奇数阶斯托克斯光在SMF中传输时,在反向会产生散射信号。

图 3. BP功率为5.56 dBm时,不同 980 nm抽运 功率下的输出光谱图

Fig. 3. Output spectra at different 980 nm pump powers when BP power is 5.56 dBm

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图 4. 980 nm抽运功率为 24.2 dBm时,激光器的输出光谱

Fig. 4. Output spectrum of lasers at 980 nm pump power of 24.2 dBm

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实验还研究了在不同BP功率下的可调谐范围和多波长的输出个数,如图5所示。保持BP信号功率为5.56 dBm不变,改变980 nm抽运功率分别为50,110,160,265 mW时,该激光器的输出多波

长个数分别为3、5、6、8,对应的调谐范围为88,54,32,20 nm。保持BP信号为9 dBm不变,改变980 nm抽运功率分别为50,110,160,265 mW时,该激光器的多波长输出个数为2、4、5、7,调谐范围分别为102,68,43,29 nm。

从图5中可以看出,当固定BP功率不变时,通过增大980 nm抽运输出功率,整个掺铒光纤放大器可以为激发高阶斯托克斯光提供更大增益,使得多波长个数有所增加。但是与此同时,较高的抽运功率会导致EDFA的增益范围变窄,从而限制了输出信号的可调谐范围,故使得调谐范围有所降低,最终将调谐范围局限在自激发振荡模附近。在同样的980 nm抽运输出功率下,BP功率越大,对腔内自激振荡模的限制作用变得更加有效,这就是为什么增大了BP信号功率使得可调谐范围增大的原因。

图 5. BP功率为5.56 dBm和9 dBm时不同980 nm抽运功率下的(a)调谐范围和(b)多波长个数

Fig. 5. (a) Tuning range and (b) multiwavelength number under different 980 nm pump power with BP power of 5.56 dBm and 9 dBm

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为了研究多波长输出的可调谐特性,实验中固定980 nm抽运功率为24.2 dBm (265 mW),BP信号功率为5.56 dBm(3.6 mW),以1 nm步长改变BP波长,来测量该激光器的输出特性。 如图6所示,实验表明,通过改变BP波长,1548~1583 nm范围内激光器输出的多波长个数能达到6;而当信号光波长低于1548 nm,或高于1598 nm时,输出的多波长数量迅速减少,这是因为当BP波长超出掺铒光纤放大器的增益范围时,对应的斯托克斯信号得不到充分放大,以至于达不到受激布里渊阈值激发下一阶斯托克斯光产生的目的。实验结果表明,该激光器波长可以在110 nm范围内(1528~1638 nm)调谐,实现多波长输出。不同的980 nm抽运输出功率下在可调范围内,多波长输出光谱如图7所示。

图 6. 激光器在调谐范围内可产生的波长数

Fig. 6. Generated wavelength number of lasers within tuning range

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图8所示为在BP信号为5.56 dBm、980 nm抽运功率为24.2 dBm时,时间跨度60 min内,每隔10 min扫描一次,测出该激光器8个信道波长的稳定性。8个波长的最大波动分别为0.14,0.26,0.37,0.41,0.37,0.38,0.4,0.93 dBm。除信道8的波长抖动为0.93 dBm外,其余7个信道波长抖动均小于0.4 dBm。从图8可以看出,该激光器具有较好的稳定性。

图 7. 不同980 nm抽运功率下的输出光谱。(a) 20.41 dBm(110 mW);(b) 24.2 dBm(265 mW)

Fig. 7. Output spectra at different 980 nm pump powers. (a) 20.41 dBm (110 mW); (b) 24.2 dBm (265 mW)

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图 8. BP功率为5.56 dBm、抽运功率为24.2 dBm时的多波长输出稳定性

Fig. 8. Output stability of multiwavelength lasers with BP power of 5.56 dBm and pump power of 24.2 dBm

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3.2 三倍布里渊频移间隔多波长布里渊激光器

实验研究了三倍布里渊频移间隔多波长激光器的输出波长数目随980 nm抽运功率的变化情况,如图9所示。

图 9. BP功率为3.2 dBm时,不同980 nm抽运功率下的输出光谱图

Fig. 9. Output spectra at different 980 nm pump powers with BP power of 3.2 dBm

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图 10. 980 nm抽运功率为24.3 dBm时,激光器的输出光谱

Fig. 10. Output spectra of lasers at 980 nm pump power of 24.3 dBm

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具有三倍布里渊频移间隔的多波长输出光谱如图10所示,当BP功率为3.2 dBm,980 nm抽运功率为24.3 dBm时,有5个多波长输出。图中BS3信号的光谱与BP波长对比,得到波长间隔为0.26 nm的多波长输出,峰值功率分别为-0.224,-4.448,-10.469,-15.596,-19.631 dBm,单个布里渊波长3 dB线宽约为0.016 nm。从图中可以看出,BS15的光谱之后依然有许多信号产生,但是这些波长的峰值功率以及信噪比同中心5个波长的光相比要低很多。从图10还可以看出,相邻三倍布里渊频移波长间隔信号之间的斯托克斯光峰值功率虽然很小,但依然存在。这也是因为受实验中存在瑞利散射的效应的影响,当信号在SMF中传输时,在反方向会产生散射信号。

980 nm抽运功率为24.3 dBm(270 mW),BP信号功率为3.2 dBm(2.1 mW)时,以1 nm步长改变BP波长,可调谐的范围为1548~1563 nm,其中多波长输出个数最多为5,如图11所示。实验结果表明,输出波长可以在60 nm内(1535~1595 nm)调谐,实现多波长输出。不同BP波长情况下的激光器在调谐范围内输出光谱如图12所示。

图 11. 激光器在调谐范围内可产生的波长数

Fig. 11. Wavelength number of lasers within tuning range

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图 12. 不同BP波长情况下,激光器的输出光谱

Fig. 12. Output spectra of lasers with different BP wavelengths

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图 13. BP功率为3.2 dBm、抽运功率为24.3 dBm时的多波长输出稳定性

Fig. 13. Output stability of multiwavelength lasers with BP power of 3.2 dBm and pump power of 24.3 dBm

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图13所示为具有三倍布里渊频移间隔激光器随时间变化的多波长输出稳定性。选择了5个信道来讨论,并间隔5 min测量一次。如图13所示,所产生的信号输出功率相对稳定,峰值功率的最大抖动小于1.5 dBm。如果采用功率更大的980 nm抽运功率,或是在四端口环形腔内增加一个相同的EDFA放大器,更多的波长能够得到。

4 结论

实验研究了具有双倍、三倍布里渊频移间隔,即波长间隔分别为0.17 nm和0.26 nm的多波长布里渊掺铒光纤激光器,详细分析了980 nm抽运功率、BP功率以及波长等参数优化对达到多波长最大数量和最宽调谐范围的影响,实验结果表明,布里渊抽运激光波长在激光器自激发振荡波长范围内时,产生的布里渊波长数量达到最大值。实验得到波长间距为0.17 nm的8个布里渊多波长激光输出,输出波长可以在110 nm范围(1528~1638 nm)内调谐;波长间距为0.26 nm的5个布里渊多波长激光输出,输出波长可以在60 nm范围(1535~1595 nm)内调谐。可调谐多倍布里渊频移间隔多波长光纤激光器在密集波分复用光纤通信系统、微波光子学、光纤传感、光谱测量等领域有重要的应用前景。