1 引言

多波长掺铒光纤激光器在许多领域中具有重要应用,如光纤传感、微波光子及波分复用器等系统。目前已报道了许多可实现多波长掺铒光纤激光器的方法,如使用级联失配的长周期光纤光栅^[1]、保偏光纤(PMF)结合Sagnac环作为梳状滤波器^[2]、光敏光纤光栅结合纤芯偏移^[3]及Sagnac环结合错位熔接的PMF^[4]等结构。Bianchetti等^[5]提出使用纤芯错位的非零色散位移光纤的方法构成马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构,实现可切换多波长光纤激光器,实验中得到单、双和三波长光纤激光输出,通过调节偏振控制器(PC)的偏振态,得到可切换的波长范围为1546~1564 nm,单波长和双波长激光的边模抑制比(SMSR)约为56 dB,三波长的SMSR约为45 dB。Gutierrez-Gutierrez等^[6]报道了一种使用Fabry-Perot 干涉仪(FPI)和MZI 装置实现可切换多波长掺铒光纤激光器的方法,在两个单模光纤(SMF)顶端构造两个空气微腔来形成FPI并作为反射镜和激光模式发生器;通过在两段单模光纤之间熔接一段光子晶体光纤(PCF)形成MZI,调节MZI的曲率半径实现单、双、三和四波长的激光输出,波长可切换范围为1525~1534 nm,光信噪比(OSNR)约为30 dB。郝艳萍等^[7]提出一种基于单模-多模-单模光纤构成的滤波器结构,实现了波长可调谐的全光纤结构激光器。通过调节PC,实现了中心波长1542~1560 nm范围的不同激光输出,SMSR大于40 dB。进一步调节PC和抽运功率,可同时得到双波长和三波长等多波长激光输出。Qi等^[8]构造了一种基于少模光纤结合纤芯偏移的激光器结构,调节PC得到可调谐波长范围为1547.991~1561.192 nm的可切换多波长激光输出,单波长的OSNR小于55 dB,多波长的OSNR小于50 dB。Sierra-Hernandez等^[9]使用两段单模光纤之间熔接一段光子晶体光纤构成MZI结构,通过调节MZI的曲率半径,可实现可调单、双和三波长激光输出,调谐范围为1526~1550 nm,且在泵浦功率为120 mW时,SMSR约为30 dB。但是,基于上述结构的可调多波长激光器的波长调节范围较小、SMSR较低且结构复杂,制造成本较高,这些缺点限制了其应用领域及应用范围。

本文提出了一种基于无芯光纤(NCF)结合PMF制成的光纤内MZI,构成NCF-PMF-NCF结构,将该结构作为环形腔可调掺铒光纤激光器的滤波元件。通过调节施加在MZI结构上的曲率半径,并结合对PC偏振态的调节,引入偏振烧孔(PHB)效应,从而在常温下实现了性能良好的稳定的可切换多波长激光输出。实验中得到的多波长激光输出的最大波长间隔为40.184 nm,SMSR大于50 dB。该系统结构简单,调谐方便,且得到的可调波长范围较大,因此具有广泛的应用前景,如激光传感等方面^[10]。

2 基于NCF结合PMF的MZI结构及原理

NCF是没有纤芯的高度纯石英光纤,其光纤折射率与标准单模光纤的包层相同,剥除涂覆层后可将自身包层看作纤芯,将空气看作包层。实验中构造的MZI结构如图1所示,两侧NCF长度均为2.5 cm(l₁=2.5 cm),包层直径为125 μm,PMF长度为4.5 cm(l₂=4.5 cm)。SMF与PMF的纤芯/包层直径均为9/125 μm,PMF在1550 nm处的拍长为5 mm。

图 1. MZI滤波器示意图

Fig. 1. Schematic of MZI filter

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MZI结构的滤波原理为基于模场失配原理形成MZI结构,SMF与NCF的两个熔接点处相当于两个耦合器。当宽带光源的光通过SMF进入左侧NCF时,激励起高阶模式,高阶模与纤芯模同时在PMF的纤芯和包层中传输,由于PMF的双折射特性,将光分为两个正交的偏振模式(快轴和慢轴模式),快轴和慢轴模式的折射率不同,当光通过PMF时,快慢轴模式之间产生的相位差(Δφ₁)为

Δφ1=2πBl2/λ,(1)

式中,B=n_s-n_f为PMF快慢轴之间的双折射,n_s和n_f分别为PMF慢轴和快轴的有效折射率,λ为传输光的波长。

PMF中的纤芯和包层的折射率不同,高阶模与纤芯基模在光纤中的传播常数不同,使不同模式的光具有不同的光程,因此在PMF纤芯和包层之间传输的光也具有光程差,从而高阶模式和纤芯基模之间产生的相位差(Δφ₂)为

Δφ2=2πl2Δn/λ,(2)

式中,Δn=n_core-n_high,n_core和n_high分别为纤芯基模和高阶模式的有效折射率。

不同模式的光传播到右侧NCF与SMF的熔接点时,会重新耦合到SMF纤芯内部,两种相位差的存在使不同模式的光发生干涉,从而得到干涉光谱^[11-12]。当弯曲曲率C和PC作用于该结构时,会对两种模式相位差之和(Δφ₁+Δφ₂)产生影响,使干涉光谱发生明显变化,从而使输出波长的可调节性能对弯曲和PC敏感。该滤波器结构的透射光谱由光谱分析仪(OSA, AQ6370D,横河YOKOGAWA,日本)记录,分辨率为0.02 nm,MZI的透射光谱如图2所示。

图 2. 所提出滤波器结构的透射光谱

Fig. 2. Transmission spectrum of proposed filter

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3 可切换多波长光纤激光器的实验装置及原理

基于NCF结合PMF的可切换多波长掺铒光纤(EDFC)激光器原理图如图3所示。使用环形腔结构,泵浦光由峰值波长为976 nm的半导体激光器(LD)提供,并通过980/1550 nm的波分复用器(WDM)耦合到谐振腔中。将6 m长的掺铒光纤作为增益介质,为激光器运行提供增益。工作波长为1550 nm的光纤隔离器(ISO)主要用来确保环形腔中光的单向运行。由于MZI滤波器具有波长选择特性,通过调节二维位移平台的位移来调节MZI结构的曲率半径R,即改变弯曲曲率C,从而影响高阶包层模和纤芯模之间的耦合作用,使MZI的传输光谱发生变化。并通过PC来控制激光腔内光传播的偏振态,改变腔内双折射,使Δφ₁发生变化,引入PHB效应,具有平衡腔内增益和损耗的作用,从而实现多波长稳定输出。分光比为10∶90的耦合器将10%的输出光送入OSA中进行监测记录,90%的光返回谐振腔内继续参与激光振荡。改变MZI结构的弯曲曲率,结合PC来调节输出波长。

图 3. 可调多波长光纤激光器的实验原理图

Fig. 3. Experimental schematic of tunable multi-wavelength fiber laser

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当使用二维位移平台使MZI弯曲时,MZI结构的曲率半径R及弯曲曲率C可表示为^[13]

R≅L0324d,3

C=1R,(4)

式中,L₀表示两夹具夹持的原始光纤结构总长度,d表示位移平台移动的距离。

当MZI结构弯曲时,包层中的部分导模转化为辐射模,外侧光纤拉伸,内侧光纤压缩。根据光弹效应,外侧光纤的有效折射率增加,内侧光纤的有效折射率降低,使得Δn发生变化。从而Δφ₂改变,引起MZI干涉峰峰值波长的移动,实现对输出激光波长的调节。

实现稳定可切换多波长光纤激光器的主要工作原理是基于PHB效应。当环形腔内波长的增益与损耗相比占优势时,可以发射形成激光。利用在环形腔内掺铒光纤的放大自发辐射光(ASE)的非平坦特性,对该滤波器进行调制。输出激光的波长数量取决于ASE的光谱特性、增益和损耗的平衡状态及滤波器的光谱特性^[8]。掺铒光纤为均匀加宽的工作物质,PC状态的改变将使得掺铒光纤中不同波长的偏振态具有多样性^[14],从而导致光的偏振方向发生变化,连续调节PC改变双折射来平衡腔内与波长相关的增益和损耗,降低了掺铒光纤的均匀展宽,削弱了不同波长的光对反转粒子数的竞争,从而抑制了模式之间的竞争,有利于得到稳定且可调谐的多波长激光输出。调节MZI的曲率半径使光纤对应的有效折射率发生变化^[15],可改变光在光纤中的有效传输路径长度,改变不同模式之间的光程差。当光纤弯曲时,光纤内各模式的传播常数会发生变化,且模场分布和传播特性与曲率半径有关^[16],因此,模场和其他模式都随光纤的弯曲而发生变化(这样降低了其他模式与单模光纤中基本模式的重叠)^[13],同样各模式的光程差也发生变化。不同的导模在包层中的倏逝场衰减不同,而弯曲损耗也与导模阶数有关,高阶模弯曲损耗大,低阶模弯曲损耗小,从而对MZI干涉光谱贡献的大小也将产生变化,因此调节MZI的曲率半径将导致其干涉光谱发生变化,激射波长的数量和位置也会改变,结合PC引入的PHB效应,可实现稳定可调节的多波长光纤激光输出。

4 实验结果及讨论

实验中设置LD的输出功率为110 mW。将MZI两端固定在二维位移平台上,两端的原始间隔为21 cm(L₀=21 cm),调节平台的位移来改变施加在MZI上的弯曲曲率C,且结合PC的调节,改变MZI的干涉谱,得到最大波长间隔为40.184 nm的可调谐多波长光纤激光输出,即调节C的大小和PC状态可得到稳定可切换的多波长激光输出。调节PC及曲率C,直到C=0.227 m^-1时,可得到单波长激光输出,如图4(a)所示;保持PC不变,改变弯曲曲率C可得到其他波长组合。当C=0.880 m^-1时,得到双波长输出,如图4(b)所示;当C=1.910 m^-1时,得到三波长激光输出,如图4(c)所示;调节C,直到C=2.430 m^-1时,得到四波长激光输出,如图4(d)所示。

图 4. 输出的可切换多波长激光。(a)单波长;(b)双波长;(c)三波长;(d)四波长

Fig. 4. Output switchable multi-wavelength fiber laser. (a) Single wavelength; (b) dual-wavelength; (c) triple-wavelength; (d) quad-wavelength

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改变曲率C得到的激光波长、波长数目及其对应的SMSR如表1所示。

调节MZI的弯曲曲率C和PC偏振态,会使腔内不同波长对应的增益和损耗及干涉光谱发生变化,从而得到不同波长处的激光激射,并形成多种形式的波长组合,如图5所示。改变PC及C,当C=1.600 m^-1时,可得单波长激光输出,如图5(a)所示;当C=1.680 m^-1时,可得到双波长激光输出,如图5(b)所示;当C=1.764 m^-1时,得到三波长激光输出,如图5(c)所示;当C=2.596 m^-1时,在仔细调节PC的过程中,可得到一组四波长激光输出,如图5(d)所示。由实验结果可知,当C由2.430 m^-1变化到2.596 m^-1时,四波长具有连续调节特性,且各波长可调谐的最大波长范围为0.144 nm,如图4(d)和5(d)所示。

图 5. 不同曲率下的波长输出。(a)单波长;(b)双波长;(c)三波长;(d)四波长

Fig. 5. Output wavelength under different curvatures. (a) Single wavelength; (b) dual-wavelength; (c) triple-wavelength; (d) quad-wavelength

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调节曲率C得到的具体输出波长和波长数目及对应的SMSR如表2所示。

为测试输出激光的波长稳定性,对输出光谱进行1 h的重复扫描,扫描间隔为6 min。调节MZI的曲率半径及PC的偏振状态,当C=0,即光纤处于平直状态时,得到单波长为1552.66 nm,SMSR为60.5 dB,图6所示为输出单波长激光的稳定性测试结果,单波长的最大中心波长漂移量小于0.02 nm。当C=0.94 m^-1时,同时调节PC,可得到的双波长为1553.524 nm和1559.48 nm,对应的SMSR分别为62.2 dB和54.55 dB,双波长的最大中心波长漂移量小于0.05 nm,如图7所示。当C=1.998 m^-1时,得到的三波长为1525.2,1547.532,1559.252 nm,对应的SMSR分别为55.42 dB,52.8 dB,50.2 dB,三波长的最大中心波长漂移量小于0.06 nm,如图8所示。当C=2.66 m^-1时,得到的四波长激光为1524.38,1554.192,1560.404,1561.66 nm,对应的SMSR分别为54 dB,54.6 dB,52.9 dB,51.5 dB,1 h内重复扫描10次输出光谱,得到四波长的最大波长漂移量小于0.06 nm,如图9所示。稳定性测试结果表明,该激光器具有较好的稳定性,可归因于PC引入的PHB效应有效抑制了由掺铒光纤均匀展宽引起的模式竞争。

图 6. 输出的单波长激光光谱及其1 h内的稳定性测试结果。(a)输出的单波长激光光谱;(b)间隔6 min重复扫描1 h后的输出光谱;(c)单波长1552.66 nm激光的波长漂移

Fig. 6. Laser spectra of output single wavelength and its stability test results in 1 h. (a) Laser spectrum of output single wavelength; (b) output spectra after repeated scanning for 1 h with 6 min interval; (c) wavelength shift of 1552.66 nm single wavelength fiber laser

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图 7. 输出的双波长激光光谱及其1 h内的稳定性测试结果。(a)输出的双波长激光光谱;(b) 1 h内重复扫描10次后的输出光谱;(c)双波长激光的波长变化

Fig. 7. Output spectra of dual-wavelength fiber laser and its stability test results in 1 h. (a) Output spectrum of dual-wavelengthfiber laser; (b) output spectra after scanning 10 times in 1 h; (c) wavelength shift of dual-wavelength fiber laser

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图 8. 输出的三波长激光光谱及1 h内的稳定性测试结果。(a)输出的三波长激光光谱;(b)1 h内重复扫描10次后的输出光谱;(c)三波长激光的中心波长变化

Fig. 8. Output spectra of triple-wavelength fiber laser and its stability test results in 1 h. (a) Output spectrum of triple-wavelengthfiber laser; (b) output spectra after scanning 10 times in 1 h ; (c) central wavelength shift of triple-wavelength fiber laser

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图 9. 输出的四波长激光光谱及其1 h内的稳定性测试结果。(a)输出的四波长激光光谱;(b) 1 h内重复扫描10次后的输出光谱;(c)四波长激光的波长变化

Fig. 9. Output spectra of quad-wavelength fiber laser and its stability test results in 1 h. (a) Output spectrum of quad-wavelengthfiber laser; (b) output spectra after scanning 10 times in 1 h ; (c) wavelength shift of quad-wavelength fiber laser

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由以上实验可以看出,通过调节MZI的弯曲曲率C和PC偏振态,可得到激光的多种波长输出。而稳定性测试中波长出现漂移的部分原因是外界环境对MZI滤波器滤波特性的影响及各模式之间的相互竞争。由图6到图9的稳定性测试实验结果可知,输出激光的最大波长漂移量小于0.06 nm,且随着输出波长数目的增多,波长的漂移量有增加的趋势,这个现象出现的原因是发射波长数目越多,对腔内增益和损耗的平衡控制难度越大,导致波长之间的增益竞争变大^[8]。

5 结论

提出了一种通过简单方式实现稳定可调谐的多波长掺铒光纤激光器。基于模场失配原理,将NCF两端熔接PMF构成NCF-PMF-NCF结构,形成光纤内的MZI,通过调节MZI结构的曲率半径结合PC实现了多种稳定可调节多波长光纤激光输出,输出激光的最大波长间隔为40.184 nm,各波长的SMSR均大于50 dB。在1 h的稳定性测试中,测得所有波长的最大波长漂移量小于0.06 nm,输出激光较为稳定。该光纤激光器具有结构简单易于实现、成本低、可调节波长范围大、输出的SMSR较高及输出稳定等优点,在密集波分复用系统及多参量光纤传感等领域中具有重要应用。