1 引言

近几十年来,随机激光在光纤传感、物理光学成像、光谱测量、微波光子和生物医学等领域的潜在应用引起了学者们的研究兴趣^[1-4]。随机激光没有固定的光学谐振腔,工作原理是通过光在无序介质中多次散射来实现反馈,散射光的干涉效应在特定频率下产生谐振模式,随机激光随之产生^[5]。随机激光器具有光学谐振腔不严格,可同时产生多个非相干激光模式等优点,但又具有发射光谱对角度高依赖和阈值功率高等缺点。光纤作为一种具有二维约束性能的波导,被选择用来改善随机激光性能。2010年,Turitsyn等^[6]首次报道了一种基于瑞利散射随机分布反馈的随机光纤激光器,在全长83 km的传统光纤中利用分布式拉曼光纤增益放大器,获得了稳定的随机激光信号输出。2011年,Vatnik等^[7]报道了基于拉曼增益和瑞利散射随机分布反馈产生的级联随机激光,实验获得了波长在1.2 μm的第二级斯托克斯随机信号。2013年,Zhang等^[8]提出了一种利用色散补偿光纤和单模光纤(SMF)混合构成的半开放随机激光腔,从拉曼随机光纤激光器中分别获得了一阶和二阶斯托克斯随机激光。但是,基于拉曼散射级联产生的随机激光具有明显的缺点,即阈值功率较高(第二阶斯托克斯线的阈值超过1 W),产生的斯托克斯线数量少(不超过三阶斯托克斯线),波长间距大(约100 nm)等。

受激布里渊散射(SBS)被广泛应用于实现具有精确和稳定的波长间隔以及大量斯托克斯线级联的多波长光纤激光器中。基于瑞利散射所形成的随机分布式反馈,实现将SBS增益与掺铒光纤放大器(EDFA)增益或受激拉曼散射增益相结合,例如多波长布里渊-掺铒光纤/拉曼随机激光器。Pang等^[9]报道了一种相干布里渊随机光纤激光器,以一段非均匀光纤中的瑞利散射作为随机分布反馈,传统单模光纤中布里渊散射作为增益,获得了稳定的单峰窄线宽布里渊随机激光输出。对于应用于密集波分复用系统的多波长光纤激光器,要求其各信道输出功率尽可能平坦,可通过降低随机多波长激光峰值功率差异来提高功率平坦性。文献[ 10]采用半开腔设计,研究发现在奇数阶和偶数阶斯托克斯峰值之间功率差异可以变小。Cholan等^[11]也设计了一个半开放腔,其一端采用色散补偿光纤形成一个环形反射端,利用在色散补偿光纤中的四波混频将第1和第5输出信道之间的峰值功率差降低到4.59 dB,但其输出功率包含传输的布里渊抽运光源(BP)功率。黄昌青等^[12]设计了一种具有可调谐功能的半开腔多波长随机光纤激光器,最终得到仅包含3个波长的随机激光输出。此后,越来越多的基于布里渊散射的随机光纤激光器的文献被报道^[13-16],但大多采用环形结构,线性结构的半开腔布里渊随机光纤激光器仍鲜有报道。

本文研究了一种可调谐多波长布里渊随机光纤激光器,其一端利用3 dB耦合器构成全反端,另一端利用SMF中随机分布的瑞利散射效应形成另一个等效“腔镜”,因此所构成的激光腔为一个半开放式腔线性结构。利用SMF中瑞利散射随机分布反馈效应,经EDFA放大后的BP可在SMF中产生级联的高阶SBS,实现多波长布里渊随机激光输出。通过改变布里渊抽运功率及980 nm激光器功率,研究了其功率大小对随机激光输出的影响,实验最终获得了最多7个斯托克斯信号波长输出,这比已报道的结果有所提高。改变布里渊抽运的输入波长还可实现对随机激光的调谐,即实现随机激光在50 nm(1515~1565 nm)范围内的调谐。

2 实验结构与原理

基于布里渊-掺铒光纤混合增益的可调谐多波长随机光纤激光器的示意图如图1所示。该激光器是一个半开放式腔线性结构,包含作为非线性增益介质的SMF,其长度为10 km,一段 3 m长掺铒光纤通过一个980/1550 nm波分复用器(WDM),由最大输出功率为500 mW的980 nm激光抽运,用于在激光器中提供线性增益。具有970~1680 nm(710 nm)调谐范围和输出功率范围为7.4 dBm~12.4 dBm的可调谐激光器(TL)作为BP,它通过环形器(cir)和一个3 dB耦合器(C1)耦合到腔内,另一个3 dB耦合器(C2)将其同侧两端口直接连接起来,起到宽带光纤反射镜的作用,这样就可在激光器的抽运端为斯托克斯光提供较强的反馈。长SMF的尾端采用切斜角端面以避免端面菲涅耳反射的影响,从而保证稳定随机激光的产生。同时环形器的3端口还作为激光输出,输出随机多波长信号用光谱仪(AQ-6370D)进行测量。

图 1. 可调谐多波长布里渊随机激光器示意图

Fig. 1. Experimental setup of a tunable multiwavelength Brillouin random fiber laser

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随机光纤激光器工作原理如下:BP激光通过环形器的1端口到2端口,再经C1耦合进入到腔内,经过EDFA放大后进入10 km长的SMF中,当BP功率超过SBS阈值时产生背向一阶布里渊斯托克斯光(BS1),同时产生背向传输的瑞利散射。由于SBS的反向特性,BS1信号由反方向进入C1,一部分信号经 C1到环形器再由2端口进入3端口输出,另一部分经过由C2构成的宽带光纤环反射镜进行反射后再经过EDFA作为新的BP信号,如果功率达到SBS阈值就在10 km长SMF中产生下一级斯托克斯光,并同时发生反向瑞利散射,这个循环重复进行,直至激光器内部的总体增益低于工作波长的损耗。

3 实验结果

测定了没有外加BP时激光器的输出特性,结果如图2所示。最大激光器自激发振荡出现在1530 nm附近,说明该激光器的净增益最大值在1530 nm波段附近。

图 2. 随机激光器在1530 nm波段的自激发振荡

Fig. 2. Self excited oscillation of random laser at 1530 nm band

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固定BP的波长为1530 nm,功率为7.4 dBm,调节980 nm抽运功率,测得不同980 nm抽运功率下的激光器输出随机信激光光谱。BP功率为7.4 dBm时,不同980 nm 抽运功率下的随机激光器输出光谱如图3所示。由图3可知,当980 nm抽运功率相对较低时,在BP信号的左右两侧形成由自发布里渊散射所产生的BS1和反斯托克斯光,其光强度随980 nm抽运功率的增加而增大;当980 nm抽运功率增大到75 mW,达到SBS阈值时,产生不稳定的BS1;当980 nm抽运功率达到87 mW时,获得稳定的BS1输出。在这一点上,BS1的峰值强度明显高于BP的峰值强度,光谱保持稳定,相邻两个波长间的中心波长间隔为0.088 nm。

图 3. BP功率为7.4 dBm时,不同980 nm抽运功率下的随机激光器输出光谱图

Fig. 3. Output spectra of the random lasers at different 980 nm pump powers with BP power fixed at 7.4 dBm

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当980 nm抽运功率进一步增大到145 mW时,产生不稳定的二阶斯托克斯光(BS2)信号,此时BS1光的强度保持相对稳定;当980 nm抽运功率增大到155 mW时,此时的功率已高于BS2信号的阈值功率,同时获得了BS1、BS2两个稳定的斯托克斯波长输出,BS2和BS1中心波长间隔为0.088 nm;当980 nm抽运功率为235 mW时,3个稳定的斯托克斯输出波长被获得,其中还包括了功率较小的更高阶斯托克斯光与反向斯托克斯光;当980 nm抽运功率增大到485 mW时,输出的斯托克斯激光波长数增加到7个,前6个BS信号的峰值功率明显稳定。实验结果表明,随980 nm抽运功率的增加,整个EDFA可以为激发高阶斯托克斯光提供更大的增益,使随机激光器的输出多波长数量增加。当980 nm抽运功率达到500 mW时,输出结果如图4所示,最终获得了7个多波长的输出。

图 4. 随机激光器在980 nm抽运功率为500 mW时的输出光谱

Fig. 4. Output spectrum of the random laser at 980 nm with pump power of 500 mW

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由图4可以看出,实验得到了波长间隔为0.088 nm的多波长布里渊随机输出,左侧小峰是由BP光的瑞利背向散射引起,右侧是1至7阶的斯托克斯光。7个输出波长峰值功率分别为:-2.31 dBm,-2.594 dBm,-3.116 dBm,-3.89 dBm,-4.756 dBm,-6.863 dBm,-11.496 dBm,单个3 dB的布里渊波长线宽小于0.02 nm。另外,BS7信号的后面仍然有不少更高阶光信号产生,但这些波长的信号强度远低于前7个波长。由于增益的影响,BS7信号不稳定,但前6阶能持续稳定输出。随机激光的输出光谱中,BS1和BS6峰值功率差较小,奇数阶和偶数阶斯托克斯光的峰值功率差异不大,这说明半开腔较全开腔能更有效提高光反馈效率和实现四波混频效应,使多波长随机激光输出更平坦^[9,17-18]。从实验结果来看,该实验中的半开腔随机激光器可获得7个信道的随机多波长激光输出,同时多波长的个数可以通过控制980 nm 抽运功率的大小来改变。

图 5. 980 nm抽运功率为500 mW时,不同BP功率下的随机激光器输出光谱图

Fig. 5. Output spectra of the random laser under different BP powers at 980 nm with pump power fixed at 500 mW

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图 6. 980 nm抽运功率为300 mW和500 mW时,不同BP功率下的多波长个数

Fig. 6. Wavelength number under different BP powers at 980 nm with pump powers at 300 mW and 500 mW

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BP功率的大小也是影响多波长输出个数的一个重要因素,如图5和图6所示。当保持980 nm抽运功率为500 mW不变时,改变BP功率,分别为7.4 dBm,8.4 dBm,9.4 dBm,10.4 dBm,11.4 dBm,12.4 dBm时,该激光器的多波长输出个数分别为7,7,6,6,5,5;当保持980 nm抽运功率为300 mW不变时,改变BP功率,分别为7.4 dBm,8.4 dBm,9.4 dBm,10.4 dBm,11.4 dBm,12.4 dBm时,该激光器的多波长输出个数分别为4,4,3,3,3,2。结果显示,随着BP功率的增加,多波长个数有所减少,这是因为高功率的BP信号使随机激光器的振荡阈值增加,同时降低了激光器的输出波长数。

实验继续研究了随机激光器的可调谐性,将 980 nm抽运功率固定在500 mW,考察布里渊抽运波长在1500~1570 nm范围内当波长步长为1 nm时的变化,测量激光器的输出光谱,并得到多波长个数。图7给出了1525~1541 nm(16 nm)范围内的可调谐输出光谱图。结果显示,布里渊抽运在1525~1541 nm范围内变化时,可得到稳定的多阶随机斯托克斯波长输出,输出的多波长个数为4~7。

图 7. 不同BP波长的随机激光输出光谱图

Fig. 7. Random laser output spectra of different BP wavelengths

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图 8. 随机激光器在调谐范围内可产生的波长数

Fig. 8. Wavelength number obtained from the random laser in the tuning range

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图8给出整个可调谐范围内每1 nm测量的输出多波长个数的情况。从实验结果可以看出,在1527~1534 nm(7 nm)范围内调节BP波长,该随机激光器的输出多波长个数为7。但是,当BP波长小于1524 nm或大于1549 nm时,多波长的输出个数减少,甚至没有。这是由于BP工作波长不在EDFA的增益范围内,对应的斯托克斯信号不能得到充足的放大,达不到SBS阈值,所以不能激发下一阶斯托克斯光产生。实验结果表明,随机激光器可以在1515~1565 nm(50 nm)范围内调谐,以实现多波长输出。

图9给出在BP信号为7.4 dBm,980 nm抽运功率为500 mW时,激光器输出多波长的结果。测试时间为60 min,每10 min取一次实验结果,以获得该激光器7个多波长信号的稳定性。结果显示,7个信道的峰值功率最大抖动分别为:0.52 dBm,0.371 dBm,0.55 dBm,0.47 dBm,0.376 dBm,0.989 dBm,3.972 dBm。除信道7的波长稳定性相对较差外,其余6个波长抖动都小于1 dBm。结果表明随机激光器稳定性较好。

图 9. BP信号为7.4 dBm,980 nm抽运功率为500 mW时,激光器输出多波长的结果

Fig. 9. Multiwavelength output results with 7.4 dBm BP power and 500 mW pump power of 980 nm laser

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4 结论

提出了一种可调谐多波长布里渊随机光纤激光器,该激光器采用半开腔的线性结构设计,能有效消除输出光谱中奇数阶和偶数阶斯托克斯光的峰值功率差异,实现较多斯托克斯波长随机激光输出。半开腔结构一端利用3 dB耦合器构成全反端,另一端利用SMF中随机分布的瑞利散射作为反射,经EDFA放大后的布里渊抽运光在SMF中形成级联的高阶SBS,产生了多波长布里渊随机激光,并利用改变可调激光器(布里渊抽运)的输入波长实现对随机激光的可调谐特性。实验最终获得7个斯托克斯信号波长输出,波长在1515~1565 nm(50 nm)范围内调谐。可调谐多波长布里渊随机光纤激光器在光纤传感光谱测量、微波光子等领域均有重要的潜在应用,且对今后产生更多波长的随机激光的研究有一定的参考意义。