1 引言

1.7 μm波段激光器(1650~1750 nm)广泛应用于生物成像^[1]、聚合物激光焊接和处理^[2]、中红外激光器泵浦源^[3]和有机物微量测量^[4]等领域,且已成为近年来国内外新型光源研究的热点之一。而1.7 μm波段可调谐多波长激光器可以提高生物组织中光学相干断层扫描(OCT)的成像深度^[5],还可以增加OCT的成像范围和动态范围^[6-7]。

近几十年来,已有大量1.7 μm波段光纤激光器被报道。2004年Agger等^[8]报道基于掺铥光纤的分布反馈光纤激光器,采用790 nm激光泵浦5 cm长的掺铥光纤,最终得到1735 nm单频激光输出。2017年Khegai等^[9]基于掺铋光纤实现了脉宽为21 ps、重复频率为3.57 MHz的1.7 μm皮秒脉冲源输出。2018年,Casula等^[10]采用光学参量振荡实现1696~1761 nm的瓦级激光输出。国内近年对1.7 μm波段光源的研究逐渐增多,2014年Liu等^[11]基于拉曼效应实现了可调谐范围为1638.5~1675.1 nm的连续激光输出。2017年Zhang等^[12-14]演示了高达10阶级联拉曼连续可调谐光纤激光器,其波段可从1 μm调谐到1.9 μm。2019年吴迪等^[15]采用1550 nm连续光源和级联调制器组合的方式,得到了1.7 μm波段宽带光源。

综上所述,实现1.7 μm波段光源的方法分为两种:1)基于泵浦稀土掺杂离子光纤(掺铥光纤和掺铋光纤等)产生增益谱,并利用滤波方法产生1.7 μm波段光源;2)基于非线性效应产生1.7 μm波段光源,如受激拉曼散射(SRS)效应和光学参量振荡效应。SRS效应可以忽略波长的限制而获得任意波长的光,因此拉曼激光器是产生1.7 μm波段激光的优选方法之一。SRS通常采用较长的光纤提高非线性效应从而增强频移量。但由于受激布里渊散射(SBS)具有较低的阈值,在激光器谐振腔内不可避免产生SBS现象。本课题组先前工作对拉曼增益谱及激光输出做了一些研究^[16],本文在原有基础上提出采用过滤后放大自发辐射(ASE)光源作为泵浦源,可以增加泵浦光的光谱线宽,从而提高SBS阈值^[17-18]。另一方面,可调谐多波长光纤激光器因其自身独特的优点,在波分复用激光通信、光纤器件测试、光纤传感、生物仪器和微波光子学等领域受到广泛关注^[19]。2017年Jin等^[20]通过结合腔内标准具和非线性损耗来扩展连续波单频激光器的调谐范围,为产生多波长激光器提供了新的角度。多波长光纤激光器主要采用非线性偏振旋转^[21]、光纤布拉格光栅^[22]和梳状滤波器^[23]等方法。其中非线性偏振旋转主要利用光纤非线性效应实现多波长输出,但该方法稳定性差、结构复杂;采用光纤布拉格光栅实现多波长输出,但波长数不可调;而采用Sagnac环滤波器可以实现稳定的可调谐多波长激光输出。

本文提出了一种可调谐多波长拉曼光纤激光器(RFL)结构,其输出波长为1.7 μm波段。采用过滤后的ASE光源作为泵浦源,经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行光功率放大。在激光器腔中,以高非线性光纤(HNLF)和色散位移光纤(DSF)作为非线性增益介质,一段未泵浦的掺铒光纤(EDF)用于吸收增益谱中残余的泵浦光。通过调节偏振控制器(PC)和Sagnac环滤波器可以产生在1652.77 nm和1686.2 nm之间具有调谐范围大于33.4 nm的单波长激光输出,单波长激光器的光谱3 dB有效线宽为0.08 nm,边模抑制比大于45 dB。并且通过调节Sagnac环滤波器可以实现多波长激光输出,双波长激光可以从1654.88 nm到1664.6 nm之间连续调谐。可调谐多波长激光器本身斜效率较低,这是由于滤波后ASE光源有一部分能量损失。激光器性能可以通过提高非线性效应和采用1.7 μm波段的光纤器件得到改善。

2 实验结构及原理

2.1 实验结构

1.7 μm可调谐多波长拉曼光纤激光器实验结构如图1所示,实验采用自制的1550 nm波段ASE光源作为泵浦源,经过可调谐滤波器进行滤波后进入EDFA进行光功率放大。所用的可调谐滤波器的3 dB线宽约为1 nm。放大后的泵浦光通过三端口光环行器(3-port optical circulator,CIR)注入10 km的DSF和500 m的HNLF中产生拉曼增益谱。HNLF的零色散波长(ZDW)和非线性系数分别为1550 nm、10.8 W^-1·km^-1。 DSF在1550 nm附近的色散斜率约为0.085 ps /(nm²·km)。DSF的末端与光学隔离器(ISO)相连接,ISO用于确保光在腔内以单一方向传输,产生的增益谱由Sagnac环滤波器进行滤波。一段5 m的EDF用于吸收光谱中残余泵浦光。从耦合器(OC2)的20%端口输出的多波长激光接入光谱分析仪(OSA)(AQ6375,Yokogawa,日本)中观察光谱。

图 1. 1.7 μm波段可调谐拉曼激光器装置图

Fig. 1. Experimental setup of 1.7 μm band tunable Raman fiber laser

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2.2 实验原理

实验中基于ASE泵浦DSF光纤激发SRS效应,同时提高SBS效应的阈值而产生1.7 μm波段增益谱。石英光纤的拉曼增益范围约为40 THz ^[24-25],其中增益峰值约为13 THz。如果使用193 THz(1550 nm)光源作为泵浦光,则可以实现约180 THz(1666 nm)的拉曼增益峰值,故1.7 μm波段(1650~1750 nm)的光纤激光器可采用SRS效应作为增益方式。拉曼增益谱的峰值波长和增益谱范围易受到泵浦光波长和带宽的影响,因此,可以通过可调谐滤波器控制泵浦光的带宽来调节增益谱范围。此外,HNLF级联DSF来增强腔内非线性效应,从而增强拉曼频移量。

实验结构中通过增大泵浦光的光谱线宽产生SRS并增加SBS的阈值,使用1550 nm波段的 ASE光源作为泵浦光来抑制SBS。

背向SRS的阈值表达式可以表示为^[18]

gRp0LeffAeff≈20,(1)

式中:g_R≈3×10^-11 m/W为拉曼增益系数;p₀为背向SRS阈值;A_eff=50 μm²为DSF的有效核心区域面积;L_eff=[1-exp(-α_pL)]/α_p为DSF的有效光纤长度,其中α_p=0.21 dB/km为DSF在泵浦波长1550 nm下的衰减系数,L为DSF的长度。根据(1)式,计算出背向SRS的阈值p₀= 2.4 W。

当激光器结构为环型腔时,其SRS阈值可以表示为

GSRS=exp2gRPthSRSAeff=D,(2)

实验中,D是腔内往返损耗,约为30 dB。 因此,由(2)式计算出 PthSRS=403.5 mW。

SBS的阈值可以表示为^[26]

PthSBS=KGAeffgBLeff1+ΔVSΔVB=D,(3)

式中:g_B≈3×10^-11 m/W为布里渊增益系数。当入射光的偏振态与布里渊散射的斯托克斯光的偏振态无关时,K=2。G_SBS、ΔV_S和ΔV_B分别是布里渊阈值增益系数、泵浦线宽和斯托克斯光的线宽。

实验中,ASE滤波后的ΔV_S≈1 nm,对应于174 GHz。 当ΔV_B=20 MHz时,可以根据 (3)式得到 PthSBS=143 W。因此,通过增大泵浦光的光谱线宽可以有效提高SBS的阈值,从而抑制SBS效应,增加拉曼频移量。

Sagnac环滤波器具有梳状滤波的作用^[23],用于实现多波长激光输出,其结构如图2所示。此结构由偏振控制器(PC),保偏光纤(PMF)和3 dB耦合器构成。激光从E1端口进入耦合器后,被耦合器分成两束传播方向相反的光。其中一束光从E3端口输出并顺时针传输,另一束光从E4端口输出并逆时针传输。当光经过PMF时,快慢轴分量的光会出现相位差。光经过PC时,使偏振光方向旋转一个角度。最后两束传输方向相反的光经过PMF和PC之后在耦合器处相干输出,从而实现梳状滤波。

图 2. Sagnac环滤波器装置图

Fig. 2. Structure of the Sagnac loop filter

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当耦合器的耦合比为0.5时,其透射函数可以推导如下^[27-28]

T=sin2θcos2φ,(4)

式中:φ=πΔnL/λ为透射系数;L为PMF的长度;Δn为PMF快慢轴的折射率差。

图3所示为不同参数下的Sagnac环路传输的仿真结果。图3(a)为不同旋转角度下对应的Sagnac环透射光谱图。当θ接近π/2时,透射系数相对较高。仿真中选取了长度为0.1 m和0.2 m的PMF,得到的透射谱如图3(b)所示。PMF的长度越长,梳状光谱的周期越短,0.1 mPCF的光谱周期是0.2 m PCF周期的两倍。因此,通过改变PMF的长度可以获得具有不同波长间隔的多波长激光器。

图 3. Sagnac环透射光谱图。(a)不同的旋转角度;(b)不同PMF长度

Fig. 3. Transmission spectrum of the Sagnac loop. (a) Different rotation angles; (b) different lengths of PMF

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3 结果与讨论

3.1 增益谱实验结果

实验中使用的ASE宽带光源的工作波长为1527~1650 nm,输出功率为13 dBm。经滤波之后ASE光的半峰全宽为1 nm,输出功率降低至mW级别。如图4所示,首先将ASE泵浦光过滤后由EDFA放大,之后注入DSF和HNLF以产生1.7 μm波段拉曼增益光谱,并在DSF末端连接一个光耦合器(OC)作为光纤反射器。从环行器3端口输出的增益谱如图5所示,从图中可以看到,在35 dBm的泵浦功率下获得峰值波长为1675 nm的增益谱。此时,光谱中含有大量残余的1550 nm波段泵浦光。采用一段5 m的未泵浦EDF用于吸收残余泵浦光,并将泵浦光功率从32 dBm调节到36 dBm,得到的输出光谱如图6所示。图6中每条曲线表示了不同泵浦功率下的拉曼增益谱,随着泵浦功率逐渐增加,增益谱的峰值功率仅变化5.5 dB。这是因为ASE中心波长为1550 nm,导致增益较低。因此,通过调节可调滤波器可以改变ASE中心波长以获得合适的增益光谱。

图 4. 1.7 μm波段增益谱实验装置

Fig. 4. Experimental setup of 1.7 μm band gain spectrum

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图 5. 无EDF和可调谐滤波器时的增益谱

Fig. 5. Gain spectrum without EDF and tunable filter

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图 6. 通过EDF之后的增益谱

Fig. 6. Gain spectrum passed through EDF

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图 7. 使用EDF和可调滤波器在不同输入功率下的拉曼增益谱

Fig. 7. Raman gain spectrum under different input powers with EDF and tunable filter

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图7所示为调节可调滤波器使ASE中心波长从1539 nm调整到1563 nm,不同泵浦功率所对应输出的拉曼增益谱变化情况。从图7可以看到,随着泵浦功率逐渐增加,增益谱的峰值波长变化范围为20 nm,其峰值功率变化约为17 dB。 同时将EDF级联光纤Sagnac环滤波器进行滤波,经过滤波之后的宽带光谱如图8所示,获得1560~1780 nm范围内波长周期为13.4 nm的梳状透射光谱,峰值功率约为-34.1 dBm。

图 8. Sagnac环滤波器透射谱

Fig. 8. Transmission spectrum of Sagnac loop filter

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3.2 激光器实验结果

实验装置如图1所示,输出激光由光谱分析仪测量。当泵浦光达到32.8 dBm时,达到激光器阈值,观测到1.7 μm单波长激光输出。实验阈值略大于计算结果,并且激光器斜效率较低。这是由于采用滤波之后的ASE光源作为泵浦源,在其滤波过程中有一部分能量损失。通过光谱分析仪测量单波长激光输出,光谱图如图9所示。单波长激光其峰值波长为1686.24 nm,光谱3 dB线宽为0.08 nm,激光器的边模抑制比大于45 dB。激光器使用的光纤均为单模光纤,最终激光器输出为基模高斯光束。

图 9. 激光器光谱图。(a)边模抑制比;(b) 3dB线宽

Fig. 9. Spectrum of the laser. (a) Side mode suppression ratio; (b) 3 dB linewidth

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如图10所示,通过调节腔内PC和可调滤波器,可以得到在1652.77~1686.20 nm之间具有调谐范围大于33.4 nm的单波长激光输出。激光器的调谐精度与Sagnac环滤波器的波长周期以及可调谐滤波器精度有关。若仅调节PC,其激光器的调谐精度等于滤波周期,此时调谐精度约为13.4 nm。如果只改变ASE光源后端的可调谐滤波器的滤波波长,激光器也可在小范围内调谐,但该调谐范围小于梳状滤波器的周期。此时激光器最小调谐精度约为nm级别。此外测量了激光器中心波长和输出功率在50 min的变化情况,如图11所示,对于单波长激光的输出功率变化小于±1 dB,中心波长漂移小于0.01 nm。其功率波动的主要原因是泵浦源和放大器的功率波动以及环境温度的变化。

图 10. 激光器的调谐范围

Fig. 10. Tuning range of laser

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图 11. 激光器稳定性测试

Fig. 11. Stability test of laser

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泵浦功率增加为35 dBm,调节PC可以实现双波长激光输出。输出光谱图如图12所示,输出的双波长为1664.60 nm和1679.32 nm。两个波长的边模抑制比都大于45 dB。双波长之间距离为13.4 nm,约为Sagnac环滤波器的周期,实验结果与理论分析基本一致。调节PC使双波长激光器可以从1654.88 nm变为1664.60 nm,相应的调谐范围为9.72 nm。可以发现,可调谐范围小于单个激光器的调谐范围和Sagnac环滤波器的周期。分析原因可能是泵浦功率不足以在滤波周期内产生双波长激光。此外,可以通过减少腔体损耗和使用1.7 μm的器件来减少腔体损耗,从而获得更多的激光输出波长数。如图13所示,测量双波长激光的中心波长和输出功率在50 min的变化情况,可知双波长激光器的输出功率抖动约为±2 dB。

图 12. 双波长激光器的输出光谱

Fig. 12. Output spectrum of dual-wavelength lasers

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图 13. 双波长激光器的功率抖动

Fig. 13. Power fluctuation of dual-wavelength lasers

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4 结论

本文提出了一种可调谐多波长拉曼光纤激光器,其输出波长接近1.7 μm波段。该可调谐激光器可以产生在1652.77 nm和1686.20 nm之间具有大于33.4 nm调谐范围的单波长激光,其3 dB线宽为0.08 nm,输出功率约为-4 dBm,功率波动小于±1 dB。多波长激光器也可以通过增加泵浦功率来实现。双波长激光器的可调谐范围为9.72 nm(1654.88~1664.60 nm),得到的单波长激光和双波长激光具有大于45 dB的边模抑制比。双波长激光器的输出功率变化小于±2 dB。该实验结果可以对未来1.7 μm波段光源的实用化和产业化提供参考。