1 引言

尽管工作在人眼安全的2 μm传输波段的单纵模(SLM)掺铥光纤激光器(TDFL)得到了广泛应用,但是对于集中在2 μm波段高质量空间光网络激光信号的研究却很少。因此,设计和实现2 μm波段高稳定性的SLM,窄线宽TDFL对于波分复用(WDM)、大气探测、医疗,以及雷达等系统具有重要意义^[1]。而如何实现SLM操作,抑制密集的多纵模(MLM)振荡和跳模现象是当前SLM光纤激光器亟待解决的技术难题^[2-3]。

通常采用短的线型腔^[4-6]、可饱和吸收体^[7-11]、复合腔^[12-13],以及极窄的通带滤波器^[14-15]等方法实现极窄的线宽和SLM操作,其中复合的子环腔结构因其良好的抑制纵模特性已经成为研究的热点。基于游标效应^[16],通过使用多环腔,实现了更为有效地自由光谱范围(FSR)。由两个耦合器^[17-18]或高质量的三环子环腔(TR-SC)^[19-20]组成的复合环滤波器,使用双环(主腔环和子腔环)谐振腔结构,实现了稳定的SLM激射。因此,在主腔中插入多环子环,可以有效地增大纵模间隔,减少MLM和跳模^[21]。

本文提出并验证了一个在人眼安全传输的2 μm波段稳定的SLM窄线宽TDFL,通过使用自制的窄线宽光纤布拉格光栅(FBG)和一个特殊的TR-SC,实现了稳定的SLM输出。仅在频率满足所有环形谐振腔的谐振条件时^[22],激光器开始振荡。通过合理地调整TR-SC的各个谐振腔长度,实现了光纤激光器SLM激射。此外,为了验证所提出的SLM TDFL的输出稳定性,进行了长达100 min的观察,输出功率的最大变化为0.26 dB,在1940.6 nm处的中心波长的最大波动小于0.01 nm,也就意味着在室温下,利用本文方法能获得高质量的SLM输出信号。

2 实验结构和原理

图1为所提出的基于TR-SC结构稳定的SLM窄线宽TDFL结构示意图,激光器由一个作为增益介质的2.5 m长的双包层掺铥光纤(吸收系数为4.5 dB/m)、一个作为抽运的通过一个793/2000光纤合束器(FC)的793 nm激光器二极管(LD)、一个偏振控制器(PC)、一个起偏器(polarizer)、一个光环形器(OC)、两个90∶10的光耦合器(OCP)、两个99∶1 OCPs和一个自制窄线宽的中心波长为1940.8 nm的FBG组成。主腔的光纤总长约为13.6 m,光纤合束器与OCP-1接入主腔中的光纤长度分别为1.2 m和2.3 m,OCP-2与OCP-4接入主环腔中的光纤长度为1.5 m,PC、起偏器,以及FBG中光纤长分别为2.6 m、1.8 m和1.8 m,OC在主腔部分的长度为1.7 m。OC保证了主腔中的单向振荡,使行波方向一致,避免了偏振烧孔效应。起偏器用来调整单偏振状态,将PC与起偏器相结合,可以引入偏振依赖损耗,从而抑制纵模和减少跳模。激光信号经过起偏器之后会产生线偏振光,而线偏振光经过光路后偏振态会旋转,当此激光信号再次回到起偏器时,通过调整PC来改变光信号的偏振态。只有当偏振态与起偏器的同光轴平行时,损耗最小。不同波长或频率的激光信号在环形腔中经过光路之后偏振态旋转的程度不一样,因此便达到了选频/选模式的效果,而其他的纵模和跳模位置损耗增大,从而更好地抑制其他位置的MLM和跳模。

图 1. SLM光纤激光器的实验结构

Fig. 1. Experimental setup of SLM fiber laser

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FBG作为自制的窄线宽的波长选择器,其传输光谱和反射光谱如图2所示。FBG的中心波长为1940.8 nm,3 dB带宽和反射率约为0.12 nm和88%,也就意味着其带宽窄、反射率高,具有良好的初步滤波效果。对于激光器的输出检测采用的是分辨率为0.05 nm的光谱分析仪(YOKOGAWA AQ6375, OSA)和带有光电探测器的Agilent 9010频谱分析仪(ESA)。

图 2. FBG的光谱图。(a)传输谱;(b)反射谱

Fig. 2. Spectra of FBG. (a) Transmission spectrum; (b) reflection spectrum

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激光器的输出功率和谐振腔输出的光谱线宽受光纤耦合器的耦合比影响。当输出功率满足要求时,提高光纤耦合器的耦合比或使用耦合比更大的一端作为谐振腔的输入均可起到抑制MLM和跳模的作用,从而实现更窄的光谱线宽输出^[23]。因此,将光纤耦合器10%的一端作为激光器输出端,90%的一端作为主腔的输入端。TR-SC由3个光纤耦合器(两个99∶1耦合器:OCP-3和OCP-4,一个90∶10耦合器:OCP-2)组成。OCP-2和OCP-4在子环腔中分别保留了90%和99%的能量。3个耦合器构成了相互嵌套的环形腔(ring-1、ring-2、ring-3),长度分别为0.85,1.5,2.9 m,相应的FSR分别为122,69,36 MHz。

从主腔密集的纵模中选择出SLM的原理如下:激光器仅在频率同时满足主腔、所有子环谐振腔,以及FBG的通频带条件的谐振条件时开始振荡^[20]。而最终输出的纵模则由FBG和TR-SC共同滤波得到。FBG具有极窄的带宽和较好的初步滤波效果。根据游标效应^[24],TR-SC能有效地增加FSR,这是因为子环的大环和小环会经过数次滤波,对于每一次滤波,更小的边频会被抑制。当腔长选择合理时,纵模间隔将大于最终的谐振波长间隔。此时,除了输出信号,其他的纵模均得到了抑制,从而实现了SLM激射。

3 实验结果与分析

保持抽运功率在2.76 W以下,通过仔细并有效地调整TR-SC所有子环腔的腔长,实现了SLM窄线宽TDFL稳定激射。典型的激光器输出光谱图如图3(a)所示,其由分辨率为0.05 nm的OSA所测得。由实验数据可知,输出光谱的激射波长为1940.6 nm,与FBG中心波长相对应。测得输出波长的3 dB带宽为0.018 nm,受限于OSA的最小分辨率影响,其实际的带宽会更小。SLM输出的光信噪比(OSNR)为60 dB。当抽运功率为2.76 W时,由于光路中光纤的耦合损耗,TDFL输出激光信号的功率为0.37 mW。为了验证本文所提激光器的稳定性,对光谱进行了超过10次的重复扫描,且每次时间间隔为10 min,扫描结果如图3(b)所示。在实验监测期间,保持激光器系统的其他部分不变,未发现明显的输出功率抖动和中心波长偏移,表明在室温下实现了SLM TDFL稳定激射。

图 3. 固定单波长下激射的光谱。(a)典型光谱;(b)间隔为10 min的10次重复OSA扫描光谱

Fig. 3. Optical spectraof lasing at fixed single wavelength. (a) Typical spectrum; (b) spectra of 10 repeated OSA scans with interval of 10 min

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为了进一步研究输出功率的波动和中心波长的偏移,绘制了输出激光的功率变化和波长偏移量的折线图,如图4所示,信号的输出功率抖动小于0.26 dB,中心波长偏移小于0.01 nm。在激射的过程中,由于MLM振荡和跳模现象的存在,输出信号的功率抖动和波长偏移几乎可以忽略。

图 4. 在1940.6 nm处SLM激射的输出功率和中心波长变化

Fig. 4. Fluctuations of output power and central wavelength in SLM lasing operation at 1940.6 nm

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为了阐明SLM的特性,将激光器的输出注入到光电探测器(PD,1 GHz)中,光信号被转化成电信号,再将转换后的电信号接入ESA中,其射频(RF)信号由ESA检测。图5所示为使用分辨率为10 kHz的ESA,在1 GHz范围内测得的光纤激光器的RF拍频光谱。ESA的扫描范围远大于两个相邻的纵模间隔。包含所有子环腔和FBG的谐振腔主腔的长度约为13.6 m,相对应基频的纵模频率间隔为7.6 MHz,在1 GHz检测范围内,未检测到明显的拍频RF信号,表明TDFL SLM激射是稳定的。

图 5. 在0~1 GHz范围内激光器输出的射频拍频光谱

Fig. 5. Radio-frequency beating spectrum of laser output in range of 0-1 GHz

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使用由3×3光纤耦合器组成的非平衡迈克耳孙干涉仪(MI)检测频率噪声^[18]。选择50 m长的光纤作为MI的光纤延时线。频率噪声功率谱密度可以由相位噪声功率谱密度获得。β 算法是一种解决激光频率噪声和激光线宽之间关系的简单的近似公式,用于评估任意噪声频谱密度的激光线宽。利用β算法,可将线宽和频率噪声的功率谱密度(PSD)进行关联,进而根据频率噪声计算待测激光的线宽^[25]。测量的频率噪声,以及线宽和测量时间之间的关系如图6所示。随着测量时间的增加,线宽也在增加。当测量时间为0.05 s时,相应的频率噪声达到了白噪声限制,此时,由频率噪声计算得到的线宽最小值约为8 kHz。

图 6. SLM光纤激光器的频率噪声的功率谱密度

Fig. 6. Power spectral density of frequency noise of SLM fiber laser

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其他同时使用TR-SC结构作为SLM选择的研究,采用光纤法布里-珀罗可调谐滤波器(FFP-TF)或叠加光纤布拉格光栅(SI-FBG)作为波长选择器^[19-20],与之相比,本文所提激光器方案更易构建,且已在TR-SC结构上实现了稳定的SLM窄线宽TDFL。此外,在TR-SC结构中使用的3个光耦合器的耦合比也均高于其他的研究工作,这也使得SLM激射更加稳定,且实验结果的稳定性可通过输出功率和中心波长的波动数据表征。

4 结论

提出了稳定的SLM窄线宽TDFL,并利用自制的窄线宽FBG和特殊的TR-SC结构进行了实验验证。TR-SC结构很好地抑制了主腔中密集的MLM和跳模现象。通过合理调整所有子环腔长度,再结合FBG的窄带宽波长选择效果,实现了稳定的SLM激射。中心波长为1940.6 nm的输出信号的OSNR为60 dB。频率噪声采用基于3×3光耦合器的自零差技术进行测量。当测量时间为0.05 s时,通过频率噪声计算的线宽约为8 kHz。与其他TDFL相比,本文搭建的激光器具有强稳定性和窄线宽特性,可以更好地应用于人眼安全的2 μm波段空间光网络中。