1　引言

近年来，2 μm波段单纵模（SLM）光纤激光器因其在水分子、温室气体和一些其他化合物中的独特吸收特性，以及在自由空间光通信、激光雷达大气测量、高分辨率光谱学和生物医疗^［1-5］等领域的潜在应用，备受青睐。而且，2 μm波段激光处于人眼安全波段，是自由空间光传输相关应用的优选光源。目前，能够实现SLM激光运行的光纤激光器结构主要有短谐振腔（短腔）型和长谐振腔（长腔）型两种。短腔型主要指分布反馈型（DFB）^［6-7］光纤激光器和分布布拉格反射型（DBR）^［8-10］光纤激光器，这两类激光器结构简单、SLM运行稳定，但由于增益光纤长度较短，导致激光效率很低、谐振腔Q值不够高、线宽压窄困难、噪声特性差。长腔型光纤激光器拥有结构灵活多变、光子寿命长、Q值高、线宽窄、噪声特性好等优点，且可以通过简单延长增益光纤长度提高激光输出功率和激光效率。而较长的谐振腔会导致腔内纵模密集，如何筛选且实现SLM激光输出成为该类型结构光纤激光器的研究重点。目前，已经提出的适用于长腔型光纤激光器选择SLM的方法有基于光纤布拉格光栅（FBG）的超窄带滤波器^［11-13］、未泵浦掺杂光纤可饱和吸收体^［14-15］、微环谐振腔滤波器^［16］等，但这些方法具有成本高、损耗大、抗干扰能力差、制作重复性差等特点。复合谐振腔法是一种成本低、性能稳定、结构灵活、制作容易的光纤激光器SLM输出实现方法，已经得到了研究者们的普遍认可^［17-19］。本文课题组近年来对复合谐振腔型单纵模窄线宽光纤激光器开展了大量深入的研究工作，提出了定量的结合理论和实验的复合谐振腔滤波器研究方法，并成功在1.55 μm波段实现了高质量的SLM激光输出^［20-22］，将其推广到2 μm波段SLM光纤激光器的研制具有重要意义。然而，2 μm波段光纤激光在器件性能、损耗特性、泵浦方式等方面具有特殊性，2 μm波段复合谐振腔型SLM光纤激光器值得深入研究。

本文提出并演示了一种非对称线形复合四腔（AL-CFC）和双光纤耦合器（OC）环形腔（DCR）组成的混合复合谐振腔型SLM掺铥光纤激光器（TDFL）。AL-CFC由3个FBG和2个OC构成，4个线性谐振腔腔长均不同，均为有源主腔且相互交叉耦合，基于游标效应显著增大有效纵模间隔。DCR具有窄带滤波通道，与AL-CFC共同作用，确保了稳定的SLM激光输出。经测量，搭建的TDFL具有良好的波长和功率稳定性，当泵浦功率为2.80 W时，激光输出中心波长为2049.160 nm，光信噪比为75.65 dB，输出功率为15.47 mW。

2　实验装置及原理

提出的2 μm混合复合谐振腔SLM TDFL的结构如图1所示。激光谐振腔主要由AL-CFC和 DCR组成。AL-CFC由2个2×2型OC（OC3和OC4，耦合比均为50：50）和3个高反射率的均匀FBG（FBG1、FBG2和FBG3）组成，基于游标原理有效增大主腔纵模间隔来减少光栅带宽内的模式数量，实现激光器单纵模运行；具有窄带梳状滤波通道的DCR（由2个2×2型30：70 的OC组成，环长为50 cm）用来进一步抑制因环境扰动引起的模式跳变和多模振荡，进一步提高激光器SLM运行稳定性。一段1.20 m长的掺铥光纤（TDF，Nufern SM-TDF-10P/130-M）作为增益介质。一台1567 nm 半导体激光器（LD）经最大输出功率为5 W的掺铒光纤放大器（EDFA）放大后作为泵浦源，从FBG1端注入谐振腔。信号光在OC3处分成两束，分别经长度为L₁=0.30 m和L₂=0.35 m的单模光纤（SMF）进入OC4，再由OC4输出后经长度分别为L₃=0.30 m和L₄=0.40 m的SMF被FBG2和FBG3反射，所产生的2 μm波段SLM激光经OC3的50%端口进行输出。激光器结构中所有的OC均为本文课题组使用熔融拉锥机自制。

图 1. 提出的混合复合谐振腔型SLM TDFL光纤激光器示意图

Fig. 1. Schematic of proposed hybrid compound-cavity SLM TDFL

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使用分辨率为0.05 nm、数据采样间隔为0.003 nm的光谱分析仪（OSA，Yokogawa AQ6375B）测得3个FBG的反射谱如图2（a）所示，3个FBG的反射通道的重叠区作为激光的波长选择通道，3个FBG的反射率均为~99 %，重合区域中心波长为~2048.983 nm，半峰全宽（FWHM）为~35.74 GHz，3个FBG的高度重合保证了复合谐振腔中激光的稳定振荡。形成的4个线形腔分别为：FBG1-TDF-L1-L3-FBG2、FBG1-TDF-L2-L3-FBG2、FBG1-TDF-L1-L4-FBG3、FBG1-TDF-L2-L4-FBG3，其长度分别为4.00、4.05、4.10、4.15 m，对应的自由光谱范围（FSR）分别为25.77、25.45、25.14、24.84 MHz，计算公式为

式中：c为光速；neff=1.455为2 μm波段激光在SMF内传输的有效折射率；L为谐振腔长。基于游标原理，有效FSR应为4个腔对应FSR的最小公倍数^［23-24］，计算出有效FSR（即有效纵模间隔）为409.56 GHz，能够有效抑制多模振荡，从而实现激光器的SLM运行。然而，由于4个非对称线性腔的腔长较长且3个FBG的反射光谱重叠区带宽较宽，受环境影响会导致SLM输出不稳定。因此，在腔内嵌入一个具有窄带梳状滤波特性的DCR，用来进一步抑制受环境影响可能导致的激光器多模振荡。DCR透过率公式为^［22］

式中：T为透射率；E为输出端口的电场振幅；γ1=0.08 dB、γ2=0.11 dB和α1=0.296、α2=0.298分别为实测的OC1、OC2的插入损耗和交叉耦合系数；δ=0.01 dB为DCR环内熔接点损耗；β=20 dB/km为信号光传输损耗；LDCR=50 cm为DCR的环长；k=2π/λ为波矢。取2049.12 nm≤λ≤2049.18 nm，仿真得到的DCR滤波光谱如图2（b）所示。在滤波器筛选SLM的过程中，需要滤波器的3 dB带宽与主腔纵模的间隔相匹配，即DCR的3 dB带宽在主腔纵模间隔的1~2倍之间^［18］。从图2（b）可见，DCR的3 dB带宽为40.88 MHz，在4个线性腔纵模间隔的1~2倍之间。因此，配合使用AL-CFC和 DCR能够有效抑制受环境扰动出现的多模振荡，实现稳定SLM激光输出。

图 2. FBG和DCR滤波光谱。（a）测得的FBG1、FBG2和FBG3的反射光谱；（b）仿真得到的DCR的透射光谱

Fig. 2. Filter spectra of FBG and DCR. (a) Measured reflection spectra of FBG1, FBG2, and FBG3; (b) simulated transmission spectrum of DCR

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3　实验结果分析与讨论

TDFL搭建于普通钢制光学平台上，室温下进行实验和测试。在1567 nm泵浦激光功率达到2.80 W时，使用OSA测量激光输出光谱特性如图3所示。激光中心波长为2049.160 nm，光信噪比高达75.65 dB，插图（Inset）为在200 min内以10 min的间隔对光谱进行20次重复扫描结果。为了研究激光输出稳定性，提取20次OSA扫描光谱的中心波长和峰值功率，如图4所示，可见功率波动小于0.85 dB，中心波长波动小于0.005 nm。

图 3. OSA测量的激光输出光谱。插图为以10 min间隔重复OSA扫描20次

Fig. 3. Laser output spectrum measured by OSA. Inset shows 20-times repeated OSA scans at 10 min intervals

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图 4. 激光中心波长和峰值功率波动

Fig. 4. Central wavelength and peak power fluctuation of laser

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在相同泵浦功率下，使用法布里-珀罗（F-P）干涉仪（Thorlabs，SA200-18C）和示波器（Tektronix，TDS 2024C）测量激光输出的SLM特性，测量装置如图5（a）所示。F-P干涉仪的自由光谱范围和分辨率分别为1.5 GHz和7.5 MHz。图5（b）为测量结果，其中锯齿波表示干涉仪的驱动电压信号，曲线表示在一个电压扫描周期内的激光模式数。从图中可以看出，在大于一个干涉仪的FSR内有且仅有两个激光信号通过干涉仪，说明激光器处于SLM运行状态。

图 5. F-P干涉仪测量光纤激光器SLM特性。（a）测量系统示意图；（b）测量结果

Fig. 5. SLM lasing measured by F-P interferometer. (a) Schematic of measurement system; (b) measurement result

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采用自零差法进一步研究了激光器的SLM运行稳定性，激光输出通过1 GHz光电探测器（PD）和射频（RF）频谱分析仪（ESA，Keysight N9010A）进行测量，如图6（a）所示。使用ESA的最大保持模式测量10 min，没有捕获到任何拍频信号，表明激光器处在稳定的SLM运行状态。为了进一步验证DCR的性能，使用等长度的SMF代替DCR进行测量，以保证主腔长度不变，结果如图6（b）所示。使用最大保持模式在10 min的测量时间内可以看到少数几个拍频信号，说明DCR起到了稳定SLM输出的作用，能够有效抑制因光栅带宽较宽和腔长太长而受环境扰动引起的多模振荡，与预期结果一致。遗憾的是，由于目前实验条件限制，本文没有对SLM输出激光线宽特性进行表征。

图 6. 自零差法测量激光SLM输出。（a）带有DCR的TDFL输出拍频谱；（b）用等长度SMF代替DCR的TDFL输出拍频谱

Fig. 6. SLM lasing measured by self-homodyne method. (a) Laser output beating spectrum for TDFL with DCR; (b) laser output beating spectrum for TDFL with equal-length SMF instead of DCR

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最后，通过功率计（Thorlabs，S405C）测量了不同泵浦功率下的激光输出功率，如图7所示。对测量数据进行线性拟合，得到激光器输出斜率效率为1.43%，阈值泵浦功率为1.75 W。泵浦功率为2.80 W时，激光输出为15.47 mW。较高的阈值泵浦功率和较小的斜率效率主要是因为使用的双包层TDF与SMF熔接点模场失配严重，加上2 μm波段相关器件普遍损耗较大，导致整体激光器转换效率较低。从图7中可以看出，泵浦功率达到2.80 W时，激光输出并没有达到饱和，但是考虑到熔接点发热较为严重，可能导致器件损坏，没有测试激光器的最高输出功率。

图 7. 激光输出功率随泵浦功率的变化

Fig. 7. Laser output power as a function of pump power

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4　结论

提出并实验验证了基于AL-CFC和DCR的混合复合谐振腔型SLM TDFL。AL-CFC得到了超大有效纵模间隔，可以实现激光器的SLM振荡；DCR具有超窄带滤波特性，进一步确保激光器SLM运行的长时间稳定。当泵浦功率为2.80 W时，激光输出中心波长为2049.160 nm、功率为15.47 mW、光信噪比高达75.65 dB。200 min测量时间内，波长和功率波动分别小于0.005 nm和0.85 dB。两种方法验证了激光器可以稳定工作在SLM输出状态，且验证了DCR对于SLM 长期稳定性的效果。测量得到激光器的阈值泵浦功率为1.75 W、斜率效率为1.43%。提出的2 μm波段SLM光纤激光器没有使用昂贵的超窄带滤波器件，制作简单、成本低廉，具有较好的实用化前景，在自由空间光通信、激光雷达、光学传感等领域具有潜在的应用价值。