布里渊双波长窄线宽光纤激光器及其扫频微波信号生成
1 引言
双波长单纵模(SLM)光纤激光器在光纤传感、密集波分复用、电子对抗、光纤通信、激光雷达探测、微波以及THz波信号生成等领域具有广泛的应用前景和巨大的应用潜力[1-7]。目前实现双波长SLM光纤激光器的方法主要有光纤光栅(FBG)超窄带滤波器[8]、可饱和吸收体[9]以及复合腔法[10]等,但以上在实现双波长激光输出时,具有成本高、损耗大、结构复杂等缺点。非线性频移也是一种有效的双波长激光实现方法[11-14]。自从1976年Hill等[15]首次报道了基于受激布里渊散射(SBS)的光纤激光器以来,由于其较低的相位噪声[16]、优异的相干性[17]和多波长稳定输出[18]等性能,被广泛研究。基于SBS的双波长光纤激光器因其结构简单、相位噪声低、功率损耗小和窄线宽输出等优点[16],不仅在光通信和光纤传感等技术领域中得到了广泛关注,而且作为光生微波信号的优质光源具有巨大应用潜力。
利用残余泵浦光和布里渊激光拍频是一种实现微波信号生成的简单方法,在此基础上实现微波信号调谐可以采用以下措施:一是通过对SBS增益光纤施加应变以改变布里渊增益谱的位置,从而实现微波信号的调谐[12];二是通过改变SBS谐振腔的温度实现微波信号的调谐[14],但受限于温度的变化速度,微波信号调谐速度较慢;三是大范围调节泵浦光波长,可以在一定范围内改变SBS频移,从而实现微波信号调谐[19-20],但该方法很受限于泵浦激光器的波长调谐特性。2017年,本课题组[21]采用1 km的单模光纤(SMF)作为SBS增益光纤,研制了双波长光纤激光器。在泵浦激光波长调谐范围宽达130 nm时,仅实现了拍频所得微波信号在894 MHz范围内的可调谐;而且由于激光器腔长很长,未能实现布里渊激光的SLM运行。
本文提出一种新型布里渊双波长光纤激光器,仅使用长度为3.0 m的高非线性光纤(HNLF)作为SBS增益介质,在6.6 m的谐振腔内实现了布里渊激光的SLM窄线宽运行。通过与残余泵浦光结合得到了稳定的高信噪比(OSNR)双波长激光输出,且经过拍频得到了频率为9.42 GHz的微波信号输出,又结合步进电机光纤拉伸机构对HNLF引入应变调制,获得了289.7 MHz范围的扫频微波信号。文中对布里渊激光的SLM、跳模、线宽等进行了详细的实验研究,同时对双波长拍频得到微波信号的扫频原理和步进电机拉伸HNLF应变调制实现微波信号的扫频特性进行了详细分析与讨论。
2 实验装置及原理
2.1 激光器实验结构及原理分析
实现布里渊激光SLM输出的关键是激光谐振腔长和布里渊增益谱宽之间的匹配。考虑到所使用的HNLF与SMF的布里渊谱特性不同,搭建了光外差系统并对SBS增益谱随入纤泵浦光功率的变化规律进行了测量。
图 2. 外差法测试布里渊增益谱系统示意图
Fig. 2. Schematic of heterodyne method for measuring Brillouin gain spectrum
在不同入纤泵浦光功率下测量布里渊增益谱,使用ESA的平均模式测量100次,测量范围为300 MHz,测量分辨率带宽(Resolution bandwidth,RBW)为100 kHz,如
图 3. 3.0 m长HNLF布里渊增益谱随入纤泵浦光功率的变化
Fig. 3. Brillouin gain spectrum of HNLF with 3.0 m length varies with the input pump laser power
图 4. 3.0 m长HNLF布里渊增益谱宽随着入纤泵浦光功率的变化
Fig. 4. Brillouin gain spectrum width variation of 3.0 m long HNLF versus input pump laser power
由于存在器件发热引起的性能漂移现象,激光器工作时不宜采用太高的泵浦光功率,本文工作主要以高功率EDFA输出功率3 W为代表开展研究。经测量得知,
2.2 光纤应变调制方法
作为非线性散射效应中的一种,SBS是由石英光纤中声子引起的,布里渊频移量取决于光纤的声学和热学等特性。当光纤温度变化或产生应变时,纤芯有效折射率和光纤中声速会随之改变,导致光纤的布里渊频移发生改变[25]。对于普通石英SMF,在波长λp=1 550 nm、温度T0=20 ℃时,布里渊频移νB和应变量ε之间的关系可以表示为[26]:
(1)
可以计算得出布里渊频移量与应变量之间成正比例关系,比例系数为0.048 MHz/με。对增益光纤引入应变可以实现双波长激光拍频微波信号调谐,假设HNLF具有类似于SMF的比例系数,则对3.0 m长HNLF每引入500 με,理论上布里渊激光能够实现~24.0 MHz的频移,即微波信号能在9.42 GHz附近实现~24.0 MHz的频率变化。
定制了步进电机光纤拉伸机构以实现光纤应变调节,如
3 结果与讨论
3.1 激光输出性能测量
图 6. (a)FBG反射光谱;(b)有、无FBG滤波的双波长激光输出光谱;(c)布里渊激光输出光谱。
Fig. 6. (a)Reflection spectrum of FBG. (b)Dual-wavelength laser output spectra with and without FBG filtering, respectively. (c)Brillouin laser output spectrum.
图 7. (a)自零差法测量的布里渊激光SLM运行结果;(b)延时自外差法测量的SLM布里渊激光无跳模运行结果。
Fig. 7. (a)Measurement of SLM Brillouin lasing, using self-homodyne method. (b)Measurement of mode-hopping-free SLM Brillouin lasing, using delayed self-heterodyne method.
图 8. (a)泵浦激光线宽测量;(b)布里渊激光线宽测量。
Fig. 8. (a)Linewidth measurement of pump laser. (b)Linewidth measurement of Brillouin laser.
图 9. 布里渊激光输出功率与HNLF泵浦激光功率的关系
Fig. 9. Brillouin laser output power versus pump laser power of HNLF
3.2 微波信号扫频性能测量
使用带宽为18 GHz、阈值为10 mW的PD通过自零差法拍频双波长激光输出得到微波信号,由ESA测量结果如
图 10. 双波长光纤激光输出拍频产生的微波信号
Fig. 10. Microwave signal generated by frequency beating of the dual-wavelength fiber laser output
图 11. HNLF受不同应变时测量的微波信号
Fig. 11. Microwave signals measured when HNLF is under different strains
表 1. HNLF受不同应变时测量的微波信号的频率
Table 1. Microwave signal frequencies measured when HNLF is under different strains
|
为了验证微波信号的频率扫描特性,设置步进电机光纤拉伸机构为扫描模式,扫描频率为10 Hz,从HNLF施加0~2 000 με开始,以400 με为间隔增加扫描范围,最大到0~6 000 με,对微波信号的频率扫描特性分别进行测量。设置ESA为最大保持测量模式,并在30 s内对扫频微波信号进行测量,实验结果如
图 12. (a)HNLF不同应变扫描调制范围对应的微波信号扫频测量;(b)微波信号扫频范围与HNLF应变调谐范围的关系。
Fig. 12. (a)Spectra of frequency-swept microwave signals under different strain-swept range of HNLF. (b)Frequency-swept range of microwave signal versus strain-swept range of HNLF.
由于使用步进电机进行光纤应变调制,其基于脉冲信号驱动螺杆转动而实现轴向位移,单圈由3 200个脉冲驱动电机螺杆轴向运动2.54 mm,即步长为0.79 μm,对应缠绕的HNLF的应变量2.57 με,再由实验得到的布里渊频移应变调制系数0.048 MHz/με可得微波信号扫频调谐频率分辨率为123.36 kHz。
4 结论
本文提出了一种基于HNLF的布里渊光纤激光器,谐振腔长为6.6 m,纵模间隔约为31 MHz,有效保证了在布里渊增益谱内实现激光SLM运行,得到了线宽仅为622.50 Hz的布里渊激光输出。结合残余泵浦光,实现了稳定的高信噪比 (>77 dB)双波长窄线宽激光同时输出,通过拍频得到了频率在9.4 GHz的窄线宽微波信号。设计定制了基于步进电机的光纤拉伸机构对HNLF进行扫描应变调制,在10 Hz扫描频率下得到了289.7 MHz范围的微波信号扫频运行,频率分辨率为123.36 kHz。提出的双波长光纤激光器及作为扫频微波源在光/无线通信、光纤传感、微波光子学等领域具有潜在的应用价值。
本文专家审稿意见及作者回复内容的下载地址:http://cjl.lightpublishing. cn/thesisDetails#10.37188/CJL. 20220176.
[2] METAXASA C. Radio frequency and microwave heating applicators and their use in industry [C]. American Chemical Society (ACS) National Meeting, Anaheim, 1995: 2088.
[22] 李永倩, 李晓娟, 安琪, 等. 一种利用布里渊谱宽确定光纤SBS阈值的新方法[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(2): 0222001-1-7.
[23] 刘加庆, 韩顺利, 刘磊, 等. 光纤受激布里渊增益谱线型特性分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2020, 40(7): 2307-2312.
[25] 王淼, 朱英勋, 张永智. 布里渊散射增益谱的温度与应力特性分析 [C]. 第十六届全国测控、计量、仪器仪表学术年会论文集, 北京, 2006: 1457-1469.
WANGM, ZHUY X, ZHANGY Z. Analysis of temperature and stress characteristics of Brillouin scattering gain spectrum [C]. 16th National Conference on Measurement and Control, Metrology and Instrumentation, Beijing, 2006: 1457-1469. (in Chinese)
毕文文, 冯亭, 苏鲸, 延凤平, 姚晓天. 布里渊双波长窄线宽光纤激光器及其扫频微波信号生成[J]. 发光学报, 2022, 43(10): 1601. Wen-wen BI, Ting FENG, Jing SU, Feng-ping YAN, X Steve YAO. Brillouin Dual-wavelength Narrow-linewidth Fiber Laser and Its Application in Frequency-swept Microwave-signal Generation[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2022, 43(10): 1601.