三波長、可切換、全光纖單縱模摻銩激光器

  工作在人眼安全范圍2.0 μm波段的摻銩光纖激光器(TDFL)是產(chǎn)生3~5 μm中紅外激光的重要泵浦源，在空間光通信、氣體傳感和檢測、激光手術(shù)刀等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器相比，單縱模光纖激光器具有更優(yōu)異的功率穩(wěn)定性，調(diào)制幅度不隨調(diào)制頻率變化。波長可切換光纖激光器因其輸出激光波長的可調(diào)性和靈活性，在波分復(fù)用系統(tǒng)、傳感網(wǎng)絡(luò)和光通信網(wǎng)絡(luò)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。因此，有必要對單縱模摻銩光纖激光器的性能進(jìn)行進(jìn)一步研究和優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)光纖激光器單縱模輸出的方法有飽和吸收體法、復(fù)合腔法、濾波器法、短腔選模法等。不同類型的復(fù)合腔結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)之一。在主腔中加入子環(huán)形腔，可有效地增大縱模間隔，而且環(huán)形腔還具有結(jié)構(gòu)簡單、可調(diào)諧性良好、泵浦效率較高等優(yōu)點(diǎn)。北京交通大學(xué)延鳳平教授課題組報(bào)道了一種基于復(fù)合腔選模和窄帶濾波的三波長可切換單縱模摻銩光纖激光器。在室溫條件下，該激光器可以實(shí)現(xiàn)可切換的單縱模、高穩(wěn)定性、超高光信噪比輸出。該研究成果在空間光通信領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

  本研究首先利用光纖光柵耦合模理論和傳輸矩陣法對法布里珀羅-光纖光柵(FP-FBG)濾波器進(jìn)行了理論分析和仿真計(jì)算，分析FP-FBG濾波器傳輸特性隨參數(shù)變化的情況，仿真得到的FP-FBG濾波器透射譜具有三個(gè)中心波長，分別為1939.91 nm、1940.00 nm和1940.90 nm，對應(yīng)窄帶濾波通道的3 dB帶寬約為0.015 nm、0.002 nm和0.015 nm。在仿真基礎(chǔ)上，利用相位掩模法實(shí)驗(yàn)制作了光纖布拉格光柵(FBG)和FP-FBG濾波器，實(shí)驗(yàn)所得FBG的中心波長為1941.45 nm，3 dB帶寬為0.11 nm，光柵反射率約為97%;FP-FBG濾波器的透射譜中有三個(gè)中心波長分別為1941.48 nm、1941.57 nm和1941.65 nm，且3 dB帶寬分別為0.060 nm、0.054 nm和0.066 nm的窄帶濾波通道。光纖布拉格光柵的中心波長通過平移臺(tái)與FP-FBG濾波器的三個(gè)傳輸通道的中心波長相匹配，如圖1所示。

圖1 FBG的反射光譜和FP-FBGs的透射光譜

  基于實(shí)驗(yàn)制作的FP-FBG濾波器和8字子腔，課題組提出了一種環(huán)形復(fù)合腔結(jié)構(gòu)的波長可切換單縱模摻銩光纖激光器，如圖2所示。

圖2 波長可切換單縱模光纖光纖激光器

  通過調(diào)整應(yīng)力調(diào)整架拉伸FBG，與FP-FBG濾波器的三個(gè)傳輸通道的中心波長相匹配，實(shí)現(xiàn)不同激光波長的切換，并且可以抑制大部分縱模，輸出三個(gè)不同波長的激光。兩個(gè)50:50耦合器形成一個(gè)8字形子腔，有效地增加了縱模間隔，使FP-FBG濾波器的每個(gè)通道獲得SLM激光。偏振控制器平衡腔內(nèi)信號(hào)的增益和損耗，使輸出光信號(hào)穩(wěn)定且具有較高的光信噪比。90:10耦合器的10%端口用于輸出激光，90%端口與主腔相連。通過合理調(diào)整每個(gè)諧振腔的長度，實(shí)現(xiàn)了該激光器的單縱模輸出。室溫24℃，泵浦源功率為2.34 W時(shí)，得到3個(gè)波長可切換的單縱模激光輸出，中心波長分別為1941.48 nm、1941.57 nm和1941.65 nm，分別具有61 dB、61 dB和60 dB的光信噪比，其閾值功率為1.68 W，在連續(xù)50 min的穩(wěn)定性測量中，TDFL輸出功率的抖動(dòng)分別小于0.39 dB、0.61 dB和0.55 dB，波長波動(dòng)均小于0.01 nm，小于光譜儀的最高分辨率0.05 nm，同時(shí)用頻譜分析儀觀察該激光器的輸出，可以看出該激光器穩(wěn)定工作在單縱模狀態(tài)。

  結(jié)論與展望

  本文利用設(shè)計(jì)的多通道FP-FBG濾波器，在2.0 μm波段實(shí)現(xiàn)了3個(gè)波長可切換的單縱模激光輸出，且光纖光柵濾波器損耗小。與其它結(jié)構(gòu)TDFL相比，該激光器無損耗較大的元器件，更易于實(shí)現(xiàn)靈活精確的可切換激光輸出。雖然課題組搭建的摻銩光纖激光器工作在單縱模狀態(tài)，但是未對單縱模激光的線寬進(jìn)行測量，因此需要更深一步地研究單縱模光纖激光器線寬的精確測量方法，并有效地測量輸出激光線寬，以及進(jìn)一步提高激光器的輸出功率和輸出波長數(shù)量。