一种新型窄线宽掺铒光纤激光器

赵冉冉，何 巍，2，祝连庆

(1.北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心，光电测试技术北京市重点实验室，北京100192;2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)

1 引言

单纵模窄线宽光纤激光器因其线宽千赫兹量级的长相干长度光源，在密集波分复用系统、通信系统、分布式光纤传感器等方面有重要的应用价值［1－4］。单频窄线宽激光的获得，需要通过设计腔形的结构来消除多纵模振荡，抑制跳模，并对激光进行线宽压缩，以获得窄线宽激光输出。

国内外的研究表明采用超短线形腔结构，增大纵模间距，可获得单频激光输出［5－6］，但超短线形腔的制作工艺复杂。在激光腔内加入可饱和吸收体，可抑制跳模，获得单频激光［7－8］，例如，魏兴春等采用作为可饱和吸收体的未抽运掺铒光纤结合作为波长选择器的高反射率光纤布喇格光栅形成超窄带滤波器，得到输出激光线宽小于500 Hz［7］，但由于吸收光纤较长，造成较大的腔内损耗。代志勇等通过自反馈光注入的方式获得稳定的1549.85 nm单频窄线宽激光输出，有效提高了光－光转换效率，降低了腔内损耗，并测量得到激光器的3 dB线宽为4.0 kHz［9］。另外，通过光纤光栅F－P标准具等器件可进行选模［10－13］，获得窄线宽激光输出，厦门大学的杜勇利用双光纤光栅法－珀腔(FBG－FP)作为模式选择器件，验证了所设计光纤激光器的可调谐和窄线宽特性［11］，Pan S等在腔内插入高精细度的窄带滤波器进行选模，同样可获得单频激光输出［13］。由此可知，通过改善腔形结构可保证光纤激光器单频运转，但通常需要结合多个耦合器和偏振控制器等相关器件，结构较复杂，会造成不必要的损耗。

综上所述，本文提出并设计了一种基于有源光纤环形滤波器结构的窄线宽掺铒光纤激光器，使用简单的环形腔结构实现激光输出，并结合滤波器的滤波稳频效果压窄输出激光的线宽。该滤波器只由一个耦合器和一段掺铒光纤组成，结构简单，便于调节，可有效压缩线宽，最终实现了稳定的单纵模窄线宽激光输出。

2 实验结构与原理

所设计的窄线宽掺铒光纤激光器结构如图1所示，采用环形腔结构，由四部分组成。第一部分是激光泵浦部分，使用oclaro公司制造的976 nm激光二极管作为泵浦源，泵浦光通过一支波分复用器(WDM)耦合进入长度为7.8 m的掺铒光纤(EDF1)实现泵浦。第二部分是波长选择部分，光纤环形器(Circulator)使激光器中的激光处于行波状态，由2端口连接一支反射波长为1540 nm的光纤光栅(FBG)实现波长选择。第三部分是激光输出部分，实验经一个分光比为10∶90的1×2熔融拉锥型耦合器(Coupler1)输出激光，通过调节偏振控制器(PC)可以实现1540 nm激光平稳输出，可检测10%的一端进行光谱分析。在接下来的实验中，在该激光器中添加第四部分，即通过在环形腔中熔接有源光纤环形滤波器实现滤波效果，抑制跳模，达到压窄线宽的目的。

图1 基于有源光纤环形滤波器的窄线宽掺铒光纤激光器Fig.1 Erbium-doped fiber laser based on active optical fiber ring filter

根据环形腔激光器基本原理，激光器的自由光谱范围(FSR)和腔长(L)成反比，如式(1)所示:

其中，L为腔长;有效折射率n=1.446;c为真空中光速。实验中所用光纤环形激光器的主环形腔的长度约为21 m，对应FSR为9.879 MHz，纵模间隔Δf=7.143 MHz。由于FSR与纵模间隔成正比，FSR越小则激光输出纵模越密集，模式跳变现象越明显，不利于单频激光的稳定输出。但环形谐振腔内激光只能沿某一个方向传输，使激光工作在行波状态，能有效地消除由于驻波而引起的空间烧孔效应，从而抑制多纵模振荡的产生，有利于获得更窄的光谱线宽输出。而且，主环形腔可结合光纤布拉格光栅作为腔镜，可以起到能量反馈与选频的作用，其不仅能决定特定波长输出，而且可使反射光谱带宽变窄，以提高纵模选择性，为获得窄线宽激光输出奠定基础。但由于光纤布拉格光栅带宽较宽，因此实验采用在环形腔结构中熔接有源光纤环形滤波器来抑制多余纵模并实现压窄线宽的效果。

实验中的有源光纤环形滤波器即如图1中第四部分(IV)所示，由一支分光比为50∶50的2×2熔融拉锥型耦合器(Coupler2)和有源光纤(EDF2)构成。当有源光纤环形滤波器的长度为3 m时，根据式(1)可得，其FSR为69.156 MHz，可加大该激光器的自由光谱范围。该结构中的3 dB耦合器对于1550 nm波长光的分光比为50∶50，对于976 nm波长光的分光比为10∶90，此时有10%的泵浦功率注入环中。泵浦光由第四部分(IV)中E1端口进入滤波器，经过EDF2时得到增益g和时延τ，然后由E3端口送入耦合器由E4端口输出到激光器环形腔中，通过计算可以得到滤波器的时延τ=0.091 ns，如式(2)所示:

耦合因子r=0.5，增益g=1.2，该滤波器梳状谱的3 dB线宽如式(3)［13］所示:

Δω=3.732 MHz，由于Δω＜Δf，则其3 dB线宽更小于加入滤波器以后的纵模间隔，因此在理论上该滤波器可以实现压窄线宽的作用。

测量输出激光的线宽时，如图2所示，采用自外差法。图1中Coupler1输出的10%的激光输入由两个3 dB耦合器Coupler3和Coupler4组成的马赫泽德干涉仪(MZI)。在马赫泽德干涉仪的上臂添加一个声光调制器(AOM)生成100 MHz的频移，下臂延迟光纤的长度是50 km。最后使用光电探测器(PD)检测两臂的信号，并通过频谱分析仪来进行光谱测量(ESA)。

图2 自外差法测量激光线宽Fig.2 Line width measurement by self heterodyne method

3 实验结果与分析

按如图1所示搭建实验系统，首先，使用976 nm LD直接泵浦7.8 m的增益光纤，由Circulator的2端口连接FBG可产生激光输出。使用光谱仪观察，不断增加泵浦源的功率，当泵浦源功率达到55 mW时，出现1540 nm单波长激光，其光谱图如图3(a)所示，通过调节PC可实现1540 nm单波长平稳输出，此时，使用光谱分析仪测量其3 dB线宽为0.183 nm。由于FBG反射谱内存在很多纵模，这些纵模在环形腔内循环，其中一部分形成激光，另一部分会形成噪声，会影响输出激光的线宽。在此环形腔中加入有源光纤环形滤波器，系统阈值为75.5 mW，激光器工作在中心波长为1540 nm的单波长状态。不断增加泵浦源的功率，当泵浦源的功率达到145 mW时，调节偏振控制器(PC)，可实现1540 nm的单波长平稳输出，如图3(b)所示。从光谱图可以看出，边模明显减少，曲线趋于平滑，这时使用光谱分析仪测量其3 dB线宽为0.108 nm，小于加入滤波器之前的线宽。

图3 加入滤波器前后的1540 nm光谱图Fig.3 Spectrogram of 1540 nm laser before or after active optical fiber ring filter

为了更加精确地测量输出激光的线宽，实验使用两个50∶50的1×2熔融拉锥型耦合器，并结合50 km的单模光纤和100 MHz的声光频移器，并用频谱仪(Wave Runner 610Zi)观察，通过延迟自外差测量法验证了加入有源光纤环形滤波器后的滤波稳频和压窄线宽的效果。在0～400 MHz频谱范围内，通过调节PC可获得波长为1540 nm的激光输出，图4(a)所示为加入有源光纤环形滤波器之前的频谱图，除100 MHz处外还有很多多余纵模。通过调节滤波器的有源光纤的长度，可以提高滤波器的梳状谱精细度，滤除多余纵模。当EDF2长度为2 m时，如图4(b)所示为加入滤波器后激光工作在单频运转状态。接下来以100 MHz为中心，在1 MHz范围内测量输出激光的线宽，如图4(c)所示其3 dB线宽为3.4 kHz。因此，在激光器中熔接有源光纤环形滤波器，可以获得窄线宽单纵模激光输出。

图4 自外差频谱图Fig.4 Self-heterodyne frequency spectrum diagram

4 结论

本文提出并分析了采用有源光纤环形滤波器结构的窄线宽掺铒光纤激光器，获得了单纵模窄线宽激光输出。该滤波器由一个50∶50的耦合器和一段长2 m的掺铒光纤构成。实验数据表明，输出激光边模得到明显抑制;在0～400 MHz频谱范围内获得单纵模激光;波长为1540 nm的3 dB线宽为3.4 kHz。在后续工作中，可以通过级联多个FBG实现多波长的可切换激光输出，或添加一段未泵浦的掺铒光纤作为饱和吸收体来进一步压窄线宽。该激光器具有结构紧凑，有效压窄线宽的特点，具有重大的应用价值。

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