間隔0.256 nm的多波長布里淵光纖激光器的實驗研究

樊 冰，葛超群，周雪芳，李曾陽，周 豫

（杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018）

1 引 言

多波長布里淵激光器（MWBL）具有抽運功率低、效率高、容易實現(xiàn)、容易與光纖耦合等優(yōu)點，被廣泛用于光通信器件、微波光子學、精密光學和DWDM系統(tǒng)等領域中［1-3］。Cowle等在1996年就提出利用布里淵效應來進行MWBL的研究［4］，在此基礎上，多波長布里淵摻鉺光纖激光器（MWBEFL）得到了廣泛的研究和發(fā)展［5-10］，多種不同結構和不同調諧范圍的MWBEFL被提出。如文獻［3］提出了使用四端口環(huán)行器及可調諧濾波器間隔為雙倍布里淵頻移的可調諧MWBEFL結構，實現(xiàn)了波長間隔為0.173 nm的多波長輸出；文獻［11］提出了一種將有源摻鉺光纖放大器至于無源振蕩腔外的短腔結構，得到了7階波長間隔為0.088 nm的激光信號。文獻［12］報道了一種具有可調諧特性的半開放腔多波長隨機光纖激光器，利用單模光纖和環(huán)形結構組成半開放腔結構，通過改變布里淵抽運激光波長實現(xiàn)輸出隨機激光的可調諧性，多波長激光信號間隔0.088 nm。文獻［13］設計了一種基于環(huán)形腔的雙倍布里淵頻移間隔的可調諧光纖激光器，多波長激光信號相鄰間隔為20 GHz（0.16 nm）。

為進一步提高多波長光纖激光器的波長間隔，本文設計了一種基于四端口環(huán)行器和三端口環(huán)行器組成的三倍布里淵頻移的可調諧多波長布里淵光纖激光器結構。該結構中使用兩個三端口環(huán)行器構成的環(huán)形腔1產生一階Stokes光，一個四端口環(huán)行器構成環(huán)形腔2，在環(huán)形腔2中可產生與入射的BP光相隔兩倍Brillouin頻移的Stokes光，從而得到波長間隔為三倍Brillouin頻移即0.256 nm的多波長激光信號輸出。

2 實驗結構與工作原理

三倍布里淵頻移的MWBEFL的實驗結構如圖1所示，由兩個環(huán)形腔組成，環(huán)形腔1能產生單倍布里淵頻移激光信號，環(huán)形腔2能產生雙倍布里淵頻移激光信號輸出。兩個腔內都設計了一段10 m長的EDF來提供線性增益以補償腔內損耗，一段25 km長的SMF來提供非線性增益。WDM用于耦合980 nm泵浦激光和BP光進EDF中。腔1中的環(huán)行器2作為一個環(huán)形鏡，將剩余的BP光反射回腔內。環(huán)行器1和環(huán)行器3用于控制信號光的傳輸方向。BP信號后端設置了一個前置放大是為了抑制自激振蕩模式。

圖1 三倍頻移的MWBEFL結構Fig.1 Triple frequency-shifted MWBEFL structure

經放大后的BP光通過環(huán)行器1的端口1至端口2進入SMF1中，當BP功率超過SMF的布里淵閾值后則產生與BP光方向相反的一階斯托克斯光BS1，BS1與BP光相比頻率下移大約10 GHz，即相隔單倍布里淵頻移。BS1經環(huán)行器1的端口2至端口3傳輸至Cir3的1端口，接著沿著端口2順時針方向進入Cavity 2中，此時BS1功率超過SMF的布里淵閾值，則產生逆時針方向的二階斯托克斯光BS2（BS2相對于BS1是單倍頻布里淵頻移），BS2通過Cir3的3端口進入EDFA放大后再次進入SMF2，若放大后的BS2功率超過布里淵閾值，則會產生順時針方向的三階斯托克斯光BS3，由于BS1在Cavity 2中經過兩次受激布里淵散射后產生BS3，所以BS3相對于BS1是雙倍布里淵頻移，而相對于最初的BP光是三倍布里淵頻移。BS3傳輸至Cir3的4端口進入3dB耦合器，一部分在OSA中顯示，一部分進入Cavity 1作為泵浦光重復上面的過程，直至兩個環(huán)腔內的總增益小于腔內的總損耗時，高階的斯托克斯光不能產生。

3 實驗結果與討論

從圖1可以看出，三倍頻移的激光器由一個單倍頻移腔和一個雙倍頻移腔構成，實驗測試中首先分析了兩個獨立腔的輸出特性。

第一步未接入Cavity 2即作為單倍布里淵頻移激光器，將Cir1的端口3直接連到3 dB耦合器的輸入端。實驗測試中固定BP光，其功率和波長為3 dBm和1560 nm，980 nm泵浦光功率的掃描范圍為0～27.78 dBm。實驗發(fā)現(xiàn)當980 nm泵浦功率到達15.1 dBm時，可觀察到BS1，相對于BP光有0.086 nm頻移。繼續(xù)增大980 nm泵浦功率，BS1光峰值功率增大，同時產生更高階的Stokes光，結果如圖2所示，共得到了15階單倍頻移Stokes光，波長范圍為1560.4725～1561.7625 nm，其峰值功率穩(wěn)定在-5.394 dBm。

圖2 未接入Cavity 2，固定980 nm泵浦功率為27.78 dBm時Cavity 1的輸出光譜Fig.2 Output spectrum of Cavity 1 when Cavity 2 is not connected and the fixed 980 nm pump power is 27.78 dBm

第二步研究雙倍頻移的環(huán)腔2輸出特性。未接入Cavity 1，將Cir3的1端口接到EDFA的輸出端。同樣設定BP功率為3 dBm，掃描980 nm的泵浦光功率，實驗過程中發(fā)現(xiàn)當980 nm泵浦功率為10 dBm產生一階Stokes光，與BP波長間隔為0.164 nm，即雙倍布里淵頻移。繼續(xù)增大980 nm泵浦光功率，當達到18.75 dBm時，有最多階（17階）Stokes光輸出，如圖3所示。其波長范圍從 1560.4692～1563.3962 nm，峰值功率為-1.901 dBm。

圖3 未接入Cavity 1，固定980nm泵浦功率為18.75dBm時Cavity 2的輸出光譜Fig.3 Output spectrum of Cavity 2 when Cavity 1 is not connected and the fixed 980 nm pump power is 18.75 dBm

第三步研究三倍布里淵頻移激光器，即將Cavity1和Cavity2同時接入，如圖1所示。實驗測試得到在BP為3 dBm，980 nm泵浦功率為27.78 dBm，有6階三倍Stokes光輸出，如圖4所示。圖中BP的波長為1560.4200 nm，得到的三倍頻Stokes光波長依次為 1560.677 nm，1560.931 nm，1561.189 nm，1561.441 nm，1561.703 nm，1561.962 nm，1562，227 nm，其波長間隔約為0.256 nm。

圖4 固定980nm泵浦功率為27.78dBm時的輸出光譜Fig.4 Output spectrum with a fixed 980 nm pump power of 27.78 dBm

對比圖2、圖3和圖4可以看出，在BP功率一定的情況下，三倍布里淵頻移的MWL需要更高的980 nm泵浦光功率來得到一個最高Stokes階數。980 nm泵浦功率為27.78 dBm，BP功率為3 dBm時，單倍頻移、雙倍頻移、三倍頻移的MWL輸出光譜如圖5所示。

圖5 980nm泵浦功率27.78 dBm，BP功率3 dBm時的輸出光譜Fig.5 Output spectrum with 980 nm pump power of 27.78 dBm and BP power of 3 dBm

圖6 不同BP功率和980 nm泵浦功率對斯托克斯光個數的影響Fig.6 Effect of different BP power and 980nm pump power on the number of Stokes light

實驗測試中發(fā)現(xiàn)BP功率和980 nm泵浦光功率均影響斯托克斯光個數，結果如圖6所示。從圖6可知，輸出的階數主要是由增益介質決定，在本實驗中，激光腔中的線性增益和非線性增益。圖6（a）討論的是在980 nm光功率為27.78 dBm時，BP功率與輸出的Stokes光個數之間的變化關系，BP功率在-0.56～14.65 dBm間變化。從圖6（a）中可以看出：當BP功率增大時，輸出的Stokes光個數卻逐漸減少。因為BP功率太大時會使EDFA工作在深度飽和區(qū)，即EDFA的增益降低了，從而導致輸出的Stokes光階數減少。圖6（b）討論的是BP功率3 dBm時，980 nm泵浦功率與輸出的Stokes光之間的變化關系。980 nm泵浦功率在24.77～27.78 dBm間變化，當980 nm泵浦功率增大時，輸出的Stokes光個數卻在逐漸增加，這是由于EDFA增益擴大導致了高的腔內循環(huán)功率，提高了布里淵增益效率。

3 結 論

基于單倍布里淵頻移和雙倍布里淵頻移的兩個環(huán)腔設計了一個波長間隔為0.256 nm的多波長布里淵摻鉺光纖激光器，設計中有效利用EDFA增益來抑制自激發(fā)振蕩模的影響。實驗結果表明：當BP功率為3 dBm，980 nm泵浦光功率為27.78 dBm時，實現(xiàn)激光間隔為0.256 nm即30 GHz的6個波長輸出。該激光器具有結構簡單，實現(xiàn)方便等優(yōu)點。若在此激光器的結構中設置濾波器，則可實現(xiàn)30 n GHz（n=1，2，…，6）的雙波長光信號輸出，通過高頻PD拍頻得到高頻的微波信號。