基于光纖Bragg光柵F-P濾波器及復(fù)合雙環(huán)腔濾波器的單縱模摻銩光纖激光器

韓文國， 延鳳平*， 馮 亭， 程 丹， 李 挺， 白卓婭， 秦 齊， 楊丹丹， 張魯娜， 郭 穎， 王 偉， 關(guān) 彪， 張 璇

(1． 北京交通大學(xué) 全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 光波技術(shù)研究所， 北京 100044； 2． 河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 光信息技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 保定 071002； 3. 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 固體激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

1 引 言

單縱模光纖激光器因其超窄光譜線寬、超長相干長度等特征成為光纖激光技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展的方向，可被廣泛應(yīng)用于光纖傳感、相干激光雷達(dá)、大功率相干合成、相干光通信、引力波探測等領(lǐng)域[1]。常見的實(shí)現(xiàn)激光單縱模窄線寬輸出的方式有分布布拉格反射(DBR)型光纖激光器[2]、分布反饋(DFB)型光纖激光器[3]、環(huán)形腔單縱模光纖激光器[4]等。其中，超短腔激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率和頻率穩(wěn)定等特點(diǎn)，但線寬通常較寬，輸出功率較低，需要經(jīng)過一級(jí)甚至多級(jí)放大后才能達(dá)到應(yīng)用要求。長腔光纖激光器線寬通常較窄，但是單縱模實(shí)現(xiàn)困難且容易產(chǎn)生跳?，F(xiàn)象?？梢岳们恍徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、非線性二波混頻、布里淵增益譜線壓縮等方法消除多模振蕩，也可以利用激光腔內(nèi)高精度濾波器選模[5]或加入偏振控制器改變激光的偏振態(tài)消除空間燒孔效應(yīng)[6]等方法獲得單縱模激光輸出。對(duì)于長腔激光器，采用超窄帶濾波以及擴(kuò)大模式間隔、減少縱模密度都是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單縱模的思路。只用超窄帶濾波器(如相移光纖光柵等)實(shí)現(xiàn)單縱模時(shí)，需要特別設(shè)計(jì)和精巧制作濾波器，以使其帶寬盡可能窄。這樣的濾波器往往制作困難，成本高昂。使用復(fù)合多環(huán)腔濾波是一種成本低廉、簡便易行的擴(kuò)大模式間隔的有效方案。此前，已有多種復(fù)合多環(huán)腔實(shí)現(xiàn)單縱模激光器的報(bào)道，但多是簡單地用游標(biāo)原理來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[7-8]。窄帶濾波器結(jié)合復(fù)合多環(huán)腔實(shí)現(xiàn)單縱模，可以降低對(duì)窄帶濾波器的苛刻要求，增加了激光腔設(shè)計(jì)的靈活性，是非常實(shí)用的方案。

由于2 μm波段的激光具有人眼安全、大氣窗口損耗低等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、激光測距、醫(yī)療等領(lǐng)域具有十分誘人的應(yīng)用前景[9-10]，因此，有必要開展2 μm波段摻銩(Tm3+)光纖激光器的單縱模、窄線寬特性的研究。相比于980 nm、1 550 nm等常見波長的單縱模光纖激光器，2 μm波段單縱模、窄線寬光纖激光器的報(bào)道相對(duì)較少，主要是因?yàn)槿狈τ行У? μm波段激光線寬測量方法。2 μm波段激光在普通單模光纖中的傳輸損耗達(dá)10 dB/km，而傳統(tǒng)的延時(shí)自外差法需要長達(dá)幾十千米的光纖延遲線。2007年，Meleshkevich等報(bào)道了線寬小于1 nm、最高功率超過400 W的摻銩光纖激光器[11]。2012年，Tang等利用中心波長為2 019.8 nm的光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)了2 019 nm處線寬小于3 nm、最高功率可達(dá)137 W的激光輸出[12]。2015年，楊麒等用寬帶光纖Bragg光柵和保偏光纖布拉格光柵中間一段21 mm長的摻銩鍺酸鹽光纖構(gòu)成了單頻DBR光纖激光器，在1 950 nm處獲得了線寬小于6 kHz、功率大于100 mW的線偏振單頻激光。2015年，姚建銓等用793 nm單模泵浦1.9 cm摻銩石英光纖制得的DBR激光器，最大輸出功率為18 mW，用10 km延遲線測得線寬為37 kHz[13]。2018年，王璞等將1 992.6 nm的DBR光纖激光器用MOPA結(jié)構(gòu)放大至100 W，采用3 km長延遲線的延時(shí)自外差法，測得線寬小于66 kHz[14]。2020年，張魯娜等提出了一種基于NPR效應(yīng)的波長可切換窄線寬摻銩光纖激光器，激光腔內(nèi)使用采樣光纖布拉格光柵作為濾波器，實(shí)現(xiàn)了1 940.29,1 941.55,1 942.87 nm 3個(gè)波長切換、線寬小于2 kHz的單縱模激光穩(wěn)定輸出[15]。

本文利用實(shí)驗(yàn)室自制的光纖Bragg光柵(Fiber Bragg grating,FBG)Fabry-Pérot(F-P)濾波器及復(fù)合雙環(huán)腔選單縱模，搭建了2 μm波段單縱模光纖激光器。建立了多環(huán)子腔濾波器的數(shù)值仿真模型，得到了實(shí)驗(yàn)制作參數(shù)。分析了單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)原理，測量了輸出激光特性及穩(wěn)定性，證實(shí)了激光器處于單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。利用實(shí)驗(yàn)室自搭建的基于非平衡邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)[16]的線寬測量系統(tǒng)，采用相位噪聲測量法測量并計(jì)算了所提出單縱模激光器的線寬。

2 單縱模摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

搭建的單縱模摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。793 nm的泵浦光經(jīng)過790/2 000 nm(6+1)×1合束器(只用其中一支泵浦臂)注入腔內(nèi)為增益光纖提供泵浦，一段3.5 m長的摻銩光纖(Nufern，thulium-doped fiber,TDF)作為增益介質(zhì)，其芯徑/內(nèi)包層直徑為10/130 μm，纖芯數(shù)值孔徑為0.15，在793 nm處吸收系數(shù)為4.5 dB/m。摻銩光纖的另一端與光隔離器相連后接環(huán)形器的1端口，隔離器與環(huán)形器共同確保腔內(nèi)激光的單向運(yùn)轉(zhuǎn)。一支反射率大于99%的FBG與一支FBG F-P分別作為高反射鏡與窄帶濾波器接環(huán)形器的2，3端口。經(jīng)F-P濾波后的光注入到復(fù)合雙環(huán)腔中進(jìn)行進(jìn)一步的濾波及縱模選擇，由耦合器10%輸出端口輸出。

圖1 環(huán)形腔摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 光柵特性

所用光柵均為實(shí)驗(yàn)室自制，采用相位掩模板法，由248 nm KrF準(zhǔn)分子激光器(Excimer laser)直接掃描寫入,其中FBG利用均勻掩模板制作，掩模板周期為1 347.3 nm，寫入長度為20 mm。FBG F-P利用相同的均勻掩模板分別寫入兩段6 mm長FBG，兩段FBG之間間隔為4 mm。FBG的反射譜與F-P FBG透射譜如圖2所示，光譜由YoKogawa AQ6375型光譜儀測量，分辨率為0.05 nm。FBG反射峰的半高全寬(FWHM)為0.25 nm，F(xiàn)-P 濾波器的中心透射峰波長為1 941.509 nm，F(xiàn)WHM為0.075 nm。由圖2可以看出，F(xiàn)BG的反射譜可以完全覆蓋F-P濾波器的透射峰。

圖2 光纖光柵的反射譜和透射譜

2.3 復(fù)合雙環(huán)腔結(jié)構(gòu)特性

由于所搭建激光器為～16 m長環(huán)腔結(jié)構(gòu)，所對(duì)應(yīng)縱模間隔約為13 MHz，未加復(fù)合子腔前，透射帶寬為0.075 nm的F-P濾波器不足以窄到抑制腔內(nèi)多縱模，因此將復(fù)合子腔引入主腔中進(jìn)行進(jìn)一步的濾波及縱模選擇。復(fù)合子腔結(jié)構(gòu)如圖3所示，該復(fù)合子腔由兩個(gè)90∶10的耦合器及一個(gè)50∶50的耦合器共同組成一個(gè)1 m長大環(huán)腔及一個(gè)內(nèi)嵌的0.3 m長的小環(huán)腔。90%的光留在復(fù)合環(huán)中形成窄帶干涉。由自由光譜范圍(Free spectral range,FSR)(R)公式：R=c/nL，c=3×108m/s為光速，n=1.44為纖芯折射率，L為腔長，可知大環(huán)對(duì)應(yīng)的FSR為～208 MHz，小環(huán)對(duì)應(yīng)的FSR為～694 MHz。根據(jù)游標(biāo)效應(yīng)[17],復(fù)合環(huán)所對(duì)應(yīng)的有效FSR應(yīng)為該兩環(huán)FSR的最小公倍數(shù)，即72 GHz，對(duì)應(yīng)2 μm波段帶寬0.9 nm，大于F-P濾波器帶寬，即在F-P透射帶寬內(nèi)只有一個(gè)縱模振蕩，可以保證濾波帶寬內(nèi)單縱模輸出。

圖3 復(fù)合雙環(huán)結(jié)構(gòu)圖

除了起到增加諧振腔有效FSR的作用外，復(fù)合雙環(huán)腔內(nèi)形成的窄帶干涉峰可進(jìn)一步壓窄激光器線寬，這里對(duì)所提出的復(fù)合雙環(huán)腔進(jìn)行仿真，將每個(gè)耦合器視為有輸入輸出的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)用傳輸矩陣表示，即通過第一個(gè)耦合器后輸出節(jié)點(diǎn)的傳輸矩陣可表示為[18]：

(1)

其中γ1和k1分別為耦合器的插入損耗與耦合比。當(dāng)從第一個(gè)耦合器輸出到下一個(gè)耦合器輸入時(shí)，輸入輸出關(guān)系可表示為

(2)

依此類推直至回到第一個(gè)耦合器輸入：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中δ、α及β分別為熔接損耗、光纖損耗系數(shù)及光纖傳輸常數(shù)，L為光纖長度。通過遍歷所有輸入輸出之間的關(guān)系來表示節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)循環(huán)足夠多的次數(shù)即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)解。仿真所得復(fù)合雙環(huán)腔透射譜如圖4所示,其中紅色虛線為所測得的F-P濾波器的透射譜，藍(lán)線表示仿真所得的復(fù)合雙環(huán)濾波器的透射譜， 插圖為對(duì)復(fù)合雙環(huán)透射譜在F-P濾波器中心透射峰0.01 nm帶寬內(nèi)的部分放大，由插圖所示干涉形成的最寬窄帶透射峰為12.75 MHz。

圖4 復(fù)合雙環(huán)輸出透射譜

3 激光器輸出特性

激光器輸出特性測量結(jié)構(gòu)如圖5所示，激光輸出經(jīng)光耦合器分成兩路，一路接入光譜儀進(jìn)行光譜測量，另一路接入一個(gè)帶寬為1 GHz的2 μm波段的光電探測器(Photodetector，PD)后，再接入帶寬為8 GHz的頻譜分析儀(Frequency spectrum analyzer，F(xiàn)SA)觀察激光器輸出自拍頻所得縱模特性。室溫下，當(dāng)泵浦功率提高到3 W時(shí)可以得到穩(wěn)定的激光輸出，激光光譜如圖6(a)所示。測量所用光譜儀分辨率為0.05 nm，激光的中心波長在1 941.56 nm，與F-P濾波器透射峰中心波長相比偏移了0.05 nm，該波長漂移主要由固定光柵時(shí)帶來的應(yīng)力擾動(dòng)造成。光譜儀顯示輸出激光FWHM為0.08 nm,光信噪比(Optical signal to noise ratio,OSNR)為55.8 dB。圖6(a)內(nèi)插圖為輸入泵浦功率不變的情況下70 min內(nèi)對(duì)激光器每隔5 min光譜掃描一次所得光譜圖，其波長漂移與功率抖動(dòng)如圖5(b)所示，70 min內(nèi)波長漂移量小于0.019 nm，體現(xiàn)了很好的波長穩(wěn)定性。功率抖動(dòng)小于1.464 dB，該功率抖動(dòng)主要由793 nm泵浦源風(fēng)扇電機(jī)強(qiáng)振動(dòng)引起整個(gè)激光器系統(tǒng)振動(dòng)造成。

圖5 激光輸出特性測量結(jié)構(gòu)圖

圖6 單縱模激光器輸出特性。(a)輸出光譜;(b)輸出波長和功率抖動(dòng)。

在測量光譜的同時(shí)，激光器的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)特性也可以通過自零差法測量確認(rèn)，實(shí)驗(yàn)測得加子環(huán)與未加子環(huán)的激光輸出拍頻圖如圖7(a)、(b)所示。由于未加子環(huán)前腔內(nèi)FSR及加復(fù)合雙環(huán)后雙環(huán)各對(duì)應(yīng)FSR分別為13，208，649 MHz,因此頻譜儀分別選取100 MHz、500 MHz、1 GHz頻率范圍,以3 kHz為分辨率掃描。當(dāng)腔內(nèi)存在復(fù)合雙環(huán)時(shí)，各頻譜范圍均不存在激光輸出的拍頻信號(hào)，說明激光器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)在單縱模狀態(tài)。當(dāng)移除復(fù)合雙環(huán)后，頻譜儀在各頻譜范圍內(nèi)均檢測到了明顯的拍頻信號(hào)，而且主要分布在0～200 MHz范圍，說明F-P濾波器起到了窄帶濾波的效果，但仍需結(jié)合復(fù)合子腔來達(dá)到穩(wěn)定的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 激光輸出拍頻圖。 (a)加子環(huán)；(b)無子環(huán)。

隨后，在耦合器的10%端口用功率計(jì)(Ophir StarLite)對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行了測量，單縱模激光器輸出功率隨泵浦功率變化曲線如圖8所示。由于復(fù)合雙環(huán)濾波器只留10%的光在主腔內(nèi)，以及增益光纖與合束器及隔離器處的熔接點(diǎn)存在模場失配損耗，造成激光器總輸出功率偏低。但是曲線具有很好的線性度，說明激光器并未達(dá)到飽和，隨著泵浦功率的提高，單縱模激光器的輸出功率可繼續(xù)提高。由于考慮到泵浦注入點(diǎn)的功率承受能力，在泵浦功率達(dá)到4.5 W后便未再繼續(xù)向上提高注入泵浦功率，此時(shí)激光器輸出為2 mW。

圖8 激光器輸出功率隨泵浦功率變化特性曲線

4 激光線寬測量

激光線寬是連續(xù)光單縱模激光器的重要指標(biāo)，線寬的測量方法一般為延遲自外差法，這種方法需要采用較長的延遲線，然而2 μm波段激光在普通單模光纖中損耗很大，不具有適用性。另一方面，即便是損耗問題不突出的1.5 μm波段，延時(shí)自外差法也只能測量到最小約kHz量級(jí)的線寬。課題組自制了基于3×3耦合器相位解調(diào)的非平衡邁克爾遜干涉儀，測量了激光器的頻率噪聲特性，并用β線方法由頻率噪聲譜估計(jì)了不同測量時(shí)間的激光器線寬。

4.1 線寬測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)所用相位噪聲解調(diào)法線寬測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，待測激光從3×3光耦合器1端口輸入，經(jīng)耦合器輸出至4，5，6端口，其中6端口閑置。兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(Faraday rotation mirror，F(xiàn)RM)FRM1、FRM2分別接在4，5端口用于反射輸入激光。一段100 m長單模光纖(Single mode fiber，SMF)接入5端口臂作為延遲線，用于引入雙臂臂長差帶來激光時(shí)延τ。反射回的激光經(jīng)耦合器發(fā)生干涉，干涉信號(hào)分為三束，其中兩束由2，3端口分別輸入到PD1和PD2進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)相干探測后，由示波器顯示并將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行解調(diào)分析，得到待測激光的差分相位波動(dòng)信息。所得到的差分波動(dòng)信息將經(jīng)歷一系列變換得到待測激光的瞬時(shí)頻率波動(dòng)功率譜密度(Power spectral density，PSD)Sv(f)[19], 結(jié)合β線算法[7,20]可以算出待測激光線寬。

圖9 線寬測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 線寬測量結(jié)果

圖10為所測得單縱模激光器的頻率噪聲PSD及根據(jù)β線算法(β=Sv(f)=8log(2)f/π2)計(jì)算得出的不同積分時(shí)間下的激光線寬。受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍限制，實(shí)驗(yàn)所測總頻率噪聲PSD由四段不同測量時(shí)間下的頻率噪聲PSD拼接而成。由于所用采集卡是8位示波器，量化噪聲較大，經(jīng)過相位解調(diào)后在頻率噪聲譜密度圖表現(xiàn)為每條曲線右側(cè)部分的水平的噪聲基底。為了避免粗重的系統(tǒng)噪聲遮擋帶來歧義和誤解，已將t=2,0.2,0.02 s三組結(jié)果的系統(tǒng)噪聲部分(右側(cè)水平尾巴)移除，只保留了t=0.002 s結(jié)果的系統(tǒng)噪聲部分。105Hz頻率偏移處的熱噪聲和白噪聲理論上都遠(yuǎn)低于10-2Hz2/Hz，同時(shí)，4條水平尾巴依次小于10 dB，源于對(duì)應(yīng)的測量時(shí)間依次變?yōu)?/10，都說明水平尾巴是系統(tǒng)采樣噪聲而不是所測量的激光器噪聲。由圖可見，四段頻率噪聲PSD重疊部分展現(xiàn)了很好的一致性。激光器線寬隨測量時(shí)間的延長(積分帶寬的減小)而增加，當(dāng)測量時(shí)間最短時(shí)(積分帶寬最大)，激光器的線寬為14.2 kHz，當(dāng)測量時(shí)間最長時(shí)(積分帶寬最小)，激光器線寬為712.45 kHz。其中，2 s測量時(shí)間線寬異常偏大主要是低頻段由環(huán)境振動(dòng)導(dǎo)致的技術(shù)噪聲。對(duì)應(yīng)于圖9中，小于100 Hz時(shí)頻率噪聲明顯急劇增大。

圖10 頻率噪聲功率譜密度及不同積分時(shí)間下線寬測量結(jié)果

表1 不同測量時(shí)間下的線寬值

由于2 μm波段線寬測量的特殊困難，報(bào)道的2 μm窄線寬激光器多用數(shù)千米延遲線的延時(shí)自外差法測量線寬[13-14]，測得線寬約為幾十kHz，然而這是因?yàn)槌糖痪哂懈蟮谋菊骶€寬。文獻(xiàn)[21]中腔長約為12.3 m，用延時(shí)自外差法測得線寬小于20 kHz，測量結(jié)果受限于延遲線長度。本文激光器線寬略大于文獻(xiàn)[22]中類似長腔結(jié)構(gòu)的1 550 nm激光器，使用同樣的β線方法估計(jì)線寬，0.001 s測量時(shí)間的線寬為7.1 kHz。這是由于包層泵浦的熱效應(yīng)明顯高于纖芯泵浦， 4 W的泵浦功率一方面升高了光纖溫度，另一方面較低的斜率效率也導(dǎo)致增益光纖中更大的non-Langevin熱源，這都會(huì)使激光器低頻熱噪聲增加[23-24]。包層泵浦對(duì)頻率噪聲和線寬影響的更多細(xì)節(jié)和定量分析還有待于精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步確認(rèn)。

5 結(jié) 論

本文報(bào)道了一種基于FBG F-P濾波器及復(fù)合雙環(huán)腔濾波器的2 μm波段單縱模光纖激光器，并對(duì)其輸出穩(wěn)定性和線寬特性進(jìn)行了詳細(xì)表征。數(shù)值求解了提出的復(fù)合雙環(huán)腔濾波器的透射譜，得到了濾波器的制作參數(shù)，可用于指導(dǎo)高質(zhì)量復(fù)合腔濾波器的設(shè)計(jì)與制作。實(shí)驗(yàn)室自制的FBG F-P濾波器具有窄帶濾波特性，結(jié)合復(fù)合雙環(huán)腔濾波器，具有優(yōu)秀的單縱模選擇能力，確保了提出的光纖激光器可以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)在單縱模激光輸出狀態(tài)。激光輸出波長為1 941.56 nm，光信噪比為55 dB，70 min內(nèi)的波長抖動(dòng)和功率抖動(dòng)分別小于0.019 nm和1.464 dB。利用自行搭建的非平衡邁克耳遜干涉儀線寬測量系統(tǒng)對(duì)激光器輸出線寬進(jìn)行表征，0.002 s測量時(shí)間下激光器線寬的典型值為14.194 kHz。

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