布里淵雙波長窄線寬光纖激光器及其掃頻微波信號生成

畢文文，馮 亭*，蘇 鯨，延鳳平，姚曉天

（1.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；2.河北省光學(xué)感知技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071002；3.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

1 引 言

雙波長單縱模（SLM）光纖激光器在光纖傳感、密集波分復(fù)用、電子對抗、光纖通信、激光雷達探測、微波以及THz波信號生成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力[1-7]。目前實現(xiàn)雙波長SLM光纖激光器的方法主要有光纖光柵（FBG）超窄帶濾波器[8]、可飽和吸收體[9]以及復(fù)合腔法[10]等，但以上在實現(xiàn)雙波長激光輸出時，具有成本高、損耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。非線性頻移也是一種有效的雙波長激光實現(xiàn)方法[11-14]。自從1976年Hill等[15]首次報道了基于受激布里淵散射（SBS）的光纖激光器以來，由于其較低的相位噪聲[16]、優(yōu)異的相干性[17]和多波長穩(wěn)定輸出[18]等性能，被廣泛研究?；赟BS的雙波長光纖激光器因其結(jié)構(gòu)簡單、相位噪聲低、功率損耗小和窄線寬輸出等優(yōu)點[16]，不僅在光通信和光纖傳感等技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛關(guān)注，而且作為光生微波信號的優(yōu)質(zhì)光源具有巨大應(yīng)用潛力。

利用殘余泵浦光和布里淵激光拍頻是一種實現(xiàn)微波信號生成的簡單方法，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)微波信號調(diào)諧可以采用以下措施：一是通過對SBS增益光纖施加應(yīng)變以改變布里淵增益譜的位置，從而實現(xiàn)微波信號的調(diào)諧[12]；二是通過改變SBS諧振腔的溫度實現(xiàn)微波信號的調(diào)諧[14]，但受限于溫度的變化速度，微波信號調(diào)諧速度較慢；三是大范圍調(diào)節(jié)泵浦光波長，可以在一定范圍內(nèi)改變SBS頻移，從而實現(xiàn)微波信號調(diào)諧[19-20]，但該方法很受限于泵浦激光器的波長調(diào)諧特性。2017年，本課題組[21]采用1 km的單模光纖（SMF）作為SBS增益光纖，研制了雙波長光纖激光器。在泵浦激光波長調(diào)諧范圍寬達130 nm時，僅實現(xiàn)了拍頻所得微波信號在894 MHz范圍內(nèi)的可調(diào)諧；而且由于激光器腔長很長，未能實現(xiàn)布里淵激光的SLM運行。

本文提出一種新型布里淵雙波長光纖激光器，僅使用長度為3.0 m的高非線性光纖（HNLF）作為SBS增益介質(zhì)，在6.6 m的諧振腔內(nèi)實現(xiàn)了布里淵激光的SLM窄線寬運行。通過與殘余泵浦光結(jié)合得到了穩(wěn)定的高信噪比（OSNR）雙波長激光輸出，且經(jīng)過拍頻得到了頻率為9.42 GHz的微波信號輸出，又結(jié)合步進電機光纖拉伸機構(gòu)對HNLF引入應(yīng)變調(diào)制，獲得了289.7 MHz范圍的掃頻微波信號。文中對布里淵激光的SLM、跳模、線寬等進行了詳細的實驗研究，同時對雙波長拍頻得到微波信號的掃頻原理和步進電機拉伸HNLF應(yīng)變調(diào)制實現(xiàn)微波信號的掃頻特性進行了詳細分析與討論。

2 實驗裝置及原理

2.1 激光器實驗結(jié)構(gòu)及原理分析

圖1為設(shè)計搭建的布里淵雙波長光纖激光器結(jié)構(gòu)圖。窄線寬SLM光纖激光器（NKT Photonics，Koheras BASIK E15）作為泵浦激光種子源，使用高功率摻鉺光纖放大器（EDFA，Connet，VLFS-1567-B-5000-FA）對其進行功率放大。使用環(huán)形器1（CIR-1）引入對應(yīng)波長的FBG，將放大后的激光進行自發(fā)輻射（ASE）噪聲的濾除，以增大泵浦激光信噪比。泵浦光經(jīng)環(huán)形器2（CIR-2）進入布里淵激光諧振腔，對纏繞在光纖拉伸機構(gòu)（Fiber stretcher）上的HNLF進行泵浦產(chǎn)生后向SBS。其中，HNLF（NL1550-Zero）在1 550 nm處的非線性系數(shù)為10 W-1·km-1、纖芯直徑為3.79 μm。耦合器1（OC-1）將70%光保留到諧振腔內(nèi)，耦合器2（OC-2）耦合比為50∶50。當(dāng)入射光功率達到長度為3.0 m的HNLF的布里淵增益閾值時，能夠激發(fā)一階Stokes光，其反向傳輸經(jīng)過CIR-2和OC-1，并在激光諧振腔內(nèi)進行振蕩，產(chǎn)生布里淵激光。布里淵激光與殘余泵浦光在OC-2混合后共同輸出，得到雙波長激光輸出。圖1中藍色線表示SMF，綠色線表示HNLF。

圖1 布里淵雙波長光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of Brillouin dual-wavelength fiber laser

實現(xiàn)布里淵激光SLM輸出的關(guān)鍵是激光諧振腔長和布里淵增益譜寬之間的匹配?？紤]到所使用的HNLF與SMF的布里淵譜特性不同，搭建了光外差系統(tǒng)并對SBS增益譜隨入纖泵浦光功率的變化規(guī)律進行了測量。圖2為光外差系統(tǒng)示意圖[22-23]，使用E15窄線寬激光器作為光源輸入，經(jīng)耦合器3（OC-3）分成兩路，其中90%的光經(jīng)過高功率EDFA后由CIR-1的2端口進入3.0 m的HNLF，反向傳輸?shù)腟BS經(jīng)過CIR-1的3端口后由另一臺EDFA（EDFA-1）放大，再與OC-3的10%端口輸出的參考光在耦合器（OC-4）處混合。兩信號拍頻后由帶寬為18 GHz的光電探測器（PD）檢測并轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)電壓放大器（Amp.）放大后進入射頻（Radio frequency，RF）頻譜分析儀（ESA，Keysight N9010A）進行測量。圖2中黑色線表示電信號傳輸線。

圖2 外差法測試布里淵增益譜系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of heterodyne method for measuring Brillouin gain spectrum

在不同入纖泵浦光功率下測量布里淵增益譜，使用ESA的平均模式測量100次，測量范圍為300 MHz，測量分辨率帶寬（Resolution bandwidth，RBW）為100 kHz，如圖3所示。HNLF的入纖泵浦光功率通過激光功率計在CIR-1的2端口處直接測量?？梢钥闯觯祭餃Y增益譜呈洛倫茲線型，且隨著入纖泵浦光功率的不斷增加，布里淵增益峰值功率也隨之變大。分別對不同功率下布里淵增益譜的譜寬進行洛倫茲擬合并計算布里淵增益譜的3 dB帶寬，得到布里淵增益譜寬隨入纖泵浦光功率的變化規(guī)律，如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)入纖泵浦光功率較低時，布里淵增益譜較寬，但隨著入纖泵浦光功率的增加，布里淵增益譜寬隨之降低，與SMF的布里淵增益譜變化規(guī)律比較一致[24]。

圖3 3.0 m長HNLF布里淵增益譜隨入纖泵浦光功率的變化Fig.3 Brillouin gain spectrum of HNLF with 3.0 m length varies with the input pump laser power

圖4 3.0 m長HNLF布里淵增益譜寬隨著入纖泵浦光功率的變化Fig.4 Brillouin gain spectrum width variation of 3.0 m long HNLF versus input pump laser power

由于存在器件發(fā)熱引起的性能漂移現(xiàn)象，激光器工作時不宜采用太高的泵浦光功率，本文工作主要以高功率EDFA輸出功率3 W為代表開展研究。經(jīng)測量得知，圖1中從高功率EDFA輸出到進入HNLF之前的泵浦激光功率總損耗為2.3 dB，即當(dāng)高功率EDFA輸出激光功率為3.0 W時，HNLF的入纖泵浦光功率約為1.8 W，此時對應(yīng)的圖4中布里淵增益譜寬約為26 MHz。測量可知布里淵激光諧振腔長為6.6 m，對應(yīng)的縱模間隔約為31 MHz，已大于此時的布里淵增益譜寬，因此理論上能夠保證布里淵激光的單縱模運行。

2.2 光纖應(yīng)變調(diào)制方法

作為非線性散射效應(yīng)中的一種，SBS是由石英光纖中聲子引起的，布里淵頻移量取決于光纖的聲學(xué)和熱學(xué)等特性。當(dāng)光纖溫度變化或產(chǎn)生應(yīng)變時，纖芯有效折射率和光纖中聲速會隨之改變，導(dǎo)致光纖的布里淵頻移發(fā)生改變[25]。對于普通石英SMF，在波長λp=1 550 nm、溫度T0=20℃時，布里淵頻移νB和應(yīng)變量ε之間的關(guān)系可以表示為[26]:

可以計算得出布里淵頻移量與應(yīng)變量之間成正比例關(guān)系，比例系數(shù)為0.048 MHz/με。對增益光纖引入應(yīng)變可以實現(xiàn)雙波長激光拍頻微波信號調(diào)諧，假設(shè)HNLF具有類似于SMF的比例系數(shù)，則對3.0 m長HNLF每引入500 με，理論上布里淵激光能夠?qū)崿F(xiàn)～24.0 MHz的頻移，即微波信號能在9.42 GHz附近實現(xiàn)～24.0 MHz的頻率變化。

定制了步進電機光纖拉伸機構(gòu)以實現(xiàn)光纖應(yīng)變調(diào)節(jié)，如圖5所示，步進電機具有推力大、位移量大且位移形式靈活等優(yōu)點。光纖繞接形狀為跑道型，繞接體分為左側(cè)半圓柱體和右側(cè)半圓柱體，半徑均為5 cm，且左側(cè)半圓柱體固定，右側(cè)半圓柱體做往返運動。半圓柱體外側(cè)刻有直徑為250 μm的凹槽以便固定光纖，防止光纖在拉伸過程中上下滑動損失位移，凹槽表面做硬化及光滑處理來減小光纖與半圓柱體之間的摩擦。步進電機螺桿單圈旋轉(zhuǎn)軸向走程為2.54 mm，每圈旋轉(zhuǎn)可由3 200個脈沖驅(qū)動步進，電機長度為15 cm，最小推力為3 500 N。

圖5 步進電機光纖拉伸機構(gòu)實物圖Fig.5 Photo of fiber stretcher based on step motor

3 結(jié)果與討論

3.1 激光輸出性能測量

圖6（a）所示為濾除高功率EDFA輸出的ASE所使用的FBG的反射光譜，由光譜儀（OSA，Yokogawa AQ6370D）測量的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)反射率歸一化處理后得到。測量時，OSA分辨率設(shè)置為0.02 nm，數(shù)據(jù)采樣間隔為0.001 nm。由圖6（a）可見，F(xiàn)BG的中心波長為1 550.155 nm，帶寬為0.17 nm，反射率為81.67%。圖6（b）中紅色實線所示為FBG濾除高功率EDFA的ASE后的雙波長激光輸出光譜，激光波長分別為1550.166 nm和1 550.242 nm，OSNR＞77 dB，與 未 經(jīng)FBG濾 除ASE的雙波長激光輸出（藍色虛線）相比，OSNR提高了28 dB。然后，斷開圖1中的a點后測量光譜，如圖6（c）所示，可見只有布里淵激光輸出，其波長為1 550.242 nm，OSNR＞77 dB。

圖6 （a）FBG反射光譜；（b）有、無FBG濾波的雙波長激光輸出光譜；（c）布里淵激光輸出光譜。Fig.6（a）Reflection spectrum of FBG.（b）Dual-wavelength laser output spectra with and without FBG filtering，respectively.（c）Brillouin laser output spectrum.

圖7（a）為使用自零差法測試激光SLM運行的實驗結(jié)果，使用ESA的最大值保持模式進行掃描測量，測量時間為30 s，RBW為51 kHz。可以看出，在0～400 MHz掃描范圍內(nèi)無明顯的拍頻信號，考慮到主腔縱模間隔約為31 MHz，可以認為激光器運行在SLM狀態(tài)。圖7（b）為利用延遲自外差法測量布里淵激光的跳模特性，測量系統(tǒng)由帶寬400 MHz的光電探測器（PD）、兩臂分別加入200 MHz的聲光調(diào)制器（AOM）和100 km長SMF延遲線的馬赫-曾德爾光纖干涉儀、ESA組成。使用ESA的最大值保持模式測量，RBW設(shè)置為51 kHz。其中，插圖給出的是測量范圍為175～225 MHz、RBW為30 kHz的測量 結(jié)果?？梢钥闯?，只有AOM引入的200 MHz的強拍頻信號被捕捉到，在100次重復(fù)測量和最大值保持模式下并沒有觀察到其他明顯的拍頻信號，意味著SLM布里淵激光在長時間運行下未發(fā)生模式跳變。同時，利用延時自外差法對泵浦激光和布里淵激光的線寬進行 測 量，ESA測 量 范 圍 為100 kHz、RBW設(shè) 置 為100 Hz。圖8（a）、（b）中分別給出了泵浦激光和布里淵激光的實驗測量數(shù)據(jù)及洛倫茲擬合曲線，擬合優(yōu)度分別為0.899 50和0.900 01。圖中給出了擬合曲線20 dB帶寬分別為18.31 kHz和12.45 kHz，計算兩數(shù)值的1/20倍分別得到泵浦激光和布里淵激光的線寬為915.50 Hz和622.50 Hz?？梢?，布里淵激光對泵浦激光的線寬具有明顯的壓窄效果。

圖7 （a）自零差法測量的布里淵激光SLM運行結(jié)果；（b）延時自外差法測量的SLM布里淵激光無跳模運行結(jié)果。Fig.7（a）Measurement of SLM Brillouin lasing，using selfhomodyne method.（b）Measurement of mode-hoppingfree SLM Brillouin lasing，using delayed self-heterodyne method.

圖8 （a）泵浦激光線寬測量；（b）布里淵激光線寬測量。Fig.8（a）Linewidth measurement of pump laser.（b）Linewidth measurement of Brillouin laser.

圖9給出了布里淵激光輸出功率與HNLF入纖泵浦激光功率的關(guān)系，藍色點為實際測量數(shù)據(jù)，紅色線為對實驗數(shù)據(jù)線形區(qū)域的直線擬合，擬合優(yōu)度為0.993 65。從圖中可以看出，隨著入纖泵浦光功率的不斷增加，布里淵激光由0 mW不斷增加至85.1 mW；但在入纖泵浦光功率小于955.6 mW時，隨著入纖泵浦光功率的增加，輸出光功率沒有明顯增加；而在955.6 mW之后，隨著入纖泵浦光功率的增加，輸出光功率近似于線性增加，且在泵浦光功率達到1.5 W之后，斜率開始降低，布里淵增益逐漸達到飽和。由以上分析可以認為，激光器的布里淵激光閾值為955.6 mW。另外，由線性擬合可得到布里淵激光輸出的斜率效率僅為14%，主要是因為腔內(nèi)損耗較大、HNLF的非線性系數(shù)較小，可以通過優(yōu)化腔損和使用更高非線性系數(shù)的HNLF進一步提高。

圖9 布里淵激光輸出功率與HNLF泵浦激光功率的關(guān)系Fig.9 Brillouin laser output power versus pump laser power of HNLF

3.2 微波信號掃頻性能測量

使用帶寬為18 GHz、閾值為10 mW的PD通過自零差法拍頻雙波長激光輸出得到微波信號，由ESA測量結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，在26 GHz范圍內(nèi)只有9.4 GHz附近有一微波信號，且從插圖可見該微波信號頻譜純凈。由2.2節(jié)分析可知，HNLF的布里淵增益譜會隨著其應(yīng)變的變化而移動，將3.0 m長HNLF纏繞于步進電機光纖拉伸機構(gòu)上并通過拉伸引入應(yīng)變，理論上光纖拉伸機構(gòu)每拉伸1.5 mm對應(yīng)HNLF產(chǎn)生500 με。在入纖泵浦光功率為1.8 W時，測試了拉伸機構(gòu)對于雙波長激光拍頻所得微波信號頻率的調(diào)諧能力，如圖11所示。表1中給出了不同應(yīng)變量下對應(yīng)的微波信號頻率。可以得出，HNLF的應(yīng)變量從0 με以500 με為間隔增加到6 000 με時，微波信號頻率總計變化了305.5 MHz，且微波信號頻率依次增量為27.6，26.7，23.9，24.2，29.0，19.9，27.7，25.2，27.1，24.6，25.1，24.5 MHz，平均增量為25.4 MHz，與2.2節(jié)理論計算的24.0 MHz接近。

圖10 雙波長光纖激光輸出拍頻產(chǎn)生的微波信號Fig.10 Microwave signal generated by frequency beating of the dual-wavelength fiber laser output

圖11 HNLF受不同應(yīng)變時測量的微波信號Fig.11 Microwave signals measured when HNLF is under different strains

表1 HNLF受不同應(yīng)變時測量的微波信號的頻率Tab.1 Microwave signal frequencies measured when HNLF is under different strains

為了驗證微波信號的頻率掃描特性，設(shè)置步進電機光纖拉伸機構(gòu)為掃描模式，掃描頻率為10 Hz，從HNLF施加0～2 000 με開始，以400 με為間隔增加掃描范圍，最大到0～6 000 με，對微波信號的頻率掃描特性分別進行測量。設(shè)置ESA為最大保持測量模式，并在30 s內(nèi)對掃頻微波信號進行測量，實驗結(jié)果如圖12（a）所示。可以看出，隨著應(yīng)變調(diào)諧范圍的增加，微波信號掃頻范圍不斷增加。取最大值保持模式測量掃描光譜的20 dB寬度為微波信號掃頻范圍，由圖12（a）可得HNLF應(yīng)變量與微波信號掃頻范圍的關(guān)系，如圖12（b）所示，且對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合優(yōu)度達到0.998 52，說明具有良好的線性變化關(guān)系。值得注意的是，在應(yīng)變調(diào)制范圍為0～6 000 με時，微波信號掃頻范圍為289.7 MHz，小于圖11中測得的在固定應(yīng)變量為6 000 με時微波信號頻率變化量305.5 MHz，說明在掃描模式下，步進電機光纖拉伸機構(gòu)對HNLF施加的光纖拉伸量有一定量的損失，從而導(dǎo)致微波信號掃頻范圍縮小。另外，圖12（b）中擬合直線的斜率為0.048 MHz/με，與2.2節(jié)理論得到的SMF的布里淵頻移量與應(yīng)變量比例系數(shù)一致[25]。此外，在不超出HNLF彈性限度范圍內(nèi)，可以通過增加應(yīng)變調(diào)制范圍進一步增加微波信號的掃頻范圍。

圖12 （a）HNLF不同應(yīng)變掃描調(diào)制范圍對應(yīng)的微波信號掃頻測量；（b）微波信號掃頻范圍與HNLF應(yīng)變調(diào)諧范圍的關(guān)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 strainswept range of HNLF.

由于使用步進電機進行光纖應(yīng)變調(diào)制，其基于脈沖信號驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)軸向位移，單圈由3 200個脈沖驅(qū)動電機螺桿軸向運動2.54 mm，即步長為0.79 μm，對應(yīng)纏繞的HNLF的應(yīng)變量2.57 με，再由實驗得到的布里淵頻移應(yīng)變調(diào)制系數(shù)0.048 MHz/με可得微波信號掃頻調(diào)諧頻率分辨率為123.36 kHz。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于HNLF的布里淵光纖激光器，諧振腔長為6.6 m，縱模間隔約為31 MHz，有效保證了在布里淵增益譜內(nèi)實現(xiàn)激光SLM運行，得到了線寬僅為622.50 Hz的布里淵激光輸出。結(jié)合殘余泵浦光，實現(xiàn)了穩(wěn)定的高信噪比（＞77 dB）雙波長窄線寬激光同時輸出，通過拍頻得到了頻率在9.4 GHz的窄線寬微波信號。設(shè)計定制了基于步進電機的光纖拉伸機構(gòu)對HNLF進行掃描應(yīng)變調(diào)制，在10 Hz掃描頻率下得到了289.7 MHz范圍的微波信號掃頻運行，頻率分辨率為123.36 kHz。提出的雙波長光纖激光器及作為掃頻微波源在光/無線通信、光纖傳感、微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

本文專家審稿意見及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220176.