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、激光手術刀等領域具有廣闊的應用前景。與傳統(tǒng)半導體激光器相比，單縱模光纖激光器具有更優(yōu)異的功率穩(wěn)定性，調制幅度不隨調制頻率變化。波長可切換光纖激光器因其輸出激光波長的可調性和靈活性，在波分復用系統(tǒng)、傳感網絡和光通信網絡中具有很大的應用價值。因此，有必要對單縱模摻銩光纖激光器的性能進行進一步研究和優(yōu)化。實現(xiàn)光纖激光器單縱模輸出的方法有飽和吸收體法、復合腔法、濾波器法、短腔選模法等。不同類型的復合腔結構是現(xiàn)在的研究熱點之一。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)形腔還具有結構簡單、可調諧性良好、泵浦效率較高等優(yōu)點。北京交通大學延鳳平教授課題組報道了一種基于復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域中具有重要的應用價值。

  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)濾波器進行了理論分析和仿真計算，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中心波長，分別為1939.91 nm、1940.00 nm和1940.90 nm，對應窄帶濾波通道的3 dB帶寬約為0.015 nm、0.002 nm和0.015 nm。在仿真基礎上，利用相位掩模法實驗制作了光纖布拉格光柵(FBG)和FP-FBG濾波器，實驗所得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與FP-FBG濾波器的三個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

  基于實驗制作的FP-FBG濾波器和8字子腔，課題組提出了一種環(huán)形復合腔結構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

  通過調整應力調整架拉伸FBG，與FP-FBG濾波器的三個傳輸通道的中心波長相匹配，實現(xiàn)不同激光波長的切換，并且可以抑制大部分縱模，輸出三個不同波長的激光。兩個50:50耦合器形成一個8字形子腔，有效地增加了縱模間隔，使FP-FBG濾波器的每個通道獲得SLM激光。偏振控制器平衡腔內信號的增益和損耗，使輸出光信號穩(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。通過合理調整每個諧振腔的長度，實現(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，得到3個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輸出功率的抖動分別小于0.39 dB、0.61 dB和0.55 dB，波長波動均小于0.01 nm，小于光譜儀的最高分辨率0.05 nm，同時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)。

  結論與展望

  本文利用設計的多通道FP-FBG濾波器，在2.0 μm波段實現(xiàn)了3個波長可切換的單縱模激光輸出，且光纖光柵濾波器損耗小。與其它結構TDFL相比，該激光器無損耗較大的元器件，更易于實現(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，以及進一步提高激光器的輸出功率和輸出波長數(shù)量。