1570_nm和1548_...m双波长单频掺饵光纤激光器_张华得.pdf

第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA021400211 570 nm和 1 548 nm 双波长单频掺饵光纤激光器张华得1，2，高曦伦1，2，沈永行1，2（1 浙江大学 光电科学与工程学院，杭州 310027）（2 现代光学仪器国家重点实验室，杭州 310027）摘要：针对高精度相干激光探测需求，提出了一种基于环形腔结构的双波长单频输出掺饵光纤激光器。该激光器使用未泵浦的掺饵光纤作为可饱和吸收体，结合标准具结构的光纤法布里-珀罗滤波器和光纤布拉格光栅，实现 1 570 nm 和 1 548 nm 附近的双波长单频激光输出，其中心波长分别为 1 569.97 nm 和1 548.06 nm，光信噪比分别达到 58 dB和 55 dB。通过在 100 min内对输出激光光谱和功率的连续数据采集，得到输出功率波动分别为 0.01 dB 和 0.02 dB，且光谱仪上始终未见输出激光光谱中心波长变化，表明输出激光具有良好的工作稳定性。采用延时非零自外差法测量了输出激光的线宽，测得 1 570 nm 处激光线宽约为 230.2 Hz，1 548 nm 处线宽约为 223.6 Hz。关键词：激光器；环形腔；双波长；单频；法布里-珀罗滤波器；可饱和吸收体中图分类号：TN958.98 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02140020 引言单频光纤激光器和多波长光纤激光器是光纤激光器的两个重要研究方向，多波长的单频光纤激光器因能同时实现多个不同波长的单频激光输出，具有重要的应用前景。这类激光器输出的激光具有很好的单色性，从而拥有相干长度长、噪声系数低等优势，使其在光纤通信、光纤传感、激光雷达、高精度激光测量等领域应用潜力大1-3。根据谐振腔结构的不同，实现单频激光输出的主要方法包括分布反馈（Distributed Feedback，DFB）腔4、分布布拉格（Distributed Bragg Reflection，DBR）腔5和环形腔6。DFB 腔和 DBR 腔都是线性腔，利用超短的腔长得到超宽的纵模间隔，从而实现单频激光输出。线性短腔存在空间烧孔效应，且不易通过插入其他光学器件来改善输出光的性能。采用行波腔结构的环形腔可以避免空间烧孔效应的产生，且较长的腔长使得可以采用较长的增益光纤，从而有效提高激光输出功率。目前环形腔常用的线宽压缩技术有特殊滤波器法7、复合腔法8和可饱和吸收体（Saturable Absorber，SA）法9。其中特殊滤波器价格昂贵，而复合腔法则需要通过游标效应来精细设计主腔和各个子腔的长度，很容易受到温度和振动等干扰，使得输出的单频激光较不稳定。相对而言，采用饱和吸收体的环形腔结构工作较为灵活，但容易产生弛豫振荡。因为环形腔结构可输出不同波长的激光，结构紧凑且成本低，是多波长激光雷达和激光传感的理想选择，在太赫兹、微波光子学等领域也有广阔的前景10-12。如以多波长单频光纤激光器作为探测光源，测距精度可达纳米级别，并能实现更宽范围的激光探测需求13。近年来，基于环形腔的多波长单频光纤激光器引起了国内外学者的广泛研究。2008年，PAN S等利用一个光纤法布里-珀罗（Fiber Fabry-Perot，FFP）滤波器结合环形腔实现了波长间隔为 0.3 nm 的双波长单频光纤激光输出14。2014 年，ZHU L 等利用两个光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）串联滤波，并利用未泵浦的增益光纤作为可饱和吸收体和增益均衡效应实现了 1 540 nm 和引用格式：ZHANG Huade，GAO Xilun，SHEN Yonghang.1 570 nm and 1 548 nm Dual-wavelength Single-frequency Er-doped Fiber Laser J.Acta Photonica Sinica，2023，52（2）：0214002张华得，高曦伦，沈永行.1 570 nm 和 1 548 nm 双波长单频掺饵光纤激光器 J.光子学报，2023，52（2）：0214002基金项目：国家自然科学基金（No.62075190）第一作者：张华得，通讯作者：沈永行，收稿日期：2022 09 15；录用日期：2022 10 11http:/光子学报021400221 545 nm 的双波长单频激光输出15。2016年，ZHU T 等利用 FBG 作为滤波器件，通过在腔中加入一段锥形光纤，得到 1 530 nm 和 1 550 nm 两个波长处的单频激光输出，线宽约为 700 Hz16。2018 年，LIU J 等采用FBG 作为波长选择元件，多层黑鳞薄片作为 SA，得到了波长间距为 0.8 nm 的双波长单频激光输出17。2021 年，WEN Q 等利用 MXene QDs 作为 SA，相移光纤布拉格光栅（Phase-Shifted FBG，PS-FBG）结合FBG作为波长选择元件，最终得到了线宽分别为 473.5 Hz和 531 Hz的双频激光输出18。此类研究大多采用特殊的昂贵光纤器件或材料，往往导致较高的实验成本；或是依赖于精细的偏振控制和增益均衡控制，其复杂的调节控制过程使得激光器的应用受到限制。针对上述不足，本文报道了一种环形腔结构双波长单频掺饵光纤激光器，在不引入偏振控制和不使用特殊偏振器件的前提下，利用标准具结构的 FFP滤波器结合 FBG 来实现激光腔的高稳定波长选择，并利用未泵浦掺饵光纤作为 SA，通过 SA中自组织光栅的窄带滤波特性实现单频激光输出。1 实验装置及原理图 1为双波长单频光纤激光器原理结构。激光谐振腔中，两个半导体激光器（Laser Diode，LD）作为谐振腔的泵浦源，通过 980/1550波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）的 980端口进入谐振腔内，通过反向泵浦的方式注入作为增益介质的两段掺饵光纤（Erbium-doped Fiber，EDF）中，其中 EDF1的长度为 10 m，EDF2的长度为 8 m。两个子腔中产生的激光通过光纤环行器（Optical Circulator，OC）实现了互不干扰。由于环形器的反向隔离度（如 3端口的光传输到 2端口的损耗）大于 40 dB，可以有效保证两个波长的激光在腔内的单向传输。两个耦合比为 50/50的光纤耦合器（Optical Coupler）用于激光能量输出。实验采用 FBG 结合标准具结构 FFP 滤波器的方式进行波长选择和初步的波长稳定。其中 FBG1的测试中心波长为 1 570.23 nm，反射率为 99.94%，3 dB 带宽为 0.46 nm，边模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，SMSR）为 28 dB。FBG2 的测试中心波长为 1 548.53 nm，反射率为 93.2%，3 dB 带宽为 0.25 nm，SMSR 为 19 dB。标准具结构 FFP 滤波器的梳状透射谱特性可以用自由光谱范围（Free Spectral Range，FSR）和半高全宽（Full-Width Half Maximum，FWHM）、精细度（Fineness，F）和插入损耗等参数来描述。图 1双波长单频光纤激光器原理结构Fig.1Experimental setup of the dual-wavelength single-frequency fiber laser张华得，等：1570 nm 和 1548 nm 双波长单频掺饵光纤激光器02140023FFP 的存在可以保证所产生的激光波长稳定在单个透射峰范围内，并且有效抑制跳模，实现波长的初步稳定。用较大 FSR 的 FFP 滤波器有利于结合 FBG 进行激光波长选择，较低的损耗则有利于降低激光器的阈值。因此，采用一个 FSR 为 100 GHz 的 FFP，其最大插入损耗约为 2.14 dB，单个透射峰的 3 dB 带宽约为0.056 nm。用未泵浦的掺饵光纤作为可饱和吸收体来实现激光的单纵模输出。如图 1所示，当产生的信号光通过环形器 2端口进入未泵浦的掺饵光纤后，会被 FBG 反射，正反两个方向传播的光场会在这段光纤中产生驻波干涉，形成干涉光强的周期性分布，导致光纤中周期性的吸收系数变化，从而产生周期性的折射率分布，形成自追踪动态光栅。因为它表现为损耗（或增益）呈周期性变化的空间分布，通常又称为增益光栅。增益光栅不仅能实现纵模的有效选择，而且能有效抑制跳模，使光纤激光器获得稳定的单纵模输出19。通过 SA产生的自追踪动态光栅均具有窄带的滤波效应，有非常好的模式选择特性，能有效地消除多纵模振荡，是产生单纵模激光输出的一种有效方法。实验选用的 SA1 长度为 8.9 m，在 1 570 nm 处的吸收系数约为0.87 dB/m；SA2长度为 5.5 m，在 1 550 nm 处的吸收系数约为 0.34 dB/m。实验结构的单纵模选取过程为：在环形腔中先通过 FBG 和 FFP进行波长的初步选择，FFP会有效抑制跳模，增加系统的稳定性。然后通过 SA 形成的自追踪动态光栅实现单纵模激光的输出。实验具体的单纵模选取过程原理如图 2所示。以产生 1 548 nm 处单频激光的谐振腔为例来说明。实验中此子腔的纵模间隔约为 5 MHz，FBG 的 3 dB 带宽约为 31 GHz，FFP 的 3 dB 带宽约为 7 GHz。因为 FFP 的自由光谱范围为100 GHz，大于 FBG的 3 dB带宽，从而可以有效保证只会在一个 FFP透射峰中产生激光，防止跳模。最后通过 SA 的窄带滤波特性，只要 SA 形成的动态光栅的带宽小于腔纵模间隔，便可以选出单纵模，从而形成单频激光的输出。最终能否形成单纵模运转，关键要看由未泵浦的掺饵光纤作为可饱和吸收体所形成的动态光栅的带宽能否小于谐振腔的纵模间隔。从定量角度分析，计算可饱和吸收体中所形成的动态光栅的带宽表达式为20 f=g()n2neff2+()2neffLSA2（1）式中，n为折射率的周期性空间变化；neff为有效折射率；为光栅中最大反射处中心波长；LSA为饱和吸收体长度；g为动态光栅的耦合系数，可表示为g=2nneff（2）实验中约为 1 548 nm，neff约为 1.45，LSA约为 5.5 m。经过估算得出实验中未泵浦的掺饵光纤作为可饱和吸收体形成的动态光栅带宽小于 5 MHz，即小于谐振腔的纵模间隔，因此可以保证单纵模的选取。图 2单纵模选取原理示意图Fig.1Schematic of single longitudinal mode selection principle光子学报021400242 实验结果与分析2.1输出激光的功率和光谱特性实验中通过改变泵浦功率来测量激光输出端口的功率以分析输出激光的功率特性。图 3（a）和（b）分别为实验测得的两个输出激光的工作阈值、斜效率曲线以及单频工作区域。其中散点是实际测量的数据，斜效率特性由拟合后的直线来表征。实验过程中泵浦功率从 0 mW 开始逐渐增加，当 LD1的泵浦功率增加至58 mW，LD2的泵浦功率增加至 138 mW 时，可以从光谱上看见输出激光已经达到阈值并起振，得到中心波长分别为 1 569.97 nm 和 1 548.06 nm 的激光输出。此时两个输出激光的功率分别为 4.2 mW 和 10.1 mW。由于掺饵光纤的增益谱特性，尽管不同纵模间存在增益竞争，但是随着泵浦功率的提高，增益能达到阈值的纵模数量会随之增加，此时由于增益过高，可能会使得通过 SA 后，除主模外的其余边模也会产生振荡，最终产生多纵模运转。所以在激光起振后，通过改变泵浦功率并观察输出激光的单频性能，得到输出激光的单频工作区域。在可以维持单频性能的前提下，实验得到的 1 570 nm 和 1 548 nm 处激光的输出功率范围分别为 2.626.8 mW 和 1.95.7 mW。从图 3可以看出 1 548 nm 处的阈值点高于其最大单频工作点，因此在激光起振后，通过缓慢降低泵浦功率并实时监测其单频性得到了单频工作区域。而 1 570 nm 处的阈值点处于其单频工作区域中，这一方面是由于在 1 548 nm 和 1 570 nm 处掺饵光纤的增益系数和吸收系数不同，另一方面是针对两个子腔使用了不同种类的增益光纤和未泵浦的掺饵光纤，使得两激光波长处的输出功率、斜效率和单频工作区域有一定差别。实验中通过分辨率为 0.01 nm 的光谱分析仪（OSA，ANDO，AQ6317C）采集该激光器的输出光谱。图 4（a）是 LD1的泵浦功率为 104 mW 时 1 570 nm 激光的输出光谱，图 4（b）是 LD2的泵浦功率为 83 mW 时图 3输出激光的功率特性Fig.3Power characteristic of output laser图 4激光器的输出光谱Fig.4Typical output spectrum of laser张华得，等：1570 nm 和 1548 nm 双波长单频掺饵光纤激光器021400251 548 nm 激光的输出光谱。从图 4可以看出，输出激光的信噪比（Optical Signal to Noise Ratio，OSNR）分别为 58 dBm 和 55 dBm，表明该激光器谐振腔具有较高的品质因数和良好的模式选择能力。2.2输出激光的稳定性单频激光输出的稳定性包括波长稳定性和功率稳定性，是表征单频激光性能的重要指标。为了测量搭建的激光器输出单频激光的稳定性，实验中在打开激光器半小时后开始进行数据采集，每间隔 10 min采集一次光谱并记录输出激光的功率。图 5（a）和（b）分别是 1 570 nm 激光和 1 548 nm 激光每间隔 10 min 采集的稳定光谱扫描图。连续 10 次扫描的光谱形状未见明显改变，中心波长未见明显飘移。因为光谱仪的分辨率为 0.01 nm，而实验中连续采集 10次光谱的中心波长都为 1 569.97 nm 和 1 548.06 nm，可以表明输出的两个波长的单频激光都有良好的波长稳定性。图 5（c）和（d）分别是 104 mW 泵浦功率下产生的 1 570 nm 激光和 83 mW 泵浦功率下产生的1 548 nm 激光的输出激光功率波动图。可以看出，1 570 nm 激光的输出功率波动为 0.01 dBm，1 548 nm 激光的输出功率波动为 0.02 dBm，表明输出的两个波长的单频激光都有良好的功率稳定性，证明了所采用的双波长单频激光制作方法能很好地避免两个波长之间激光的互相干扰，输出激光有很好的工作稳定性。2.3输出激光的线宽特性输出激光的线宽是单频光纤激光器的一个重要性能表征参量。实验中采用基于马赫-曾德尔干涉仪的延时非零自外差法21测量输出激光的线宽。实验中移频器件采用工作中心频率在 100 MHz的光纤声光调制器（Acoustic Optical Modulator，AOM），延时光纤使用 40 km 的普通单模光纤，输出光通过该测量系统后通过频谱分析仪来观察拍频谱线。由于延时光纤长度有限，并且该测量系统对环境较敏感，所得的拍频谱线难以和洛伦兹线型完全拟合，但其对测量结果的影响不大，最终处理数据时仍然可以将拍频谱线近似成洛伦兹线型。实验中当频谱仪设置的中心频率为 100 MHz、扫描范围为 200 MHz时，连续数十分钟内观察频谱图中除了中心频率外没有任何拍频信号存在，表明此时输出激光处于良好的单纵模运转状态，在此前提下采集图 5 光谱和输出功率随时间的变化Fig.5 Spectral and output power variation with time光子学报02140026频谱仪显示的拍频谱线数据。图 6（a）和（b）分别是 104 mW 泵浦功率产生的 1 570 nm 激光和 83 mW 泵浦功率产生的 1 548 nm 激光在通过延时非零自外差系统后测得的拍频谱线。通过各自的拍频谱线拟合成洛伦兹曲线来计算输出激光的线宽。输出激光的线宽大小可以由拟合的洛伦兹线型的-20 dB 带宽得到。图 6（a）和（b）的-20 dB 带宽分别为 4.58 kHz 和 4.45 kHz，因此可以得到输出的 1 570 nm 激光的线宽约为230.2 Hz，1 548 nm 激光的线宽约为 223.6 Hz。该线宽值表明输出的双波长激光有很好的激光单频特性。3 结论本文基于标准具结构的 FFP 滤波器结合 FBG 实现波长选择和初步稳定，进一步利用未泵浦掺饵光纤作为可饱和吸收体来实现两个波长处的稳定单纵模激光振荡。实验最终获得了 1 570 nm 处和 1 548 nm 处稳定的双波长单频激光输出。激光起振后，当泵浦功率分别调节至 104 mW 和 83 mW 时，在 1 570 nm 和1 548 nm 处分别获得了输出功率为 10.3 mW 和 4.7 mW、OSNR 分别为 58 dB 和 55 dB 的单频激光输出。实验测得输出激光有良好的斜效率。由于在 1 570 nm 和 1 548 nm 处掺饵光纤的增益系数和吸收系数有显著差别，实验得到 1 570 nm 和 1 548 nm 激光输出的斜效率、阈值点和单频工作区域都有较为明显的差别。实验表明输出激光具有良好的波长稳定性和功率稳定性。采用延时非零自外差法测得 1 570 nm 和 1 548 nm输出激光的线宽分别约为 230.2 Hz和 223.6 Hz，表明输出激光有良好的单频性能。该激光器采用偏振不敏感器件，不需要复杂的偏振控制，并且可以通过改变 FBG灵活改变输出激光的波长，输出激光有较窄的线宽和良好的工作稳定性。参考文献1 YANG C，CEN X，XU S，et al.Research progress of single-frequency fiber laser J.Acta Optica Sinica，2021，41（1）：0114002.杨昌盛，岑旭，徐善辉，等.单频光纤激光器研究进展 J.光学学报，2021，41（1）：0114002.2 LUO Y，HE Y，GAO M，et al.Fiber laser-based scanning lidar for space rendezvous and docking J.Applied Optics，2015，54（9）：2470-2476.3 DUAN L C，ZHANG H W，SHI W，et al.High-resolution temperature sensor based on single-frequency ring fiber laser via optical heterodyne spectroscopy 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双波长单频掺饵光纤激光器02140027high stability obtained by utilizing a triple-ring passive subring resonator J.Optics&Laser Technology，2020，130：106329.9 LEE S H，YUN H G，LEE M H，et al.Single-longitudinal-mode fiber ring lasers with a saturation-level-controlled saturable absorber J.Optics Communications，2013，308：15-19.10 BRIESE C，PFENNIGBAUER M，ULLRICH A，et al.Multi-wavelength airborne laser scanning for archaeological prospection C.Proceedings of the 24th International CIPA Symposium，Strasbourg，France，2013.11 JEON M Y，KIM N，SHIN J，et al.Widely tunable dual-wavelength Er3+-doped fiber laser for tunable continuous-wave terahertz radiation J.Optics Express，2010，18（12）：12291-12297.12 SALVADE Y，SCHUHLER N，LEVEQUE S，et al.High-accuracy absolute distance measurement using frequency comb referenced multiwavelength source J.Applied Optics，2008，47（14）：2715-2720.13 ZHOU S Y，XIONG S L，ZHU Z B，et al.Simplified phase-stable dual-comb interferometer for short dynamic range distance measurement J.Optics 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wavelength selection and preliminary stabilization.And two unpumped Er-doped fibers act as saturable absorbers to realize linewidth narrowing effect.The Laser Diode（LD）used has a maximum drive current of 700 mA，which corresponds to a maximum pumping power of 450 mW and 500 mW.When the pump power of LD1 is up to 58 mW and the diver current of LD2 is up to 138 mW，the fiber laser gets dual-wavelength output.The output power of the 1 570 nm and 1 548 nm laser generated at this time are 4.2 mW and 10.1 mW respectively.Then the pump power of LD1 and LD2 are adjusted to 104 mW and 83 mW respectively，and the output laser characteristics were studied under this condition.The output power in 1 570 nm is 10.3 mW，and the Optical Signal to Noise Ratio（OSNR）is 58 dB.The output power in 1 548 nm is 4.7 mW，and the OSNR is 55 dB.It shows that the output laser has a relatively high-quality factor and high slope efficiency.Then the stability of the output laser is studied.In order to measure the stability of the output laser of the dual-wavelength single-frequency laser，data collection is started half an hour after the laser is turned on in the experiment.Every 10 min，the spectrum is collected and the output power is recorded.The power fluctuations of the laser output in 光子学报02140028 Foundation item：National Science Foundation of China（No.62075190）1 570 nm and 1 548 nm are 0.01 dBm and 0.02 dBm，respectively，and the wavelength drifts of the output laser are both less than 0.01 nm.The result shows that the fiber laser can avoid the mutual interference between the two wavelengths.The output laser has good power stability and wavelength stability.The laser linewidth is the parameter of most concern for a single-frequency fiber laser.In this experiment，the linewidths of the output laser are measured by the delay non-zero self-heterodyne method based on the Mach-Zehnder interferometer and fitted with the Lorentz curve.And it can be calculated from the 20 dB bandwidth of the Lorentz curve.The linewidths of output laser in 1 570 nm and 1 548 nm measured are about 230.2 Hz and 223.6 Hz.The narrow linewidth indicates that the output laser has good single-frequency performance，and it is also an important basis for the wide application of this laser.In this study，the idea of multiplexing Fiber Fabry-Perot（FFP）filter is proposed，and the two sub-cavities do not interfere with each other by introducing circulator at both ends of FFP.It also does not introduce any expensive polarization devices，and does not need to use a polarization controller to control the polarization state of the light in the cavity.So it greatly reduces the difficulty of experimental operation and cost of the experiment.The fiber laser has a simple structure，good stability and the output laser has a narrow linewidth.It provides a technical method for realizing dual-wavelength single-frequency laser output，and it can also be used as a seed light source in high precision measurement field.Key words：Laser；Ring cavity；Dual-wavelength；Single-frequency；Fabry-Perot filter；Saturable absorberOCIS Codes：140.3510；140.3500；140.3570；140.3560；120.2230