摘要:报道了一种具有全光纤结构的双波长掺铒光纤激光器, 该激光器的核心器件为一款新型的多模-单模-多模光纤干涉滤波器. 该滤波器通过一段偏振保持光纤引入偏振依赖相位差, 因而其干涉滤波效果具有良好的偏振依赖特性. 入射抽运功率为50 mW时, 系统输出激光波长为1544.82 与1545.61 nm, 波长间隔0.8 nm, 双波长激光边模抑制比均大于45 dB, 输出峰值功率差小于1 dB, 功率波动在0.7 dB以内. 通过调整腔内的偏振控制器, 可实现双波长间隔的连续可调谐输出, 波长间隔的调谐范围为0—3 nm. 输出信号的偏振态测试结果显示, 系统保持精准的单偏振输出, 并且在不同的调谐条件下, 双波长激光表现出不同的偏振特性, 当双波长激光的偏振状态相互正交时, 系统的偏振消光比达到35 dB, 整体调谐过程表现出良好的偏振稳定度.
关键词: 光纤激光器/
光纤干涉滤波器/
双波长/
连续可调谐

English Abstract

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光纤激光器自诞生以来便凭借其所特有的窄线宽、高信噪比、结构紧凑、散热性好等优点而快速得到市场的认可^[1,2]. 其中, 双波长掺铒光纤激光器由于在毫米波生成、光纤传感、高精度干涉测量、波分复用通信系统以及高分辨率光谱学等领域的应用而受到越来越多的研究者的重视^[3-6]. 由于掺铒光纤所固有的均匀展宽特性极易导致模式竞争^[7], 因此要想获得室温下稳定的双波长掺铒光纤激光输出比较困难. 为此, 人们相继提出了多种双波长掺铒光纤激光器的实现方案. 目前, 在谐振腔中引入滤波器件是人们常用的方法, 常见的滤波器件包括保偏光纤光栅^[8,9]、级联光纤光栅^[10]、重叠光纤光栅^[11-13]、基于光纤光栅的塞格纳克干涉仪^[14]、法布里-珀罗滤波器^[15,16]、马赫-曾德尔干涉仪^[17,18]等. 在上述双波长掺铒光纤激光器的实现方案中, 大多数输出的双波长是固定的, 少数几种方案可支持几种不同的双波长输出, 但每一种的波长间隔也是固定的. 近年来, 由于具有波长间隔连续可调谐特性的双波长掺铒光纤激光器在毫米波生成、微波光子滤波器以及多参量激光传感等焦点领域具有广阔的应用前景, 使得该环节的研究成为热点. 目前已提出了一些实现方案, 诸如: 引入两个独立的可调带通滤波器实现对光源纵模输出的选择^[19], 借助温度或应力实现对谐振腔中光纤光栅中心波长的调谐^[20-23], 借助体光栅实现波长间隔的可调谐^[24], 利用马赫-曾德尔干涉仪的声光效应实现调谐控制^[25]等.
上述几种方案在实施过程中通常需要借助温度或应力对谐振腔内的滤波器件进行调谐, 而这些过程一方面会增加操作的难度, 另一方面所需附加的分立元件会加大腔内损耗, 使得系统的复杂度加大, 不利于系统集成.
本文提出了一种新型的双波长掺铒光纤激光器设计方案, 该方案可实现波长间隔连续可调谐的双波长激光输出, 该激光器的核心器件为偏振多模-单模-多模(polarization-maintaining multimode-single-mode-multimode, PD-MSM)光纤滤波器, 具有全光纤结构, 无需其他分立光学元件, 无需附加温度或应力调节, 连续调谐过程仅需通过对腔内信号的偏振态控制即可实现, 连续间隔可调谐范围达到3 nm, 调谐过程中双波长信号均保持稳定单偏振输出, 功率稳定, 易于系统集成.

如图1所示, PD-MSM光纤滤波器主要由两段完全相同的多模光纤(multimode fiber, MMF)与一段偏振保持光纤(polarization-maintaining fiber, PMF)组成. 多模光纤两端熔接有普通单模光纤(single-mode fiber, SMF), 构成两个全同的单模-多模-单模(single-mode-multimode-single-mode, SMS)光纤模式转换器, 左侧的SMS模式转换器外侧SMF负责信号光导入(Lead-in), 右侧的SMS模式转换器外侧SMF负责信号光导出(Lead-out), 位于中间的PMF通过与两个模式转换器内侧的SMF熔接后构成完整的光纤滤波器.
图 1 PD-MSM光纤滤波器结构示意图
Figure1. Structure of PD-MSM filter.

PD-MSM光纤滤波器的工作原理源自传输中纤芯模式与包层模式之间的干涉作用. 两个全同的模式转换器分别用于模分器与合模器的功能, 左侧的模式转换器负责将Lead-in SMF纤芯中的单模信号激发为MMF纤芯中的多模信号, 右侧的模式转换器负责将MMF纤芯中的多模信号耦合至Lead-out SMF纤芯中以单模方式输出. 两段MMF之间的SMF与PMF除去涂覆, 信号光以纤芯模式与包层模式同时传输, 构成干涉滤波的基础, 同时由于PMF引入的双折射, 使得光纤滤波器整体具有偏振依赖特性.
图2为五种不同的SMS模式转换器的模式激发比例(分别对应5种不同的MMF长度). 由于SMF与MMF是对轴熔接的, 且SMF基模具有圆对称性, 因而MMF中耦合激发的模式主要是LP_0n模, 图2中取前12阶LP_0n模. η为模式转换器中起始由SMF输入的LP₀₁模到输出激发模式LP_0n模的归一化激发系数, ${\left| \eta \right|^2}$为对应的归一化功率系数. 实验中所用MMF数值孔径为0.20, 芯包直径为49/125 μm; 所用SMF数值孔径为0.13, 芯包直径为8.2/125 μm. 由于测试中光纤长度的截取精度在0.1 mm以内, 因此这里选取的MMF对比长度为1.1—1.5 mm. 由图2可见, 在保持纤芯LP₀₁模式具有较高激发比的情况下, MMF长度为1.3 mm时模式转换器所激发的LP₀₂模式和LP₀₃模式达到最大, 此时LP₀₃与LP₀₁模式的激发比最为接近并明显高于其他所有模式. 当模式转化器内SMF中的LP₀₁模和所激发的某一个包层模的激发比数倍高于其他模式时, 整个MSM光纤滤波器近似于一个双臂马赫-曾德尔滤波器, 因而具有较均匀的透射谱.
图 2 五种不同SMS模式转换器的前12阶LP_0n模模式激发系数
Figure2. Normalized excitation coefficients of the first 12 LP_0n modes with five different SMS mode converters.

图3给出了以上模式转换器构成的MSM光纤滤波器透射谱的傅里叶空间频谱, 模式转换器之间的光纤长度为58 mm. 为方便对比, 图3中嵌入了两种MSM光纤滤波器的透射谱, 左上图为采用1.5 mm长MMF的模式转换器构成的MSM光纤滤波器的透射谱, 右下图为采用1.3 mm长MMF的模式转换器构成的MSM滤波器的透射谱. 由图3可以看出, 采用1.3 mm长度MMF的模式转换器构成的MSM光纤滤波器具有更均匀的透射谱周期, 这有利于达到PD-MSM制作的光谱一致性.
图 3 MSM滤波器的空间频谱
Figure3. Spatial frequency spectra of MSM filter.

如图1所示, PD-MSM结构中插入一段实验室自制的PMF, 纤芯双折射${B_0}$为6.8 × 10^–4, 其在结构与折射率分布方面与SMF光纤一致, 两者之间的模式耦合很弱, 可以不予考虑. 由于PMF自带的双折射效应, 使得快慢轴方向(x, y方向)上的光存在一个长度相关相移$\Delta \phi $. 当近似于一个双臂马赫-曾德尔滤波器时, PD-MSM的x或y方向上的透射光谱为

$\begin{split}{T_s} = \;&{\left| {\sum\limits_n {\eta _n^2 \cdot \exp \left( {{\rm{j}}{\beta _n}{L_{{\rm{SMF}}}} + {\rm{j}}{\beta _{n,s}}{L_{{\rm{PMF}}}}} \right)} } \right|^2} \\ \approx \;&{\left| {{\eta _1}} \right|^4} + {\left| {{\eta _v}} \right|^4} + 2{\left| {{\eta _1}{\eta _v}} \right|^2}\cos \left( {{\rm{j}}{\phi _s}} \right),\end{split}$

其中s = x或y, ${\eta _n}$为模式转换器中由Lead-in SMF中的LP₀₁模激发到SMF中的LP_0n圆对称包层模的激发系数, ${\beta _n}$与${\beta _{n,s}}$分别为LP_0n模在SMF和PMF中的传播常数, ${L_{{\rm{SMF}}}}$与${L_{{\rm{PMF}}}}$分别为PD-MSM两段MMF之间SMF的总长度和PMF的长度.
当$\Delta \phi = {\phi _y} - {\phi _x}$为$ {\text{π}}$时, PD-MSM滤波器在x方向的透射谱峰值刚好对应y方向的谷值, 即仅x偏振光能够高透, 反之亦然. 因此PD-MSM滤波器对于特定波段具有起偏作用, 在此条件下PMF的长度应满足:

${L_{{\rm{PMF}}}} = \frac{{\text{π}}}{{\left( {\Delta {\beta _{v,y}} - \Delta {\beta _{v,x}}} \right)}} = \frac{1}{2} \cdot \frac{\lambda }{{\left| {{B_0} - {B_v}} \right|}},$

式中$\Delta {\beta _{v,y}}$和$\Delta {\beta _{v,x}}$分别为PMF中LP_0v模在x, y方向的传播常数差, ${B_v }$为PMF中激发的主要特征包层模式的双折射. 由此可见, PD-MSM滤波器中PMF的长度取值${L_{{\rm{PMF}}}}$与两端MMF之间的间距无关, 仅与特征传输模式的双折射有关. 由于在PMF中, 包层模式的双折射无法通过有限差分束传播法直接计算得到, 因而在实验中通过直接测试长度为${l_S}$的PMF对光谱偏移$\Delta \lambda $的贡献(${L_{{\rm{PMF}}}} = $${l_S} \cdot {\rm{FSR}}/\Delta \lambda $)确定PMF的长度取值, 计算得到${L_{{\rm{PMF}}}}$为1.5 mm, 对应以上模式转换器激发的特征包层模式的双折射${B_v}$为1.63 × 10^–4. 图4所示为光纤激光器实验中所用PD-MSM滤波器单偏振态下的透射谱, SOP1与SOP2分别对应x偏振态和y偏振态(states of polarization, SOP), 相应的自由谱域(free spectral range, FSR)在6.3 nm左右. 所用PMF长度1.5 mm, 两段MMF长度均为1.3 mm, MMF间距58 mm.
图 4 PD-MSM光纤滤波器透射谱
Figure4. Transmission spectra of the PD-MSM filter.

图5为所设计的双波长掺铒光纤激光器结构示意图. 采用环形腔结构, 腔内PD-MSM光纤滤波器提供滤波功能, 并确保信号的偏振依赖特性; 980 nm抽运光(pump)通过波分复用器(wavelength division multiplexer, WDM)注入环形腔; 掺铒单模光纤(erbium-doped fiber, EDF)提供C波段光信号的增益; 光纤偏振控制器(polarization controller, PC)对腔内信号的偏振态提供连续控制; C波段光纤隔离器(isolator, ISO)确保激光信号在环形腔内的单向传输; 环形腔内的激光通过一个9 : 1的单模光纤耦合器(optical coupler, OC)输出; 输出信号由YOKOGAWA^TM公司AQ6375型光谱分析仪(optical spectrum analyzer, OSA)进行测量, OSA的分辨率为0.05 nm.
图 5 间隔可调双波长掺铒光纤激光器结构示意图
Figure5. Schematic setup of the proposed continuously spacing-tunable dual-wavelength EDFL.

图6为稳定输出时的双波长掺铒光纤激光器输出光谱图, 此时的注入抽运功率为50 mW (阈值功率为20 mW). 在PC的调节下, 谐振腔内各波长的增益得到合理控制, 实现系统稳定的双波长激射, 输出波长分别为1544.82与1545.61 nm, 波长间隔为0.8 nm, 相应的边模抑制比均高于45 dB, 同时双波长信号的峰值功率差控制在1 dB以内(图6(a)). 连续测试(测试时间: 50 min, 测试次数: 10次)的结果显示, 双波长输出的峰值功率波动控制在0.7 dB以内, 系统输出稳定性良好(图6(b)).
图 6 掺铒光纤激光器输出　(a)双波长输出; (b)输出稳定性测试
Figure6. Output of the EDFL: (a) Dual-wavelength lasing output; (b) output stability test.

实验测试发现, 在腔内PC控制下, 系统不仅能获得稳定的双波长激光输出, 而且还可实现双波长间隔的连续可调谐. 图7所示为系统双波长间隔连续调谐的测试光谱, 其中包含了两个连续切换的双波长输出过程. 保持抽运功率50 mW不变, 调节腔内PC, 双波长间隔连续发生变化. 当两激射波长的峰值功率差控制在1 dB以内时, 最大可获得0—1.2 nm的调谐范围, 当峰值功率差控制在10 dB以内时, 最大可获得0—1.6 nm的调谐范围, 1.2—1.6 nm的调谐区段, 双波长输出峰值功率差随波长间距同步增大, 调谐过程的测试光谱见图7(a) (调谐Ⅰ). 在腔内PC的持续调节下, 双波长输出中短波长信号停止谐振, 同时激发出在1547.8 nm附近的长波长信号(图7(b)最前端红色谱线右侧支), 系统依旧保持双波长输出, 并且波长切换的过程是连续变化的. 重复相应的调谐过程可获得1.6—3 nm的最大调谐范围, 调谐过程的测试光谱见图7(b) (调谐Ⅱ). 在调谐Ⅰ与调谐Ⅱ的整体过程中, 系统可提供0—3 nm的波长间隔连续可调节输出, 若将该双波长掺铒光纤激光器用于毫米波生成, 将不仅能获得稳定的毫米波信号, 而且还可实现输出毫米波信号频率的连续可调谐.
图 7 双波长输出波长间隔连续调谐过程　(a)调谐Ⅰ, 0?1.6 nm; (b)调谐Ⅱ, 1.6?3 nm
Figure7. Continuously spacing tuning of the dual-wavelength output: (a) Tuning Ⅰ, 0?1.6 nm; (b) tuning Ⅱ, 1.6?3 nm.

将系统双波长调谐输出光谱与PD-MSM光纤滤波器透射谱相比较, 可掌握波长间隔连续调谐的具体细节, 如图8所示. 图中红、蓝虚线对应PD-MSM光纤滤波器两相互正交偏振态的透射曲线, 黑色实线与绿色虚线为调谐过程中的稳定双波长输出光谱. 图8(a)对应调谐Ⅰ过程, 起始时, 两激射信号分别位于PD-MSM光纤滤波器两正交偏振透射谱线交叠波长两侧(图8(a)黑色实线), 随着波长间隔加大, 逐渐远离交叠波长位置(图8(a)绿色虚线), 调谐过程中双波长输出信号的移动范围保持一致. 图8(b)对应调谐Ⅱ过程, 图中绿色虚线为调谐状态切换后的双波长输出起始位置, 短波长信号位于PD-MSM光纤滤波器两正交偏振透射谱线交叠波长右侧, 长波长信号位于其中一偏振态的峰值波长附近, 随着波长间隔加大, 双波长信号相向移动, 调谐过程中短波长信号的移动范围明显大于长波长信号, 波长间隔接近最大值3 nm时, 短波长信号基本与PD-MSM光纤滤波器两正交偏振透射谱线的交叠波长一致(图8(b)黑色实线).
图 8 双波长输出调谐过程(对比PD-MSM光纤滤波器透射谱)　(a)调谐Ⅰ; (b)调谐Ⅱ
Figure8. Comparison between the transmission spectra of PD-MSM filter and spacing tuning of the dual-wavelength output: (a) Tuning Ⅰ; (b) tuning Ⅱ.

为进一步了解系统的整体输出特性, 设计了两种测试方案(Test 1, Test 2)用于测试双波长输出的偏振态细节, 如图9所示. Test1用于检测两波长激射信号的偏振正交特性, 系统由PC、偏振分束器(polarization beam splitter, PBS)以及OSA组成. Test 2用于检测每个激射信号的偏振稳定性, 系统由可调带通滤波器(tunable bandpass filter, TBF)与偏振分析仪(polarization analyzer, PA, Agilent 8509B)组成.
图 9 激光输出偏振态测试系统
Figure9. Schematic of laser output polarization testing.

Test 1中, 将输出双波长激射信号注入测试系统, 信号先经过PC后再进入PBS, 而后分出的两路信号由OSA进行测试. 测试过程中, 首先调节PC, 确保将双波长激射信号中的任一信号的偏振态调至与PBS某输出端的线偏振态保持一致, 然后分别测试PBS两输出端的信号光谱. 图10为调谐过程中PBS两端口输出光谱的测试结果, 图中所示波长分别为调谐Ⅰ、调谐Ⅱ过程中的代表波长, Port1与Port2分别对应PBS的两个不同输出端口. 图10(a)对应调谐Ⅰ过程, 可以看出, 两端口输出双波长激射信号的偏振消光比(polarization extinction ratio, PER)均高达35 dB, 这说明输出的两信号分别位于相互正交的两个偏振态上, 此时掺铒光纤激光器的双信号激射输出不仅可以从波长上加以区分, 还可以从偏振态上区别开来. 图10(b)对应调谐Ⅱ过程, 可以看出, Port1输出双波长信号的PER达到24 dB, 而Port2输出双波长信号的PER只有6 dB, 这说明输出的两信号的偏振态并非相互正交. 此时掺铒光纤激光器的双信号激射输出, 可以从波长上加以区分, 但无法从偏振态上进行识别.
图 10 偏振态测试系统1输出　(a)调谐Ⅰ; (b)调谐Ⅱ
Figure10. Output of Test 1: (a) Tuning Ⅰ; (b) tuning Ⅱ.

Test 2中, 将双波长激射信号注入测试系统, 首先信号通过TBF滤波器得到其中的一个波长, 然后利用PA观察该波长信号的偏振稳定性. 测试时间为20 min, 保持常温常压及无振动测试环境, 图11为调谐过程中相应的测试结果, 图中所示波长分别为调谐Ⅰ、调谐Ⅱ过程中的代表波长. 图11(a)和图11(b)对应调谐Ⅰ过程, 图中显示输出信号的测试结果均位于Poincare球的赤道与两极之间, 因而为典型的椭圆偏振光, 且相互正交. 图11(c)和图11(d)对应调谐Ⅱ过程, 图11(c)中信号显示为椭圆偏振光, 而图11(d)中信号的测试结果靠近Poincare球赤道附近, 表现出良好的线偏振特性. 通过对比可以看到, Test 2的测试结果与Test 1 的测试结果是相符合的. 长时间扫描结果显示所有信号的偏振态均保持十分稳定, 漂移很小, 并且偏振度(degree of polarization, DOP)测量结果均近似为1 (DOP > 1情况源自设备系统误差), 整体输出表现出良好的单偏振特性.
图 11 偏振态测试系统2输出　(a), (b)调谐Ⅰ; (c), (d)调谐Ⅱ
Figure11. Output of Test 2: (a), (b)Tuning Ⅰ; (c), (d) tuning Ⅱ.

提出了一种新型的PD-MSM光纤滤波器结构, 该滤波器集滤波与偏振保持特性于一体, 将其用于掺铒光纤激光器系统设计, 成功实现了0—3 nm波长间隔连续可调谐双波长激光输出, 输出双波长信号的边模抑制比达到45 dB. 系统输出的偏振态测试结果显示, 该双波长掺铒光纤激光器在调谐全程中均保持稳定的单偏振输出, 最大偏振消光比可达35 dB. 该激光器为全光纤型激光器, 性能稳定, 便于系统集成.