自調Q摻鉺光纖激光器動態特性研究

楊亞婷，杜 洋，王海燕，胡貴軍

(吉林大學通信工程學院，長春130012)

引 言

調Q光纖激光器可以產生高峰值功率、脈沖寬度為納秒量級的脈沖激光，這種短脈沖激光在測距、通信系統、遠程傳感、高速全息照相、軍事和醫療等方面被廣泛應用。自1986年ALCOCK首次在摻釹光纖激光器中實現調Q脈沖輸出以來［1］，調Q光纖激光器便在世界范圍內得到了廣泛的研究，調Q光纖激光器的理論和實驗都有了很大的發展［2-7］。

調Q摻鉺光纖激光器由于其運轉波長與光通訊的第三窗口(1.55μm)相一致，在光纖通信系統中獲得廣泛的應用，引起了人們的普遍重視［8-10］。在無外加調制的情況下，摻鉺光纖激光器會出現自調Q現象，產生自調Q脈沖。這種激光器中的自調Q脈沖已引起眾多學者的興趣［11-14］。BIELAWSKI等人［15］把產生自脈沖的原因歸結為:由于摻鉺光纖中雙折射的存在，光纖中兩正交偏振態在傳輸過程中通過偏振交叉飽和產生強烈耦合或轉化。而SANCHEZ等人［16］則認為，當摻鉺光纖中的鉺離子對濃度達到一定水平時，可起到一個可飽和吸收的作用而引起自脈沖運轉，并對此進行了實驗和理論的驗證，得到了令人滿意的結果。

本文中采用一段20m長的摻鉺光纖同時作增益光纖和可飽和吸收體，搭建線形腔和環形腔兩種結構的自調Q摻鉺光纖激光器，分別研究兩種腔結構下激光器的動態特性，并分析了自調Q現象的原因，實現了結構緊湊的全光纖自調Q光纖激光器。線形腔結構中，在抽運功率21mW～190mW的范圍內，獲得了脈沖寬度 8μs ～100μs范圍內可調、重復頻率 2.5kHz～54kHz范圍內可調的自調Q脈沖。環形腔中，在抽運功率 16.2mW ～110mW 范圍內，獲得了脈沖寬度165μs左右、重復頻率約為3kHz的自調Q脈沖。線形腔脈沖重復頻率穩定度優于10%，脈沖峰值功率穩定度優于5%;環形腔脈沖重復頻率穩定度優于5%，峰值功率穩定度優于11%。

1 線形腔自調Q摻鉺光纖激光器的動態特性研究

線形腔結構如圖1所示。一段20m摻鉺光纖作增益介質，1560nm光纖光柵進行選波，其反射率為99%，作為激光諧振腔的高反端。在輸出端直接采用經拋光處理的光纖端面作為耦合腔鏡，對光纖內的信號光產生約4%的菲涅耳反射。抽運源是980nm單模半導體激光器，通過一個980/1550波分復用器(wavelength division multiplexer，WDM)將抽運光耦合進激光腔內。輸出端的1550nm隔離器(isolator，ISO)是為了保證激光的單方向傳輸。

Fig.1 Structure diagram of self-Q-switched erbium-doped fiber laser with linear cavity

對線形腔結構的摻鉺光纖激光器進行了實驗。當注入的抽運功率為17mW時，達到激光器的起振閾值，由光譜分析儀觀察到有波長約為1560nm的激光產生，對應的示波器顯示為連續波，如圖2所示。隨著抽運功率的提高，輸出功率成線性增長趨勢。當抽運功率提高到21mW時，激光器連續工作狀態變得不穩定，且激光器的輸出光強呈現自脈沖行為，自脈沖波形如圖3所示。脈沖寬度為100μs，重復頻率2.5kHz。繼續增加抽運功率，在示波器中觀察到激光輸出功率出現一種類似正弦信號的波動，這種正弦波動的脈沖，其重復頻率隨抽運功率的提高而增加，寬度隨抽運功率的提高而減小，幅值有先增大后減小的趨勢，如圖4所示。圖5為重復頻率、脈沖寬度和輸出功率隨抽運功率的變化曲線圖。圖6顯示了不同抽運功率下，輸出脈沖重復頻率及峰值功率穩定度情況。在抽運功率21mW～190mW的范圍內，正弦脈沖的寬度在8μs～100μs范圍內可調、重復頻率在2.5kHz～54kHz范圍內可調。

Fig.2 Spectrogram and oscillogram of oscillating laser a—spectrogram b—oscillogram

Fig.3 Oscillogram of the self-Q-switched pulse

Fig.4 Sinusoidal graph with pump power(20μs/div)

Fig.5 Graph of repetition frequency，pulse width and output power change with pump power

Fig.6 The stability of repetition frequency and peak power with different pump power

綜上所述，隨著抽運功率的增加，線形腔結構摻鉺光纖激光器經歷了連續波、自調Q脈沖兩種運行狀態。

2 環形腔自調Q摻鉺光纖激光器的動態特性研究

環形腔結構如圖7所示。采用同線形腔中相同的20m摻鉺光纖作增益光纖，1560nm光柵進行選波，3dB耦合器的一個輸出壁作為整個激光器的輸出端，光纖環形器保證激光在腔內逆時針單向運轉。光譜分析儀、功率計、光電探測器和示波器分別用于測量激光光譜、輸出功率和脈沖序列。

Fig.7 Structure diagram of self-Q-switched erbium-doped fiber laser with ring cavity

實驗中，抽運功率為16.2mW時激光起振，同時示波器上觀察到自脈沖序列，每兩個自脈沖之間存在一個子脈沖，并在閾值附近隨著抽運功率的提高子脈沖幅度逐漸增加，如圖8所示。進一步提高抽運功率，示波器上顯示出正弦波動的脈沖。隨著抽運功率的提高幅度逐漸變小，重復頻率略微增加，脈沖寬度略微減小。當抽運功率增加到110mW時，示波器顯示連續激光輸出，如圖9所示。圖10表示環形腔脈寬、重復頻率、輸出功率隨抽運功率的變化情況，在抽運功率16.2mW～110mW范圍內，獲得了脈沖寬度165μs左右、重復頻率約為3kHz的自調Q脈沖。圖11顯示了不同抽運功率下，脈沖重復頻率、峰值功率穩定度情況。

Fig.8 Graph of self-Q-switched pulse in ring cavity with pump power

Fig.9 Sinusoidal graph of ring cavity at different pump power(200μs/div)

Fig.10 Graph of repetition frequency，pulse width and output power change with pump power in ring cavity

綜上所述，隨著抽運功率的增加，環形腔結構摻鉺光纖激光器經歷了自調Q脈沖、連續激光輸出兩種運行狀態。

Fig.11 The stability of repetition frequency and peak power with different pump power in ring cavity

3 實驗現象分析

調Q技術，即在諧振腔低Q值時，進行能量的存儲;高Q值時，將存儲的能量在極短的時間內釋放出來，形成巨脈沖。要有明顯的調Q現象，便要求諧振腔處于低損耗狀態時的Q值(Q1)相對于高損耗狀態時的Q值(Q2)有較大的變化，即Q1/Q2較大，并且Q開關的開關時間要快。

對于一根摻雜光纖在抽運不充足的情況下，同時作為增益介質和可飽和吸收體，從而出現自調Q的現象，進行理論分析如下:對摻雜光纖進行端面抽運，抽運光在摻雜光纖中傳輸時存在傳輸損耗，同時由于稀土離子的受激吸收存在吸收損耗。傳輸損耗同吸收損耗相比，可以忽略。因此，抽運光在光纖中的功率分布可以用下面的公式表示:

式中，α為抽運光在光纖中的損耗系數?？梢?，抽運光在摻雜光纖中呈指數衰減。這樣，只有在摻雜光纖的前部分，滿足g(z)＞δ(g(z)為對激光功率的增益系數，δ為對激光功率的損耗系數)時，可以作為增益介質;而后部分因為抽運不足，導致g(z)＜δ，不再作為增益介質，反而對前面增益介質中發射的激光進行吸收，且具有可飽和吸收特性。因此，抽運不充足時，就將一根摻雜光纖分為“增益介質區”和“可飽和吸收區”，出現自調Q現象?！霸鲆娼橘|區”長度L隨著抽運功率Pp的增加而增加，而“可飽和吸收區”的長度Ls隨著抽運功率Pp的增加而減小。

可飽和吸收體的初始透過率T0、初始吸收率γ0、吸收率γ可以表示為:

式中，σs為“可飽和吸收區”對信號光的受激吸收截面，ns，0為“可飽和吸收區”的稀土離子摻雜濃度，Ls為“可飽和吸收區”的長度，I0為飽和光強。

結合(1)式～(4)式，當腔內光強可以達到飽和光強時，隨著抽運功率Pp的增加，“增益介質區”的長度L變長，“可飽和吸收區”的長度Ls變短?！霸鲆娼橘|區”的長度L變長，導致腔內初始光強變大;“可飽和吸收區”的長度Ls變短，導致初始透過率T0變大，初始吸收率γ0變小。腔內初始光強的增大和初始吸收率γ0的減小，均能使吸收率γ的整個動態變化范圍變小，Q1/Q2變小且Q1/Q2→1;同時，“可飽和吸收區”的開關速度加快。

在閾值附近進行抽運時，雖然吸收率γ有足夠大的動態范圍，但由于抽運功率太小，對于損耗大的諧振腔(“壞腔”)，便需要累積足夠長的時間才能使“可飽和吸收區”飽和，開關速度過慢，由于上能級粒子壽命的制約，在未達到飽和光強之前，便將存儲的能量釋放出去，而且由于此時腔內的損耗較大，存儲的能量釋放時的腔內光強與初始光強相比也不會太大，較小的光強變化，導致Q1/Q2較小，因而調Q現象微弱，以致于觀察不出，若用示波器觀察，觀察到的是連續波運行狀態;但是在起振閾值附近，對于損耗小的諧振腔(“好腔”)，較快的腔內光子數增長速率，可以在較短的時間內漂白“可飽和吸收區”，使得上能級離子壽命不再成為限制因素，吸收率γ大的動態范圍使得Q1/Q2較大，便可呈現明顯的調Q現象。隨著抽運功率的增加，“可飽和吸收區”的開關速度加快，無論是“壞腔”還是“好腔”，上能級粒子壽命不再是制約因素，可以有效地進行能量存儲，且Q1/Q2較大，呈現明顯的調Q現象。而隨著抽運功率的進一步增加，盡管依然有“可飽和吸收區”的存在，但是初始光強很大，使得對應于初始光強的吸收率γ→0，致使Q1/Q2→1，Q值變化不大，調Q作用微弱，人眼很難辨別，若用示波器觀察，觀察到的是連續波運行狀態，而要達到這種狀態，“壞腔”相對于“好腔”需要更高的抽運功率。抽運功率再增加，使得沒有“可飽和吸收區”，諧振腔Q不變，為連續波運行狀態。

綜上所述，當抽運功率達到起振閾值后，隨著抽運功率的繼續增加，用示波器觀察輸出激光，對于“好腔”，輸出激光依次經歷了自調Q、連續波運行狀態;對于“壞腔”，輸出激光依次經歷了連續波、自調Q、連續波運行狀態，只是第2次出現連續波運行狀態所需的抽運功率比“好腔”大。

實驗中，無論是線形腔還是環形腔，在較長的摻雜光纖且抽運功率不足的條件下，都能觀察到輸出脈沖為微秒量級、重復頻率為千赫茲量級的調Q脈沖，這種現象可以歸結為可飽和吸收體的自調Q現象。在進行自調Q實驗的過程中，隨著抽運功率的增加，其脈沖重復頻率變大，脈寬變小，幅值變小。線形腔腔損耗較大，依次經歷了連續波和自調Q兩個運行狀態，由于抽運源的輸出功率和耦合條件，實驗中未能進一步增加抽運功率，因而線形腔中沒有觀察到第2次連續波運行狀態;環形腔腔損耗較小，依次經歷了自調Q、連續波兩個運行狀態。實驗所得結果同理論分析一致。

此外，線形腔和環形腔實驗中，在剛出現自調Q現象時，自調Q脈沖底座明顯，而隨著抽運功率的提高，自調Q脈沖底座不明顯，呈現正弦自脈沖形態。這主要是因為剛出現自調Q現象時，抽運功率較弱，作為可飽和吸收體的光纖段較長，需要較長的時間使其達到飽和吸收，這段時間為上能級粒子數不斷積累的過程，呈現在波形上為較長的脈沖底座。而隨著抽運功率的提高，作為可飽和吸收體的光纖段逐漸變短，使其達到飽和吸收的時間也越來越小，即上能力粒子數積累的時間較短，因此脈沖底座較小，逐漸呈現正弦脈沖形態。

線形腔與環形腔相比，有較大的自調Q范圍。是因為其諧振腔損耗較大，輸出端只有4%的菲涅耳反射(相對于環形腔50%的輸出)，腔內光子集聚數增長的速率減緩，使腔內飽和吸收體出現“飽和”所需的時間相應延長，因此第2次產生連續光輸出需要的抽運功率更大，相應的自調Q范圍也較大。此外，環形腔中自調Q脈沖的寬度幾乎不變也與腔內光子壽命有關，由于腔內激光光強的迅速增大，自調Q光纖的吸收系數較小，儲能較小，因此產生的自脈沖的寬度較寬。

4 小結

實驗研究結果證明，無論是線形腔結構還是環形腔結構，在較低的抽運功率下，摻鉺光纖激光器都可以出現自調Q脈沖，并且可以通過調節抽運功率的大小控制自脈沖;自脈沖不一定在“壞腔”(如線形腔)的激光器中才能得到，在光子壽命較長的“好腔”中(如環形腔)也能獲得自脈沖;“壞腔”的自調Q范圍比“好腔”大。綜上所述，影響摻鉺光纖激光器動態特性的主要因素有可飽和吸收效應和腔內光子壽命?？娠柡臀招绊懠す馄鞯妮敵鲂螒B;腔內光子壽命決定該輸出形態的動態范圍。

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