基于薩格納克環與光柵的雙波長光纖激光器

劉志發，馮顯良，伍秋明，左毅鋒，葉敏妍，陳振杰，成建群*

（佛山科學技術學院光電子與物理學系，廣東佛山，528000）

基于薩格納克環與光柵的雙波長光纖激光器

劉志發，馮顯良，伍秋明，左毅鋒，葉敏妍，陳振杰，成建群*

（佛山科學技術學院光電子與物理學系，廣東佛山，528000）

報道一種基于保偏光纖的薩格納克環與級聯的光纖布拉格光柵的雙波長摻鉺光纖激光器，該激光器采用簡單的線性腔結構，所用的薩格納克環擔當了梳狀濾波器，光柵組構成了波長選擇器件；在偏振燒孔的作用下，通過調整偏振控制器，激光器能夠輸出5種不同的激發模式，其中，雙波長2種，單波長3種；所有的激發線具有小于0.3nm線寬，大于24dB的光學信噪比；同時，該激光器展示了較好的波長與峰值功率穩定性。

雙波長；保偏光纖；布拉格光柵；薩格納克環

0　引言

各種形式的多波長光纖激光器近些年來引起了人們極大的研究興趣，主要是因為這種光纖激光器在許多領域具有非常重要的應用，比如：光纖傳感系統，密集波分復用光通信系統，光譜測試儀器等。

為了實現穩定的多波長激光輸出，人們提出了不同的設計方案，楊秀峰等人使用雙相移點相移光柵作為波長選擇器件實現了三波長激光輸出；基于雙芯光纖濾波器和非線性偏振旋轉效應的多波長摻鉺光纖激光器也得到了報道；基于3個光纖布拉格光柵提出了一種波長可開關的多波長激光輸出；采用多信道取樣光纖光柵實現了可調諧的多波長激光輸出； 多波長光纖激光器中半導體光放大器（SOA）也得到了應用； 利用非線性偏振旋轉效應實現了多波長激光輸出。

在這篇論文中，我們提出了一種新型的采用簡單線性腔結構的雙波長摻鉺光纖激光器，并在室溫下得到了實驗驗證，其中設計的保偏光纖薩格納克環擔當了梳狀濾波器，級聯的光纖布拉格光柵構成了波長選擇器件，在二者的協同作用下，獲得了5種不同的激光輸出模式，并且不同模式間可以靈活地互相切換輸出。

圖1　激光器結構示意圖

1　實驗

我們設計的可切換的雙波長摻鉺光纖激光器的結構如圖1所示，該激光器采用前向泵浦方案，使用簡單的線性腔結構，由一個薩格納克環與4個級聯的光纖布拉格光柵（FBGs）構成。該光纖光柵由深圳市暢格光電有限公司制造，具有高的穩定性和可靠性，采用優異的切趾技術，對光纖光柵進行了很好的邊角修飾，每個光纖光柵的長度約3mm，反射率為70%，邊模抑制比≥10dB。

右環由一個分光比為50:50的光纖耦合器（3-Db FC）熔接一個擠壓式的偏振控制器（PC）與一段熊貓型的保偏光纖（PMF）構成，該保偏光纖由烽火通信科技股份有限公司所設計制造，烽火銳光保偏光纖產品是專為光纖陀螺（FOGs）和偏振敏感器件設計的特種光纖，采用熊貓型結構（Panda），其包含完美而對稱的“雙圓形”應力單元，纖芯與貓眼中心三點一線，為高偏振串音提供了可靠性技術保障；同時，自行設計并制備的全合成深摻雜硼棒，可以靈活設計并制備不同拍長的保偏光纖。圖1中顯示的熊貓型的保偏光纖具有 1290 到 1520 nm的截止波長，6.5微米的模場直徑，偏振串音≤-30dB@1550nm/100m。

一個單模的激光二極管（LD）具有460-mW 的最大輸出功率與980-nm 的中心波長，被用作該激光器的泵浦源。980nm的泵浦光通過980/1550nm 波分復用器（WDM）耦合進諧振腔泵浦一段單包層，單模的高摻雜的摻鉺光纖（EDF）。這種高摻雜的摻鉺光纖由加拿大fibercore有限公司制造，屬于IsoGainTM系列產品的I-25型號， 它在980 nm波段的吸收系數是 27 dB/米，比普通的摻鉺光纖的吸收系數（約3dB/米）要高得多，高吸收意味著高增益，使得該激光器可以做到微型化，可以很好的滿足未來的發展需要。

2　結果與討論

該光纖激光器遵循的工作原理如下：諧振腔中的偏振控制器用來改變諧振腔中傳輸光的偏振態，并可以連續調節右環中保偏光纖的雙折射，因此產生了偏振相關的損耗并誘導出偏振燒孔效應。最后，通過調整不同波長的增益與損耗，達到控制不同激發線的數目；同時，左環中的級聯的光纖布拉格光柵也是波長選擇器件；因此，輸出的波長數被二者共同控制。

實驗中，在 380-mw的泵浦功率下，我們通過細心地調整偏振控制器后，從級聯的光纖布拉格光柵左端輸出的激光被一臺最小分辨率為0.05 nm的光譜分析儀（日本生產）測量。最后，可以獲得5種不同的激發輸出模式，他們彼此之間能夠相互切換，被依次顯示在圖2 - 6中。

同時，激發線的峰值功率與波長穩定性也得到了精確測量。

圖2　可切換的雙波長輸出譜

該光纖激光器具有2種不同的雙波長輸出模式，如圖2所示。其中，雙波長 （a）的2個激發線分別位于1559.4 nm 與 1560.7 nm，并具有1dB的峰值功率差異。雙波長（b）的2個激發線分別位于1558.4 nm 與1559.7 nm ，也具有 1 dB的峰值功率差異。這表明該激光器具有較好的功率均勻性。所有的雙波長激發線都具有小于0.2 nm的3-dB線寬與大于25 dB的光學信噪比，相鄰的線寬均相同，約1nm.

雙波長（b）的5次重復掃描譜如圖3所示，可以測得1558.4 nm 與 1559.7 nm兩條激發線的波長變化在25分鐘內分別達到0.2 nm 與 0.4 nm，這顯示該激光器在室溫下具有較好的波長穩定性。

圖3　雙波長（b）的5次重復掃描譜

圖4　雙波長峰值功率的穩定性測試

雙波長（b）隨時間的穩定性在實驗中得到了測定，結果顯示在圖4中。對于2條激發線，25分鐘內在1558.4 nm 的最大峰值功率變化是3 dB ，1559.7 nm的最小峰值功率變化僅有 1 dB。

圖5　可切換的單波長輸出譜

最后，通過細心調整偏振控制器，我們還獲得了3種不同的單波長輸出模式，如圖5所示。單波長（c） 的激發線具有1559.1nm的中心波長與 0.2 nm 的3-dB線寬，并具有大于33 dB的光學信噪比。單波長 （d）的激發線具有 1558.5 nm 的中心波長， 0.2 nm的 3-dB線寬以及大于24 dB的光學信噪比。單波長（e）的激發線具有1557.9 nm的中心波長，0.3 nm的 3-dB線寬與大于 24 dB的光學信噪比。

3　結論

我們設計了一種新型的波長可切換的雙波長摻鉺光纖激光器，并在室溫下得到了實驗驗證，該激光器使用了一種基于保偏光纖基的薩格納克環與4個級聯的光纖布拉格光柵。實驗中，這個薩格納克環擔當了一個梳狀濾波器，同時級聯的光纖布拉格光柵擔當了一個波長選擇器件，通過使用偏振燒孔效應，該激光器能夠靈活地切換輸出5種較為穩定的、不同波長的激光輸出。

［1］ 楊秀峰，方秀麗，童崢嶸等，基于相移光柵的多波長摻鉺光纖激光器的實驗研究［J］，中國激光，2012，36（9）：0602012-1-4

［2］ 馮素春， 任文華，陳曼雅等，基于雙芯光纖濾波器和非線性偏振旋轉效應的多波長光纖激光器［J］，中國激光，2014，41（6）：0605006-1-6

［3］ 匡芬，波長可開關多波長光纖激光器的研究［D］，碩士學位論文，2012：1-50

［4］ 沃江海，孫琪真，沈平等，可調諧多波長摻鉺光纖激光器［J］，紅外與激光工程，2011，40（12）：2354-2357

［5］ 紀鵬宇，基于半導體光放大器的多波長光纖激光器的優化設計［D］， 碩士學位論文，2014，1-48

［6］ 江天府，在ITU 波長上的多波長光纖激光器［J］，光學技術，2012，38（4）：470-472

［7］ 楊秀峰，董鳳娟，童崢嶸等，利用非線性偏振旋轉效應的可調諧多波長光纖激光器［J］，紅外與激光工程，2012，41（1）：53-57

［8］ 丁波，張躍進，一種新型可調諧多波長光纖激光器的研究與設計［J］，光通信技術，2013，（3）：5-7

成建群，1976年生，男，湖南祁陽，助理研究員，博士研究生，研究方向：光纖傳感用的多波長光纖激光器。

Dual wavelength fiber laser with fiber grating based on Sagnac ring

Liu Zhifa，Feng Xianliang，Wu Qiuming，Zuo Yifeng，Ye Minyan，Chen Zhenjie，Cheng Qun *
（Department of Optoelectronics and physics， Foshan University，Foshan，528000，Guangdong）

This paper reports a polarization maintaining fiber Sagnac loop and cascaded fiber Prague grating dual wavelength erbium-doped fiber laser based on linear cavity structure is simple by using the laser，using sagnacring as comb filter，grating group constitutes a wavelength selector；the polarization hole burning effect，through adjusting the polarization controller，laser can output 5 different excitation modes，the dual wavelength single wavelength of 2， 3；all excitation lines with less than 0.3nm width is greater than 24dB，the optical signal-to-noise ratio；at the same time，the laser wavelength and the peak power showed good stability.

dual wavelength；fiber Prague grating；Sagnac ring

感謝廣東大學生科技創新培育專項資金資助（項目編號pdjh2016b0525）廣東省省級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號201611847108）