級聯光柵結合Sagnac環的可調諧光纖激光器

趙小麗, 張鈺民， 莊 煒,， 宋言明， 駱 飛,,， 孟凡勇,,*

(1. 北京信息科技大學 光電信息與儀器北京市工程研究中心， 北京 100016;2. 合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院， 安徽 合肥 230009；3. 現代測控技術教育部重點實驗室， 北京 100192;4. 北京信息科技大學 光電測試技術北京市重點實驗室， 北京 100192)

1 引 言

多波長光纖激光器在遙感設備、光通信系統、微波以及THz波信號的產生、光纖傳感、密集波分復用系統等方面具有巨大的應用潛力，吸引了許多國內外研究學者的目光[1-3]。其中，可調諧多波長光纖激光器以其波長可調諧的突出優點，成為了近年來的研究熱點[4]。迄今為止，已經報道了多種方法實現多波長光纖激光器，如使用保偏光柵[5]、相移光柵[6]、啁啾光柵[7]、飽和吸收體[8]、光纖復合環濾波器結構[9]、馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀結構[10]、重疊光柵和啁啾光柵[11]等。

2008年，CHEN等[12]提出了一種基于線形腔結合光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating,FBG)對的單縱模雙波長光纖激光器，其中兩個FBG的所有參數一致，通過調節施加于另一個光柵上的應力，使該光柵波長與FBG對的兩個透射峰波長相匹配，得到了對應于FBG對中心波長的雙波長激光輸出，調節輸出波長間隔需要改變FBG對之間的距離和反射率。2013年，CAO等[13]在環形腔摻鉺光纖激光器的Sagnac環中插入中心波長不同的FBG對，調節偏振控制器(Polarization controller,PC)，得到室溫下可開關雙波長激光輸出，但輸出雙波長激光僅可在兩個FBG的中心波長處進行互相切換。2013年，ZOU等[14]使用雙通M-Z干涉儀結合Sagnac環作為濾波器，調節PC實現了單-雙波長可調諧光纖激光器。2015年,HUANG等[15]基于DFB(Distributed feedback,DFB)激光注入法，調節DFB激光器的運行溫度，實現了雙波長間隔可調的光纖激光輸出,在運行溫度為25 ℃時得到了雙波長激光的同時振蕩。2017年，YAN等[16]使用光纖拉錐法制作了基于聲光效應的M-Z干涉儀，在環形腔光纖激光器中通過調節射頻信號發生器的驅動功率，改變輸出波長，實現了對雙波長光纖激光器的快速調節。2018年，DING 等[17]使用Sagnac環結合兩段以45 ℃角熔接的保偏光纖，形成干涉環，調節PC，實現了波長可調諧。然而這些方法存在結構復雜、成本較高或雙波長間隔不可調以及調諧困難等問題。

本文提出了一種簡單的線形腔結構，得到了單-雙波長及波長間隔均可調諧的摻鉺光纖激光器。基于Sagnac環結合級聯FBG結構作為梳狀濾波器，在諧振腔內形成干涉濾波和激光振蕩。使用傳輸矩陣法研究了該結構的實驗原理，仿真分析了Sagnac環臂長差以及PC旋轉角度對輸出光譜的影響，并通過實驗驗證了該結構的合理性和可行性。通過調節PC，在室溫下得到了單-雙波長可調諧的激光輸出,輸出單-雙波長激光的波長范圍約為1 555.644～1 556.112 nm，雙波長間隔約為0.108～0.452 nm。和其他同類方法相比，具有結構簡單、調諧方便，易于實現且濾波精細度較高的優點，可應用于密集波分復用以及全光通信系統等領域。

2 實驗裝置及原理

2.1 實驗結構及原理分析

單-雙波長可調諧的線形腔摻鉺光纖激光器的實驗結構如圖1所示。使用峰值波長為976 nm的激光二極管(Laser diode,LD)作為泵浦光源，泵浦功率設置為110 mW，泵浦光通過980/1 550 nm的波分復用器(Wavelength division multiplexer,WDM)一端進入激光諧振腔，WDM另一端連接光纖全反鏡作為諧振腔的高反射端。由一段5 m長的摻鉺光纖(Erbium-doped fiber,EDF)提供增益，泵浦光在經過EDF放大后產生的自發輻射光通過3 dB耦合器進入Sagnac環結構，經過Sagnac環及級聯FBG的復合干涉濾波作用以及PC對腔內雙折射狀態的調節后，通過耦合器一端輸出光譜，并使用分辨率為0.02 nm的光譜儀(Optical spectrum analyzer,OSA)測量輸出信號。

其中，Sagnac環結構是由一個2×2的3 dB耦合器(分光比為50∶50)、一個用于調節腔內增益和損耗的PC以及一個用于濾波的級聯FBG組成。使用ASE光源對該Sagnac環結構的輸出光譜進行測試，測試裝置如圖2所示。ASE光源發出的光通過耦合器進入Sagnac環，分別經過環內PC和級聯FBG后由耦合器的一端輸出，并使用OSA測量輸出信號。其中，Sagnac環的兩臂長度差ΔL=L1-L2=2 mm。級聯FBG是由柵區長度相同(Lg1=Lg2=Lg3=5 mm)且間隔相等(L0=2.15 mm)的3個FBG組成，每個FBG刻制的參數相同，均由標準單模光纖(康寧SMF-28e)載氫后，再通過244 nm的氬離子激光器曝光均勻相位掩模板制作而成，掩模板的周期為1 075.860 nm，柵區長度為25 mm。為提高級聯FBG的穩定性，將其置于溫度為90 ℃的恒溫箱內退火24 h，退火后級聯FBG的光譜如圖3所示。輸出光譜由OSA(YOKOGAWA，AQ6370D)進行測量。

圖1 基于Sagnac環結構光纖激光器的實驗原理圖

Fig.1 Experimental schematic of fiber laser based on Sagnac loop structure

圖2 以ASE為光源的實驗原理圖

圖3 級聯FBG退火后的光譜圖

對該激光器的工作原理進行分析：LD通過WDM注入抽運光抽運EDF，使EDF產生自發輻射，自發輻射光經過3 dB耦合器進入Sagnac環，滿足級聯FBG反射波長的光通過級聯FBG后，由于臂長差的存在，返回到耦合器發生干涉，一部分光直接輸出到OSA中，另一部分光作為正反饋繼續在諧振腔內振蕩，如此循環往復，當諧振腔內獲得的增益大于損耗時，發射激光。

該結構實現輸出激光單-雙波長可調諧的原理為：調節Sagnac環內PC，將在該段光纖中引入應力雙折射效應，有助于分開EDF中不同模式對應的偏振態，增強偏振燒孔效應，進而抑制了EDF增益的均勻展寬現象，使非均勻展寬明顯增強，從而減小了不同模式之間的競爭，當僅有某一個模式獲得的增益大于腔內損耗時，在該模式所對應的波長處出射激光；繼續調節PC，當某兩個模式獲得的增益幾乎相同且均大于腔內損耗時，在這兩個模式對應的波長處同時獲得雙波長激光輸出。并且通過仔細調節PC，還可實現雙波長的等幅值輸出。

以ASE為光源對該Sagnac環結構的傳輸特性進行分析，如圖4所示。假設ASE光從耦合器端口1輸入(端口2輸入為0)，通過耦合器耦合后分別從端口3和4輸出兩束強度相同、傳輸方向相反的光，出射光分別經過PC和級聯FBG傳輸一周后返回耦合器發生干涉，實現相干傳輸。從端口2輸出的透射光譜進入OSA進行測量。

圖4 Sagnac環結構示意圖

基于耦合模理論[18]，使用傳輸矩陣法對上述Sagnac干涉儀結構的傳輸特性進行分析。分別將耦合器輸出端口3和4到光柵之間的光纖長度表示為L1和L2。為簡化分析，假設不考慮額外損耗，光在光纖中的傳輸模式為基模，且與光的偏振態無關。將光波通過耦合器端口i(i=1,2,3,4)的光場表示為Eit和Eia，下標t和a分別表示基于耦合器的入射光場和出射光場的方向。由于端口1為輸入端，因此有

(1)

在Sagnac環中，當光通過耦合器時的傳輸矩陣為

(2)

其中k為耦合器的耦合系數，當使用3 dB耦合器時k=0.5，則光波正向經過耦合器時的傳輸矩陣為

(3)

(4)

當傳輸光經過PC時，由于其在光纖中引入的應力雙折射效應，使傳輸光波的偏振方向隨PC 狀態的變化而改變，假設PC的旋轉角度為θ，則正向傳輸的光(順時針方向)經過PC的傳輸矩陣為

(5)

(6)

實驗中所使用的級聯光柵為3個均勻Bragg光柵相級聯而成，因此，每個FBG的傳輸矩陣相同且均可表示為[19-20]:

(7)

光在長度為Li的標準單模光纖中傳輸時，其傳輸矩陣可表示為

(8)

式中，Li(i=0,1,2)表示光纖的長度，其中L0表示FBG之間的間隔，L1(2)表示Sagnac環兩臂上光纖的長度，β=2πneff/λ為光波在光纖中的模式傳播常數，λ是光纖中所傳輸的光波波長[25-26]。

通過以上分析可知，輸入信號光通過耦合器耦合之后，在兩臂上傳輸的光場可表示為

(9)

E3a和E4a兩束傳輸方向相反的光在Sagnac干涉儀內傳輸一周后，再次進入耦合器時的光場可分別表示為E3t和E4t，由各處的傳輸關系可知[27]

(10)

根據以上分析，光波在Sagnac環中傳輸一周后再次通過耦合器耦合輸出，根據傳輸矩陣，最終得到光在耦合器端口1和2的輸出光場為

(11)

端口1的入射光功率為I1t=E1t2，端口1的反射光功率為I1a=E1a2，端口2的透射光功率為I2a=E2a2，反射率為R=I1a/I1t，透射率為T=I2a/I1t；當ΔL=0時，透射率正好是FBG的反射譜[28]；當ΔL≠0時，Sagnac環的輸出光譜受ΔL的影響，級聯FBG的干涉光譜將被分為許多窄帶通光譜，增加濾波精細度，在系統中起到梳狀濾波器的作用。PC的引入使光纖內部產生雙折射效應，可使級聯FBG形成的干涉光譜上各波長對應的增益和損耗發生變化，從而對Sagnac環輸出的干涉光譜產生影響。

2.2 仿真分析

在ASE光源下，仿真分析了Sagnac環臂長差的大小以及PC旋轉角度對輸出光譜的影響。

(1)ΔL對輸出光譜的影響

固定PC的旋轉角度θ=π/2，仿真分析Sagnac環結構中臂長差ΔL對輸出光譜的影響。取ΔL=0 mm、ΔL=2 mm、ΔL=4 mm和ΔL=8 mm，得到仿真結果如圖5所示。由圖5可知，ΔL的變化可改變輸出光譜的通帶密度，在一定的帶寬范圍內，ΔL越大，通帶越窄，光譜越密，濾波精度越高。但實際應用中考慮到檢測系統分辨率的影響，不能通過對ΔL無限增加的方法來提高濾波精度。

圖5 對于固定PC的旋轉角度，ΔL大小的變化對輸出譜的影響。(a)～(d)表示不同的ΔL值。

Fig.5 For a fixed value of the PC rotation angle, the effect of ΔLon the output spectrum. (a)-(d) denote the different values of ΔL.

圖6 對于固定的ΔL值，PC旋轉角度θ對輸出光譜的影響。(a)～(d)為PC的不同旋轉角度。

Fig.6 For a fixed value of ΔL, the effect of the PC rotation angle on the output spectrum. (a)-(d) are the different rotation angles of PC.

(2)PC對輸出光譜的影響

設置ΔL=2 mm時，改變PC旋轉角度θ，觀察其對輸出光譜的影響，取θ=π/3、θ=π/6、θ=π/10以及θ=π/20進行分析。圖6所示仿真結果為不同PC旋轉角度對輸出光譜的影響，當保持ΔL值不變時，調節PC，即改變PC的旋轉角度θ，導致光纖中的雙折射效應發生變化，改變了級聯FBG反射譜中各波長的增益和損耗，使不同波長的光增益發生變化，改變輸出光譜。

3 實驗結果與討論

在ASE光源下，測試級聯FBG結合Sagnac環結構的可行性。實驗中，調節PC至某一狀態時，使用OSA每隔3 s采集一次數據，連續采集30 min，從中選取4組數據，繪制如圖7(a)所示的輸出光譜；繼續調節PC，以相同的處理方式，得到圖7(b)。從圖7可以看出，調節PC可使輸出光譜譜形發生改變，驗證了仿真結果的正確性。這是因為Sagnac環中ΔL的存在，3 dB耦合器分出的強度相同的兩束光以相反方向通過兩臂時，由于兩臂上的兩段光纖存在長度差，產生了不同的相位延時，導致輸出的干涉光譜發生變化。而當調節PC時，在PC中的這部分光纖受力不均勻，由該應力變化引入了光的應力雙折射效應，使光波在該段光纖中傳輸時由單一入射光被分成兩束線偏振的折射光，這兩束線偏振的光在通過級聯FBG時，對級聯FBG中的干涉譜譜形產生影響，同樣會使輸出干涉譜發生變化。因此，ΔL與PC的共同作用，是導致輸出光譜發生變化的主要原因。對比于退火后級聯FBG的光譜可知，這些通帶恰好位于級聯FBG干涉譜的包絡范圍內，且光譜帶寬變窄。

圖7 調節PC時得到的輸出光譜。(a)PC為某一狀態；(b)PC為另一狀態。

Fig.7 Output spectra by adjusting the states of PC. (a) At one state of PC. (b)At another state of PC.

LD的泵浦功率為110 mW，調節PC偏振態，得到單波長激光輸出，圖8是對PC進行連續調節時得到的不同波長的單波長激光光譜。由圖8可知，調節PC，得到輸出單波長激光的波長范圍為1 555.644～1 555.992 nm，SMSR高于45 dB。

繼續調節PC，得到雙波長可調諧激光輸出，如圖9所示。輸出雙波長激光的波長范圍約為1 555.66～1 556.112 nm，雙波長間隔范圍約為0.108～0.452 nm，SMSR高于40 dB。

通過調節PC可以改變傳輸光的偏振態，增強偏振燒孔效應，從而抑制EDF增益的均勻展寬現象，使得不同偏振態的兩束光在諧振腔內獲得了不同的增益，降低了這兩束光之間的模式競爭，使得在干涉光譜的帶寬范圍內一部分光沒有達到激射閾值，因此輸出激光的波長數量及位置主要取決于PC的狀態。當且僅當某一個模式所對應的增益大于腔內損耗時，得到該模式所對應的單波長激光輸出，如圖8所示。當調節PC使兩個模式處于相互正交的偏振狀態時，兩束光之間的模式競爭最小，此時若僅有兩個模式對應的增益大于損耗，則可以同時得到這兩個模式所對應的雙波長激光輸出，如圖9所示。

為驗證輸出單波長激光的穩定性，選取波長為1 555.764 nm處的激光，測得SMSR為53 dB，在18 min 內每隔3 min 測試一次，如圖10所示。實驗測得單波長激光的波長漂移量約為0.008 nm。

圖8 不同中心波長的單波長激光輸出光譜。(a)1 555.644 nm；(b)1 555.772 nm；(c)1 555.868 nm；(d)1 555.992 nm。

Fig.8 Single-wavelength laser output spectrum with different center wavelengths. (a) 1 555.644 nm. (b) 1 555.772 nm. (c) 1 555.868nm.(d) 1 555.992 nm

圖9 不同波長間隔的雙波長光纖激光器的輸出光譜。(a)0.108 nm；(b)0.148 nm；(c)0.192 nm；(d)0.452 nm。

Fig.9 Output spectrum of dual-wavelength fiber lasers with different wavelength spacing. (a) 0.108 nm. (b) 0.148 nm.(c) 0.192 nm. (d) 0.452 nm.

在相同時間內對輸出雙波長激光的穩定性進行測試，選取輸出波長1 555.868 nm和1 556.016 nm，測得輸出雙波長的SMSR大于40 dB,且雙波長激光的中心波長漂移量均小于0.004 nm。

圖10 單波長輸出激光的穩定性測試

Fig.10 Stability test of output spectra with single wavelength fiber laser

圖11 輸出雙波長激光的穩定性測試

4 結 論

本文提出了一種結合級聯FBG與Sagnac環結構實現單-雙波長可調諧的摻鉺光纖激光器。在室溫下調節PC，改變了環內雙折射效應，抑制了EDF的均勻加寬現象，從而降低模式競爭，實現波長可調諧。本文從理論研究、仿真分析和實驗測試三方面分別驗證了該Sagnac環結構的可行性。實驗結果表明，調節PC，得到輸出激光的波長范圍約為1 555.644～1 556.112 nm，雙波長間隔范圍約為0.108～0.452 nm，SMSR均高于40 dB。在穩定性測試中，得到單-雙波長激光的波長最大漂移量小于0.008 nm。相比于類似結構的光纖激光器，該激光器具有結構簡單、單-雙波長可調諧、調諧方便且濾波精度較高等優點。