基于偏振依賴多模-單模-多模光纖濾波器的波長間隔可調諧雙波長摻鉺光纖激光器*

彭萬敬 劉鵬

1)(中國工程物理研究院應用電子學研究所,高能激光科學與技術重點實驗室,綿陽 621900)

2)(邢臺學院物理與電子工程學院,邢臺 054001)

1 引 言

光纖激光器自誕生以來便憑借其所特有的窄線寬、高信噪比、結構緊湊、散熱性好等優點而快速得到市場的認可[1,2].其中,雙波長摻鉺光纖激光器由于在毫米波生成、光纖傳感、高精度干涉測量、波分復用通信系統以及高分辨率光譜學等領域的應用而受到越來越多的研究者的重視[3?6].由于摻鉺光纖所固有的均勻展寬特性極易導致模式競爭[7],因此要想獲得室溫下穩定的雙波長摻鉺光纖激光輸出比較困難.為此,人們相繼提出了多種雙波長摻鉺光纖激光器的實現方案.目前,在諧振腔中引入濾波器件是人們常用的方法,常見的濾波器件包括保偏光纖光柵[8,9]、級聯光纖光柵[10]、重疊光纖光柵[11?13]、基于光纖光柵的塞格納克干涉儀[14]、法布里-珀羅濾波器[15,16]、馬赫-曾德爾干涉儀[17,18]等.在上述雙波長摻鉺光纖激光器的實現方案中,大多數輸出的雙波長是固定的,少數幾種方案可支持幾種不同的雙波長輸出,但每一種的波長間隔也是固定的.近年來,由于具有波長間隔連續可調諧特性的雙波長摻鉺光纖激光器在毫米波生成、微波光子濾波器以及多參量激光傳感等焦點領域具有廣闊的應用前景,使得該環節的研究成為熱點.目前已提出了一些實現方案,諸如:引入兩個獨立的可調帶通濾波器實現對光源縱模輸出的選擇[19],借助溫度或應力實現對諧振腔中光纖光柵中心波長的調諧[20?23],借助體光柵實現波長間隔的可調諧[24],利用馬赫-曾德爾干涉儀的聲光效應實現調諧控制[25]等.

上述幾種方案在實施過程中通常需要借助溫度或應力對諧振腔內的濾波器件進行調諧,而這些過程一方面會增加操作的難度,另一方面所需附加的分立元件會加大腔內損耗,使得系統的復雜度加大,不利于系統集成.

本文提出了一種新型的雙波長摻鉺光纖激光器設計方案,該方案可實現波長間隔連續可調諧的雙波長激光輸出,該激光器的核心器件為偏振多模-單模-多模(polarization-maintaining multimodesingle-mode-multimode,PD-MSM)光纖濾波器,具有全光纖結構,無需其他分立光學元件,無需附加溫度或應力調節,連續調諧過程僅需通過對腔內信號的偏振態控制即可實現,連續間隔可調諧范圍達到3 nm,調諧過程中雙波長信號均保持穩定單偏振輸出,功率穩定,易于系統集成.

2 PD-MSM光纖干涉濾波器

如圖1所示,PD-MSM光纖濾波器主要由兩段完全相同的多模光纖(multimode fiber,MMF)與一段偏振保持光纖(polarization-maintaining fiber,PMF)組成.多模光纖兩端熔接有普通單模光纖(single-mode fiber,SMF),構成兩個全同的單模-多模-單模(single-mode-multimode-singlemode,SMS)光纖模式轉換器,左側的 SMS 模式轉換器外側SMF負責信號光導入(Lead-in),右側的SMS模式轉換器外側SMF負責信號光導出(Lead-out),位于中間的PMF通過與兩個模式轉換器內側的SMF熔接后構成完整的光纖濾波器.

圖1 PD-MSM 光纖濾波器結構示意圖Fig.1.Structure of PD-MSM filter.

PD-MSM光纖濾波器的工作原理源自傳輸中纖芯模式與包層模式之間的干涉作用.兩個全同的模式轉換器分別用于模分器與合模器的功能,左側的模式轉換器負責將Lead-in SMF纖芯中的單模信號激發為MMF纖芯中的多模信號,右側的模式轉換器負責將MMF纖芯中的多模信號耦合至Lead-out SMF纖芯中以單模方式輸出.兩段MMF之間的SMF與PMF除去涂覆,信號光以纖芯模式與包層模式同時傳輸,構成干涉濾波的基礎,同時由于PMF引入的雙折射,使得光纖濾波器整體具有偏振依賴特性.

圖2為五種不同的SMS模式轉換器的模式激發比例(分別對應5種不同的MMF長度).由于SMF與MMF是對軸熔接的,且SMF基模具有圓對稱性,因而MMF中耦合激發的模式主要是LP0n模,圖2中取前 12 階 LP0n模.h為模式轉換器中起始由SMF輸入的LP01模到輸出激發模式LP0n模的歸一化激發系數,|η|2為對應的歸一化功率系數.實驗中所用MMF數值孔徑為0.20,芯包直徑為 49/125 μm;所用 SMF數值孔徑為 0.13,芯包直徑為8.2/125 μm.由于測試中光纖長度的截取精度在 0.1 mm以內,因此這里選取的MMF 對比長度為 1.1—1.5 mm.由圖2可見,在保持纖芯LP01模式具有較高激發比的情況下,MMF長度為1.3 mm時模式轉換器所激發的LP02模式和 LP03模式達到最大,此時 LP03與LP01模式的激發比最為接近并明顯高于其他所有模式.當模式轉化器內SMF中的LP01模和所激發的某一個包層模的激發比數倍高于其他模式時,整個MSM光纖濾波器近似于一個雙臂馬赫-曾德爾濾波器,因而具有較均勻的透射譜.

圖2 五種不同 SMS 模式轉換器的前 12 階 LP0n 模模式激發系數Fig.2.Normalized excitation coefficients of the first 12 LP0n modes with five different SMS mode converters.

圖3給出了以上模式轉換器構成的MSM光纖濾波器透射譜的傅里葉空間頻譜,模式轉換器之間的光纖長度為58 mm.為方便對比,圖3中嵌入了兩種MSM光纖濾波器的透射譜,左上圖為采用1.5 mm長MMF的模式轉換器構成的MSM光纖濾波器的透射譜,右下圖為采用1.3 mm長MMF的模式轉換器構成的MSM濾波器的透射譜.由圖3可以看出,采用 1.3 mm 長度 MMF 的模式轉換器構成的MSM光纖濾波器具有更均勻的透射譜周期,這有利于達到PD-MSM制作的光譜一致性.

圖3 MSM 濾波器的空間頻譜Fig.3.Spatial frequency spectra of MSM filter.

如圖1所示,PD-MSM結構中插入一段實驗室自制的 PMF,纖芯雙折射B0為 6.8×10–4,其在結構與折射率分布方面與SMF光纖一致,兩者之間的模式耦合很弱,可以不予考慮.由于PMF自帶的雙折射效應,使得快慢軸方向(x,y方向)上的光存在一個長度相關相移 ??.當近似于一個雙臂馬赫-曾德爾濾波器時,PD-MSM的x或y方向上的透射光譜為

其中s=x或y,ηn為模式轉換器中由Lead-in SMF中的LP01模激發到SMF中的LP0n圓對稱包層模的激發系數,βn與βn,s分別為LP0n模在SMF和PMF中的傳播常數,LSMF與LPMF分別為PD-MSM兩段MMF之間SMF的總長度和PMF的長度.

當??=?y??x為π時,PD-MSM濾波器在x方向的透射譜峰值剛好對應y方向的谷值,即僅x偏振光能夠高透,反之亦然.因此PD-MSM濾波器對于特定波段具有起偏作用,在此條件下PMF的長度應滿足:

式中?βv,y和?βv,x分別為PMF中LP0v模在x,y方向的傳播常數差,Bv為PMF中激發的主要特征包層模式的雙折射.由此可見,PD-MSM濾波器中PMF的長度取值LPMF與兩端MMF之間的間距無關,僅與特征傳輸模式的雙折射有關.由于在PMF中,包層模式的雙折射無法通過有限差分束傳播法直接計算得到,因而在實驗中通過直接測試長度為lS的PMF對光譜偏移?λ的貢獻(LPMF=lS·FSR/?λ)確定PMF的長度取值,計算得到LPMF為1.5mm,對應以上模式轉換器激發的特征包層模式的雙折射Bv為1.63×10–4.圖4所示為光纖激光器實驗中所用PD-MSM濾波器單偏振態下的透射譜,SOP1與SOP2分別對應x偏振態和y偏振態(states of polarization,SOP),相應的自由譜域(free spectral range,FSR)在 6.3 nm 左右.所用 PMF長度 1.5 mm,兩段 MMF長度均為1.3 mm,MMF 間距 58 mm.

圖4 PD-MSM 光纖濾波器透射譜Fig.4.Transmission spectra of the PD-MSM filter.

3 實驗方案

圖5為所設計的雙波長摻鉺光纖激光器結構示意圖.采用環形腔結構,腔內PD-MSM光纖濾波器提供濾波功能,并確保信號的偏振依賴特性;980 nm抽運光(pump)通過波分復用器(wavelength division multiplexer,WDM)注入環形腔;摻鉺單模光纖(erbium-doped fiber,EDF)提供C波段光信號的增益;光纖偏振控制器(polarization controller,PC)對腔內信號的偏振態提供連續控制;C波段光纖隔離器(isolator,ISO)確保激光信號在環形腔內的單向傳輸;環形腔內的激光通過一個 9 :1 的單模光纖耦合器(optical coupler,OC)輸出;輸出信號由 YOKOGAWATM公司AQ6375 型光譜分析儀(optical spectrum analyzer,OSA)進行測量,OSA 的分辨率為 0.05 nm.

圖5 間隔可調雙波長摻鉺光纖激光器結構示意圖Fig.5.Schematic setup of the proposed continuously spacing-tunable dual-wavelength EDFL.

4 實驗結果與分析

圖6為穩定輸出時的雙波長摻鉺光纖激光器輸出光譜圖,此時的注入抽運功率為50 mW(閾值功率為 20 mW).在 PC的調節下,諧振腔內各波長的增益得到合理控制,實現系統穩定的雙波長激射,輸出波長分別為 1544.82 與 1545.61 nm,波長間隔為0.8 nm,相應的邊模抑制比均高于45 dB,同時雙波長信號的峰值功率差控制在1 dB以內(圖6(a)).連續測試(測試時間:50 min,測試次數:10次)的結果顯示,雙波長輸出的峰值功率波動控制在0.7 dB以內,系統輸出穩定性良好(圖6(b)).

圖6 摻鉺光纖激光器輸出(a)雙波長輸出;(b)輸出穩定性測試Fig.6.Output of the EDFL:(a)Dual-wavelength lasing output;(b)output stability test.

實驗測試發現,在腔內PC控制下,系統不僅能獲得穩定的雙波長激光輸出,而且還可實現雙波長間隔的連續可調諧.圖7所示為系統雙波長間隔連續調諧的測試光譜,其中包含了兩個連續切換的雙波長輸出過程.保持抽運功率50 mW不變,調節腔內PC,雙波長間隔連續發生變化.當兩激射波長的峰值功率差控制在1 dB以內時,最大可獲得0—1.2 nm的調諧范圍,當峰值功率差控制在10 dB 以內時,最大可獲得 0—1.6 nm 的調諧范圍,1.2—1.6 nm 的調諧區段,雙波長輸出峰值功率差隨波長間距同步增大,調諧過程的測試光譜見圖7(a)(調諧Ⅰ).在腔內 PC 的持續調節下,雙波長輸出中短波長信號停止諧振,同時激發出在1547.8 nm附近的長波長信號(圖7(b)最前端紅色譜線右側支),系統依舊保持雙波長輸出,并且波長切換的過程是連續變化的.重復相應的調諧過程可獲得1.6—3 nm的最大調諧范圍,調諧過程的測試光譜見圖7(b)(調諧Ⅱ).在調諧Ⅰ與調諧Ⅱ的整體過程中,系統可提供0—3 nm的波長間隔連續可調節輸出,若將該雙波長摻鉺光纖激光器用于毫米波生成,將不僅能獲得穩定的毫米波信號,而且還可實現輸出毫米波信號頻率的連續可調諧.

圖7 雙波長輸出波長間隔連續調諧過程(a)調諧Ⅰ,0?1.6 nm;(b)調諧Ⅱ,1.6?3 nmFig.7.Continuously spacing tuning of the dual-wavelength output:(a)Tuning Ⅰ,0?1.6 nm;(b)tuning Ⅱ,1.6?3 nm.

將系統雙波長調諧輸出光譜與PD-MSM光纖濾波器透射譜相比較,可掌握波長間隔連續調諧的具體細節,如圖8所示.圖中紅、藍虛線對應PDMSM光纖濾波器兩相互正交偏振態的透射曲線,黑色實線與綠色虛線為調諧過程中的穩定雙波長輸出光譜.圖8(a)對應調諧Ⅰ過程,起始時,兩激射信號分別位于PD-MSM光纖濾波器兩正交偏振透射譜線交疊波長兩側(圖8(a)黑色實線),隨著波長間隔加大,逐漸遠離交疊波長位置(圖8(a)綠色虛線),調諧過程中雙波長輸出信號的移動范圍保持一致.圖8(b)對應調諧Ⅱ過程,圖中綠色虛線為調諧狀態切換后的雙波長輸出起始位置,短波長信號位于PD-MSM光纖濾波器兩正交偏振透射譜線交疊波長右側,長波長信號位于其中一偏振態的峰值波長附近,隨著波長間隔加大,雙波長信號相向移動,調諧過程中短波長信號的移動范圍明顯大于長波長信號,波長間隔接近最大值3 nm時,短波長信號基本與PD-MSM光纖濾波器兩正交偏振透射譜線的交疊波長一致(圖8(b)黑色實線).

圖8 雙波長輸出調諧過程(對比 PD-MSM 光纖濾波器透射譜)(a)調諧Ⅰ;(b)調諧ⅡFig.8.Comparison between the transmission spectra of PD-MSM filter and spacing tuning of the dual-wavelength output:(a)Tuning Ⅰ;(b)tuning Ⅱ.

為進一步了解系統的整體輸出特性,設計了兩種測試方案(Test 1,Test 2)用于測試雙波長輸出的偏振態細節,如圖9所示.Test1用于檢測兩波長激射信號的偏振正交特性,系統由PC、偏振分束器(polarization beam splitter,PBS)以及 OSA組成.Test 2用于檢測每個激射信號的偏振穩定性,系統由可調帶通濾波器(tunable bandpass filter,TBF)與偏振分析儀(polarization analyzer,PA,Agilent 8509B)組成.

圖9 激光輸出偏振態測試系統Fig.9.Schematic of laser output polarization testing.

Test 1中,將輸出雙波長激射信號注入測試系統,信號先經過PC后再進入PBS,而后分出的兩路信號由OSA進行測試.測試過程中,首先調節PC,確保將雙波長激射信號中的任一信號的偏振態調至與PBS某輸出端的線偏振態保持一致,然后分別測試PBS兩輸出端的信號光譜.圖10為調諧過程中PBS兩端口輸出光譜的測試結果,圖中所示波長分別為調諧Ⅰ、調諧Ⅱ過程中的代表波長,Port1與Port2分別對應PBS的兩個不同輸出端口.圖10(a)對應調諧Ⅰ過程,可以看出,兩端口輸出雙波長激射信號的偏振消光比(polarization extinction ratio,PER)均高達 35 dB,這說明輸出的兩信號分別位于相互正交的兩個偏振態上,此時摻鉺光纖激光器的雙信號激射輸出不僅可以從波長上加以區分,還可以從偏振態上區別開來.圖10(b)對應調諧Ⅱ過程,可以看出,Port1輸出雙波長信號的PER達到24 dB,而Port2輸出雙波長信號的PER只有6 dB,這說明輸出的兩信號的偏振態并非相互正交.此時摻鉺光纖激光器的雙信號激射輸出,可以從波長上加以區分,但無法從偏振態上進行識別.

圖10 偏振態測試系統 1 輸出(a)調諧Ⅰ;(b)調諧ⅡFig.10.Output of Test 1:(a)Tuning Ⅰ;(b)tuning Ⅱ.

Test 2中,將雙波長激射信號注入測試系統,首先信號通過TBF濾波器得到其中的一個波長,然后利用PA觀察該波長信號的偏振穩定性.測試時間為20 min,保持常溫常壓及無振動測試環境,圖11為調諧過程中相應的測試結果,圖中所示波長分別為調諧Ⅰ、調諧Ⅱ過程中的代表波長.圖11(a)和圖11(b)對應調諧Ⅰ過程,圖中顯示輸出信號的測試結果均位于Poincare球的赤道與兩極之間,因而為典型的橢圓偏振光,且相互正交.圖11(c)和圖11(d)對應調諧Ⅱ過程,圖11(c)中信號顯示為橢圓偏振光,而圖11(d)中信號的測試結果靠近Poincare球赤道附近,表現出良好的線偏振特性.通過對比可以看到,Test 2 的測試結果與 Test 1的測試結果是相符合的.長時間掃描結果顯示所有信號的偏振態均保持十分穩定,漂移很小,并且偏振度(degree of polarization,DOP)測量結果均近似為 1(DOP >1 情況源自設備系統誤差),整體輸出表現出良好的單偏振特性.

圖11 偏振態測試系統 2 輸出(a),(b)調諧Ⅰ;(c),(d)調諧ⅡFig.11.Output of Test 2:(a),(b)Tuning Ⅰ;(c),(d)tuning Ⅱ.

5 結 論

提出了一種新型的PD-MSM光纖濾波器結構,該濾波器集濾波與偏振保持特性于一體,將其用于摻鉺光纖激光器系統設計,成功實現了0—3 nm波長間隔連續可調諧雙波長激光輸出,輸出雙波長信號的邊模抑制比達到45 dB.系統輸出的偏振態測試結果顯示,該雙波長摻鉺光纖激光器在調諧全程中均保持穩定的單偏振輸出,最大偏振消光比可達35 dB.該激光器為全光纖型激光器,性能穩定,便于系統集成.