可調諧單縱模多波長光纖激光器的研究

陳龍輝，謝 芳，郭曉蕾，郭哲燦

(北京交通大學 理學院 物理系，北京 100044)

引 言

光纖激光器因體積小、重量輕、可彎曲纏繞、成本低、抗干擾性強、抽運熒光的光譜較寬等優點，廣泛應用于通訊[1-2]、激光加工[3-6]、精密測量[7-10]、激光導航[11-12]、生物[13-16]、醫學[17-18]等領域。在精密測量領域，以激光器作為光源的激光干涉測量技術因其非接觸測量方式、高精度、高分辨率等優勢發揮著不可替代的作用。但由于激光干涉信號存在相位模糊問題，使激光干涉測量的量程限制在半波長范圍，難以對臺階高度和絕對距離進行測量。然而，在工業、科研、航空航天等領域，需要對臺階高度和絕對距離進行非接觸高精度測量。利用兩個波長的激光以及3個波長的激光參與干涉測量，能夠實現對臺階高度和絕對距離的高精度非接觸測量。為了得到足夠大的量程以及足夠高的測量精度，需要參與測量的波長之間的間隔根據被測量的大小進行調諧。雖然人們一直對多波長激光器進行研究，例如COWLE等人[19]早在1996年就提出結合受激布里淵散射效應的多波長光纖激光器的研究，以摻鉺光纖中的線性增益效應與單模光纖中的非線性布里淵增益效應為理論基礎，構建了多波長布里淵激光器；LU等人[20]于2009年提出基于啁啾莫爾光柵和半導體光放大器的多波長光纖激光器研究，利用透射梳狀濾波器實現波長選擇，但是它們仍然很難滿足相關測量要求。

針對這一問題，本文中提出并研究了能同時發出多波長單縱模激光，波長的數目和各個波長之間的間隔可以根據測量需求任意調節的多波長光纖激光器。該激光器包含多個光纖激光諧振腔，每個激光諧振腔利用摻鉺光纖作為增益介質，利用光纖光柵作為波長選擇元件。改變激光諧振腔數即可改變輸出波長數；改變光纖光柵的布喇格波長，即可改變對應諧振腔發出的激光波長值。利用光纖耦合器構成復合子腔，使得每個激光諧振腔都是復合諧振腔，從而每個激光諧振腔都輸出單縱模激光。

1 多波長單縱模光纖激光器原理

1.1 雙波長單縱模光纖激光器

雙波長單縱模光纖激光器的原理如圖1所示。980nm抽運光源發出的光經過3dB耦合器C1后被分為兩路，一路光經過波分復用器(wavelength division multiplexer,WDM)WDM1和摻鉺光纖(erbium-doped fiber,EDF)EDF1，激發出1550nm波段的熒光,此熒光經過環形器(circulator,CIR)CIR1到達光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating,FBG)FBG1。滿足FBG1布喇格波長的光被其反射回來，再次經過CIR1、3dB耦合器C2、C3和C4、1∶9耦合器C、環形器CIR3、光纖光柵FBG3、光纖隔離器(isolator,ISO)以及WDM1，又通過EDF1，光強被放大，此光經過CIR1到達FBG1，再次被FBG1反射，重復以上路徑，當增益大于損耗時，從1∶9耦合器C的一端輸出波長為FBG1的布喇格波長的激光，輸入光譜儀檢測。另一路光經過波分復用器WDM2和摻鉺光纖EDF2，激發出1550nm波段的熒光,此熒光經過環形器CIR2到達光纖光柵FBG2。滿足FBG2布喇格波長的光被其反射回來，再次經過CIR2、3dB耦合器C2、C3和C4、1∶9耦合器C以及CIR3，到達FBG3。由于FBG3的布喇格波長與FBG2的布喇格波長相同，光到達FBG3后即被其反射回來，再次經過CIR3、WDM2和EDF2，光強被放大，此光經過CIR2到達FBG2，再次被FBG2反射，重復以上路徑，當增益大于損耗時，從1∶9耦合器C的一端輸出波長為FBG2的布喇格波長的激光，輸入光譜儀檢測。

Fig.1 Diagram of dual wavelength single longitudinal mode fiber laser

3dB耦合器C3和C4的作用是構成復合子諧振腔，使每個激光諧振腔都成為復合激光諧振腔，從而使得每個激光諧振腔都輸出單縱模激光。3dB耦合器C3和C4構成3個子腔，分別是C3構成的腔長為L1的子腔、C4構成的腔長為L2的子腔，以及由C3和C4組合構成的腔長為L1+L2的子腔。

每個子腔的縱模間隔分別為：

(1)

式中，c為光速，n為光纖的折射率，L1，L2和L1+L2分別為3個子腔的腔長。

根據游標效應，子腔串聯加入激光諧振腔后，每個激光諧振腔的縱模間隔擴大為主腔縱模間隔與Δν1,Δν2和Δν3的最小公倍數。只要使每個激光諧振腔的縱模間隔不小于光纖光柵的反射譜寬，即可使每個激光諧振腔發出單縱模激光。

1.2 三波長單縱模光纖激光器

三波長單縱模光纖激光器是在雙波長單縱模光纖激光器的基礎上再增加一個激光諧振腔,其工作原理如圖2所示。分別以FBG1,FBG2,FBG3為波長選擇元件構成3個激光環行諧振腔。每個激光環行諧振腔的路徑與圖1中的激光環行諧振腔的路徑相似。

Fig.2 Schematic diagram of three wavelength single longitudinal mode fiber laser

與圖1所示系統相同，圖2中的3dB耦合器C1和C2的作用是構成復合子諧振腔，與每個激光環行諧振腔共同作用，使每個激光環行諧振腔都輸出單縱模激光。

2 實 驗

2.1 雙波長單縱模光纖激光器的研制

如圖1所示的雙波長單縱模光纖激光器中，FBG1的布喇格中心波長為1543.214nm，3dB帶寬為0.043nm，反射率為50%；FBG2的布喇格中心波長為1554.552nm，3dB帶寬為0.042nm，反射率為50%；FBG3的布喇格中心波長為1554.550nm，3dB帶寬為0.6nm，反射率為99.9%以上；EDF1和EDF2的長度約為1m。由FBG1反射的光經過FBG3時透射，在對應的激光諧振腔傳輸，當增益大于損耗時，從1∶9耦合器C的一端輸出波長為λ1=1543.212nm的激光；由FBG2反射的光經過FBG3時被反射，在對應的激光諧振腔傳輸，當增益大于損耗時，從1∶9耦合器C的同一端輸出波長為λ1=1554.552nm的激光。輸出雙波長激光由光譜儀檢測，如圖3所示。

Fig.3 Spectrum of dual wavelength single longitudinal mode fiber laser

由于兩個波長的激光分別由兩個激光諧振腔形成，每個激光諧振腔都有各自的摻鉺光纖作為增益介質，所以兩個波長之間沒有模競爭，都有穩定的功率。為了測試每個波長的功率穩定性，將兩個波長的光分開，如圖4所示。FBG4的布喇格波長與FBG1的布喇格波長相同，兩個波長的光分別透過FBG4，及被FBG4反射。

Fig.4 Power measurement of each wavelength

分別用光功率計探測兩個波長的功率，測試結果如圖5所示。兩個波長的功率變化范圍分別不超過±0.22μW 和±0.20μW，兩個波長的功率都很穩定。

Fig.5 Variations of the power of two wavelengths within 60min

利用光譜儀分別對兩個波長的波長穩定性進行測試，測試結果如圖6所示。在4h內，兩個波長值的最大變化量不大于0.01nm，波長穩定性達10-6。

Fig.6 Variations of two wavelengths within 4h

設計利用外差光纖馬赫-曾德爾干涉實驗來驗證每個波長的激光是否是單縱模。實驗系統如圖7所示，以研制的雙波長光纖激光器作為光源，聲光調制器的調制頻率為1.2MHz，將雙波長光纖激光器的兩個波長先后輸入光纖馬赫-曾德爾干涉儀。

Fig.7 Heterodyne interference verification of single longitudinal mode

當在雙波長光纖激光器的諧振腔中沒有嵌入由3dB耦合器構成的復合子腔時，探測器探測到的外差干涉信號如圖8所示。外差干涉信號的幅值不斷地變化，說明激光器同時輸出多個縱模激光，探測到的外差干涉信號是每一個縱模的外差干涉信號的疊加。

然后，在激光諧振腔中嵌入兩個3dB耦合器，兩個3dB耦合器構成3個激光諧振子腔。3個諧振子腔分別是由兩個3dB耦合器構成的腔長為L1=40mm和L2=45mm的兩個子腔，以及這兩個子腔共同構成腔長為L3=85mm的第3個子腔。此時，激光諧振腔的縱模間隔是這3個子腔的縱模間隔與激光主諧振腔的縱模間隔的最小公倍數。

Fig.8 Heterodyne interferometric signal with laser cavity without sub-cavities

3個子腔的縱模間隔分別為：

(2)

激光主諧振腔的長度為1.8m，主諧振腔的縱模間隔為Δν=c/(nL)=1.149×108Hz。激光主諧振腔的縱模間隔與3個子腔的縱模間隔的最小公倍數為6.651×109Hz，嵌入兩個3dB耦合器構成的子腔以后，激光諧振腔的縱模間隔擴大。兩個激光諧振腔的波長選擇元件FBG1和FBG2的布喇格波長的3dB帶寬約為0.043nm，對應的頻率寬為5.369×109Hz。激光縱模間隔大于波長選擇元件的反射譜帶寬，所以，激光諧振腔中只能一個縱模起振并形成激光。

將嵌入兩個3dB耦合器構成的子腔的光纖激光器作為光源，重復以上實驗，探測器探測到的外差干涉信號如圖9所示。外差干涉信號的幅值恒定不變，說明這是一個激光縱模產生的外差干涉信號。由此可知，此雙波長光纖激光器實現了單縱模輸出。

Fig.9 Heterodyne interferometric signal with laser cavity after embedding a subcavity

2.2 三波長單縱模光纖激光器的研制

在雙波長單縱模光纖激光器的基礎上再增加一個激光環行諧振腔，構成原理如圖2所示的三波長單縱模光纖激光器。在第3個激光諧振腔中，波長選擇元件FBG3的布喇格中心波長為1548.051nm，3dB帶寬為0.041nm，反射率均為55%，FBG4的布喇格中心波長與FBG3的布喇格中心波長相同，3dB帶寬超過0.6nm，反射率99.9%以上。當980nm抽運光源輸出功率約400mW時，從1∶9耦合器C的一個端口輸出三波長激光，由光譜儀檢測，如圖10所示。

Fig.10 Spectrum of three-wavelength single longitudinal mode fiber laser

同樣地，利用檢測雙波長單縱模光纖激光器各個波長的功率穩定性的方法，測試三波長單縱模激光器的每個波長的功率穩定性。測試結果如圖11所示，三波長激光的功率變化范圍分別不超過0.20μW,0.17μW,0.22μW，輸出功率非常穩定。

Fig.11 Variations of the power of three wavelengths within 60min

同樣地，利用檢測雙波長單縱模光纖激光器各個波長穩定性的方法，測試三波長單縱模激光器的每個波長的穩定性。測量結果如圖12所示。測試期間3個波長的最大漂移量均小于0.01nm，每個波長的穩定性均達10-6。

同樣地，利用與雙波長單縱模光纖激光器相同的方法，驗證了此三波長光纖激光器每個波長均是單縱模激光。

Fig.12 Variations in two wavelengths within 4h

3 結 論

提出并研究了一種能同時發出多波長激光且每個波長都是單縱模的多波長光纖激光器,其波長的數目和各個波長之間的間隔可以根據測量需求進行調節。利用光纖及光纖器件搭建多個環行激光諧振腔，該激光器實現了不同波長的激光的同時輸出。在穩定性方面，其輸出的單個波長的功率保持穩定；在4h內，各個波長的波長穩定性甚至可以達到達0.008nm。