多模式振蕩的多波長光纖激光器

魏佳 ，張鵬 ，3，何爽 ，宮喜宇

（1.長春理工大學 空間光電技術國家與地方聯合工程研究中心，長春 130022；2.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；3.鵬城實驗室，深圳 518052）

隨著傳輸速度及傳輸容量的要求越來越高，為了進一步提高通信容量，提出了波分復用技術及空分復用技術。在同一根光纖中同時讓兩個及以上的光波長信號通過不同的信道各自傳輸，稱為波分復用技術［1］。光纖波分復用通信系統正朝著信道越來越多的方向快速發展。單模通信系統容量已經逼近了極限，無法滿足通信的要求。空間域的利用被認為是光通信中新的物理維度。近年來，空分復用技術在光纖通信和無線光通信中引起了科研人員的興趣［2］。模分復用傳輸系統以不同模式為信息載體，以少模光纖為傳輸鏈路將傳輸容量擴展多倍。

多波長光纖激光器擁有較高的光束質量，簡單緊湊，可以同時為對多個信道提供穩定的激光輸出，滿足當下對光纖系統高容量的要求。近年來，關于實現多波長輸出的光纖激光器的研究也取得了重大的成果。胡松等人［3］利用受激布里淵增益和摻鉺光纖的線性增益，在常溫下得到波長間隔0.08 nm的多波長輸出。Wang等人［4］基于偏振旋轉和四波混頻效應，采用保偏摻銩光纖和偏振控制器控制激光器的偏振模，并用400 m長的單模無源光纖增強四波混頻效果，抑制偏振模競爭實現可調諧多波長光纖激光器。周飛等人［5］實現了基于Sagnac環的環形腔結構中通過調節偏振控制器的旋轉角度來調節偏振狀態，得到波長可調諧的單雙波長光纖激光器。樊冰等人［6］使用一個四端口環行器和兩個三端口環形器設計了一種波長間隔為0.256 nm的多波長布里淵摻鉺光纖激光器。這些研究很好地實現了多波長激光輸出，但是這些方法存在結構復雜、成本較高等不足。

基于多模干涉的濾波器是種簡單且低成本的濾波實現方法，具有結構簡單、全光纖化、插入損耗低等優點，其在光纖傳感系統、光纖激光系統中的應用潛力受到了廣泛重視。這種濾波器由單模或少模光纖與漸變折射率多模光纖組成，其實現可調濾波機制非常簡單，模式之間的干擾效應使之可以用作頻譜濾波器。A.Castillo-Guzman等人［7］基于多模干涉效應的可調濾波器通過標準的環形腔制造可調諧摻鉺光纖激光器，獲得了從1 549～1 609 nm的60 nm調諧范圍，信噪比為40 dB。Selvas R等人［8］通過將一根單模光纖的一端拼接到有源雙包層光纖，將單模光纖的另一端拼接到長度為15 mm的105/125多模光纖上來實現波長調諧。使用此原理，可調諧光纖激光器顯示出8 nm的可調諧性，范圍從1 088～1 097 nm，輸出功率為500 mW。

多模光纖激光器也滿足提高通信傳輸容量的要求。近年來對多模光纖激光器的研究主要為高階模激光器及多模鎖模激光器。具有穩定橫模輸出的光纖激光器在模分復用傳輸系統上的潛在應用是人們普遍期待和研究的。研究人員對多模光纖中非線性動力學進行了深入研究，發現了一系列現象［9］。少模光纖激光器還提供了一種直接產生具有高效率和模態純度的高階模光束的新方法。他們還為研究非線性波傳播、高功率光纖激光器和隨機激光器開辟了新的方向。

使用模式選擇耦合器、少模光纖光柵、橫向偏移拼接技術、雙包層光纖［10］都能夠產生高階模式或多個模式。MAO等人［11］演示了一種插入損耗為0.36 dB基于錐形單模和雙模光纖的模式耦合器，并在1 550 nm處實現了全光纖圓柱矢量激光器。在時域上連續波、調Q和鎖模狀態之間的操作是可控的。在38～58 mW的泵浦范圍內，調Q脈沖的徑向/方位角偏振的持續時間從10.4/10.8 μs到 6/6.4 μs，鎖模脈沖的持續時間從39.2/31.9 ps到 5.6/5.2 ps。Shen 等人［12］實驗證明了一種具有LP11橫模輸出的可切換窄線寬單縱模摻鉺光纖環形激光器。激光器可以在兩個特定波長下提供LP11橫模輸出的窄線寬單縱模。每個波長的20 dB線寬約為7.2 KHz和6.4 KHz。WANG等人［13］實驗證明了兩種在激光腔內具有高階模振蕩的全少模光纖環形激光器。一種是輸出可調諧光學渦旋光束的可切換波長全少模光纖激光器。

關于多模鎖模激光器的研究也在快速發展。HAN等人［14］報道了基于光纖布拉格光柵的多模振蕩調Q摻鉺光纖激光器。實現了LP01和LP11混合模式輸出，脈沖寬度為6.2 μs，脈沖間隔為61 μs，重復頻率為 17 kHz。DING等人［15］報道了時空鎖模多孤子多模光纖激光器。實驗結果包括多模諧波鎖模和多脈沖。輸出脈沖間隔為8.2 ns，重復頻率為121.6 MHz，信噪比約為50 dB。U?UR TE?IN 等人［16］報道了第一個基于多模干涉濾波的全光纖時空鎖模激光器。該激光器在1 036 nm處產生耗散孤子脈沖，平均功率為12 mW，持續時間為6.24 ps，重復頻率為24.3 MHz。

本實驗組提出并實現使用多模干涉濾波器的基于少模摻鉺光纖的多模式振蕩多波長光纖激光器。通過調節偏振控制器實現波長的可調性。這將有助于進一步提高光纖傳輸的容量和提高對多維激光的非線性動力學的理解。

1 實驗

1.1 實驗裝置

本實驗組提出的基于少模摻鉺光纖的多模式振蕩多波長光纖激光器的實驗結構如圖1所示。此激光器采用中心波長976 nm的多模激光器（MCMPL-976）作為泵浦源提供激勵，泵浦光首先通過準直器將激光準直進空間，然后通過短波通二向色鏡后被顯微物鏡（PLL 20X）耦合進5.5 m長的少模摻鉺光纖中放大產生1.5 μm波段的光，對少模摻鉺光纖的增益譜進行測量，可發現其背向增益功率較高，因此選擇使用增益光纖的背向譜。少模摻鉺光纖連接少模漸變型光纖后與多模偏振控制器連接，偏振控制器的作用為調節諧振腔內偏振態，并實現多波長激光的產生，偏振無關光隔離器的作用為保證諧振腔內激光的單向傳輸，其兩端尾纖均為多模光纖。激光在偏振無關光隔離器的作用下，在環形腔中沿逆時針方向傳輸。一個50/50分光棱鏡，一端作為激光輸出端，另一端用于反饋經短波通二向色鏡的反射進入顯微物鏡后在腔內循環，分光棱鏡輸出端的光經準直器耦合進少模光纖后輸入到光譜分析儀（ANRITSU MS9710B）測量輸出光譜。使用光束質量分析儀（CinCam CMOS-1201-IR）觀測激光器輸出光束輪廓。

圖1 基于少模摻鉺光纖的多模式振蕩多波長光纖激光器的實驗裝置圖

1.2 少模光纖

此實驗共使用兩種少模光纖，一種是少模摻鉺光纖，另一種是漸變型無源少模光纖。所使用少模摻鉺光纖橫截面如圖2（a）所示。纖芯半徑為8 μm，該光纖為標準階躍型折射率分布，纖芯的折射率為1.445 7，包層的折射率為1.437 8。在折射率階躍型分布的少模摻鉺光纖中，通過改變鉺離子的分布實現增益均衡。該光纖中離子呈現雙層分布，光纖中鉺離子及折射率沿半徑方向的分布情況，如圖2（b）所示，光纖纖芯中部的離子濃度為 2.6×1024m-3，周圍為 4.6×1024m-3。提高纖芯外部的鉺離子濃度，是實現高階模式放大的有效途徑。根據計算，此光纖支持6個空間模式（包含簡并模），分別是 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02模式［17］。使用此少模摻鉺光纖測量的增益譜結果如圖3所示，可觀察到1 560 nm處的增益最大。

圖2 少模摻鉺光纖示意圖

圖3 多模泵浦少模摻鉺光纖正向增益譜

所使用的漸變型無源少模光纖纖芯直徑為23 μm，支持四種模式（LP01，LP11，LP21，LP02）各模式色散依次為 21.4ps/(nm?km)、21ps/(nm?km)、21.6ps/(nm?km)、22ps/(nm?km)，衰減系數 ≤0.21 dB/km。如圖4所示為實驗中使用的漸變型無源少模光纖支持的LP模式的光強分布情況。從圖中可看出光纖中各個模式的光場分布，不同模式下光場分布情況截然不同。

圖4 漸變型少模光纖中 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02空間模式光場強度的空間分布圖

1.3 多模干涉濾波器

當任意的光信號耦合進入多模光纖后，會在光纖內激勵產生若干高階模式。在多模光纖的不同位置，激勵的模式進行干涉疊加，產生不同的光能量分布，該現象被稱為光纖中的多模干涉效應。多模干涉效應與傳輸的光信號波長相關，不同波長光在同一多模光纖中多模干涉結果各不相同，基于該效應可制成全光纖濾波器。

多模干涉濾波器的濾波峰值可以通過改變多模光纖折射率、纖芯直徑、光纖長度來實現。將一段多模光纖部分纏繞在三環式偏振控制器中，通過旋轉偏振控制器的各個環改變對多模光纖施加的應力，從而改變多模光纖的有效長度，實現多模光纖濾波器透射譜波長的變化。將該多模干涉結構與少模摻鉺光纖相連，其透射譜如圖5所示，從圖中可以看出，連接多模干涉結構后光譜有明顯的變化，其中有多個波長被激發。

圖5 多模干涉結構透射譜

2 結果與討論

2.1 實驗結果變化過程

在實驗中由于偏振控制器是連續可調的，所以通過調節偏振控制器就可以使環形腔內的損耗發生改變，從而控制不同波長激光的增益與損耗。通過逐漸增加泵浦功率并調整偏振控制器，可以記錄輸出功率及其相應的狀態，輸出功率隨泵浦功率變化的曲線如圖6所示。

圖6 輸出功率隨泵浦功率變化的曲線

激光在0～2.67 W的泵浦功率范圍內未振蕩產生激光，當泵浦功率大于2.67 W時，輸出變為連續光的第一種狀態；當泵浦功率在2.9～3 W之間時，輸出變為連續光的第二種狀態；當泵浦功率在3～3.2 W之間時，輸出變為連續光的第三種狀態。由于激光腔中空間結構的存在，其中準直器和少模摻鉺光纖之間的耦合方式是通過20倍顯微物鏡聚焦后耦合進少模摻鉺光纖。聚焦后的光斑尺寸小于1 mm，明顯大于少模摻鉺光纖的直徑（16 μm），部分泵浦在耦合過程中被損耗掉。激光經過少模光纖進入多模光纖時由于纖芯直徑的差距較大，同樣會導致大量的功率損耗。因此輸出功率與泵浦功率的關系曲線的斜率效率僅為0.538%。

2.2 單波長可調諧結果及光束輪廓分析

在實驗中將輸入光功率調至2.75 W，在多模光纖濾波器透射譜峰值處得到了穩定的單波長激光輸出，通過光譜分析儀測量激光器輸出光譜，結果如圖7（a）所示。可以看到此時激光器產生的是單波長激光，少模摻鉺光纖的長度增加會使帶內吸收變強，粒子數反轉減弱引起的激光器發射波長紅移所以中心波長為1 590.4 nm，3 dB光譜線寬約為0.08 nm，邊模抑制比（SMSR）約為38.31 dB。繼續增加泵浦功率至2.85 W時保持功率不變，通過調節偏振控制器旋轉多模干涉濾波器，得到可調諧單波長激光輸出，如圖7（b）所示。

圖7 單波長激光光譜

從圖7中可以看出，此時調諧范圍為1 572.12～1 599.72 nm。但無法通過這種機械式的軸旋轉精確地控制多模光纖中的模式分布，無法得到旋轉角與波長之間的關系。光束輪廓在輪廓圖上顯示為光束能量分布，光束能量分布對應于橫向模式分布，如圖8所示為基模的光束輪廓。此時測量單波長激光的光束輪廓以圖9為例，與基模光束輪廓明顯不同，可以判斷出此時的單波長可調諧的激光中不僅含有基模光，而是多個橫向模式的混合狀態。

圖8 基模光束輪廓圖

圖9 單波長輸出光束輪廓圖

光纖激光器的一個重要指標就是穩定性，穩定性越好越能在各個領域受到廣泛應用。在輸入泵浦功率為2.85 W時，對其穩定性進行了10分鐘的測試。使用光功率計每隔30秒測量一次輸出功率，測量結果如圖10所示。從圖10中可以看出，激光輸出功率的波動范圍為±1.1 dB，其功率波動的主要原因是空間成分的耦合和環境溫度的變化。使用光譜儀每隔2分鐘測量一次光譜，測量結果如圖11所示。從圖11中可以看出由于空間耦合部分受溫度等因素影響較大，所以測得的光譜功率會有所變化，但中心波長基本保持不變。整體來看，此條件下的輸出激光較為穩定。

圖10 激光輸出特性的功率穩定性

圖11 激光輸出特性的光譜穩定性

2.3 多波長可調諧結果及光束輪廓分析

在相同的外界條件下，繼續增加泵浦功率至2.9 W時，得到了雙波長的激光輸出，保持功率不變，調節偏振控制器旋轉角度，可以獲得不同的雙波長輸出，從而實現雙波長激光的可調諧。測量四組光譜，如圖12所示。調諧范圍為1 574.24～1 598.3 nm，波長間隔分別為13.2 nm、23.3 nm、10 nm、20.76 nm。測量的激光的光束輪廓以圖13為例，與基模光束的明顯不同可以判斷出此時的雙波長可調諧的激光是多個橫向模式的混合狀態。當泵浦功率上升到3 W時，還能觀測到三波長激光，如圖14所示，通過調節偏振控制器而改變環形腔內損耗，可以觀察到不同的三波長現象，調諧范圍為1 574.54～1 599.02 nm。光束輪廓圖如圖15所示，三波長可調諧的激光中同樣為多個橫向模式混合狀態。

圖12 雙波長輸出光譜

圖13 雙波長輸出光束輪廓圖

圖14 三波長輸出光譜

圖15 三波長輸出光束輪廓圖

3 結論

使用支持六個模式（LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b，LP02）的少模摻鉺光纖作為增益介質放大產生1.5 μm波段各模式增益均衡多模光，通過少模光纖-多模光纖-少模光纖制成的多模干涉濾波器實現了單波長可調諧多模激光及多波長可調諧多模激光輸出。在2.75 W的泵浦功率時激光輸出為單波長，以某一測量實驗結果為例，其中心波長為1 590.4 nm，激光線寬0.08 nm，激光器的邊模抑制比為38.31 dB，通過調節偏振控制器的旋轉角度來調節偏振態，得到單波長可調諧范圍為1 572.12～1 599.72 nm。增加泵浦功率還可得到雙波長多模激光，調整偏振控制器實現波長可調諧，調諧范圍為1 574.24～1 598.3 nm。繼續改變功率及偏振控制器還可以得到三波長多模激光。在之后的實驗中搭建全光纖結構的多模光纖激光器將提高激光效率。對多模式振蕩多波長激光器的研究將提高人們對多維激光的時空動力學的理解。