基于光子晶体光纤的多波长环形激光器

房 鸿，刘文礼，，张 敏，郑婉君，杨 西，张莹莹，刘长蕊

1)西安工业大学理学院，西安710032;2)深圳大学深圳市激光工程重点实验室，深圳518060

近年来，多波长光纤激光器光源在波分复用光纤通信和光纤传感等领域受到广泛关注.目前，常温下实现多波长激光输出的技术主要包括，取样光纤布拉格光栅［1］、滤波［2-4］、锁模［5］、Fabry-Perot干涉仪筛选器［6］、双通 Mach-Zehnder干涉仪筛选器［7］及光纤非线性效应［8］等.

光子晶体光纤 (photonic crystal fiber，PCF)又称多孔光纤 (holey fiber，HF)、微结构光纤 (micro-structured optical fiber，MOF)，其包层包含许多沿轴向延伸的微小空气孔，利用其对光的约束实现导光.1992年英国Bath大学的Russell等［9］指出这是2维光子晶体中最重要的应用之一，并于1996年在实验室拉制成功.光子晶体光纤和传统光纤相比，具有光波导设计灵活、低损耗、高非线性和可控色散［10］的新型光学特性，因此引起研究者的极大兴趣.高非线性光子晶体光纤 (high nonlinear photonic crystal fiber，HNL-PCF)由于其高的非线性系数，逐步应用于光纤激光器中.多波长光纤激光器常使用高非线性光子晶体光纤与多模光栅［11］、采样频率啁啾光纤光栅［12］或带前置放大器的线性腔结构［13］等耦合而成.然而，报道的多波长光纤激光器，其结构相对复杂，不利于应用，设计一种结构简单、操作方便且成本低的多波长光纤激光器成为研究重点.

本研究提出一种基于光子晶体光纤的环形腔结构多波长激光器，通过调节偏振控制器(polarization controller，PC)实现掺铒光子晶体光纤(erbiumdoped photonic crystal fiber，ED-PCF)的多波长输出，并利用高非线性光子晶体光纤的四波混频(four-wave mixing，FWM)效应抑制掺铒光子晶体光纤的模式竞争，最终在常温下实现稳定的多波长输出.输出的双波长激光最大功率波动低于1.1 dB，三波长激光的波长间隔等间距为2.26 nm，且最大功率波动均低于1.6 dB.该激光器具有结构简单、操作方便、多波长个数可切换、波长间隔等间距及激光输出功率稳定等特点，在光纤传感方面具有潜在的应用价值.

1 实验

本文所研制的多波长环形激光器结构如图1.使用波长为980 nm的半导体激光器作为泵浦源，最大输出功率为300 mW.通过工作波段在980/1 550nm的波分复用器耦合连接进入环形腔，泵浦长度为9 m的掺铒光子晶体光纤，之后通过一根长20 m的普通单模光纤或高非线性光子晶体光纤 (如图1中的①和②).然后，通过偏振相关隔离器及偏振控制器.偏振相关光隔离器的偏振损耗和隔离损耗分别为35 dB和25 dB，它既能起到起偏器的作用，又可以保证光路单向传输.偏振相关隔离器和偏振控制器用来改变激光腔内的偏振态，并保证激光单向运转.最后，通过10∶90光纤耦合器，90%的信号光继续沿环形腔传输，10%的信号光作为激光输出.利用光谱仪进行探测，所用光谱仪型号为AQ6370B，量程为600～1 700 nm，分辨率为1 nm.

图1 本实验装置示意图图1 Experimental diagram of multi-wavelength erbium-doped fiber ring laser

所用掺铒光子晶体光纤的包层包含7层空气孔［8，14］，模场直径为 3.34 μm，数值孔径为 0.143，铒离子的质量分数约为0.1%.高非线性光子晶体光纤具有5层空气孔，包层和纤芯直径分别为122 μm 和 4.6 μm.

光子晶体光纤中四波混频效率与其非线性系数、色散及长度等因素有关，四波混频参量增益g为

其中，γ为光纤的非线性系数;p0为泵浦功率;r=2(p1P2)1/2/(p1+p2)，p1和p2为入取泵浦功率;κ为有效相位失配.可见，g与γ成正比，高的非线性系数有利于提高四波混频的转化效率.

另外，四波混频的相位匹配条件为

其中 ，ω1、ω2、ω3和 ω4分别为4个光波的角频率，传播常数βi=niωi/c;ni是折射率，i=1～4;c为真空中的光速.

如果两个泵浦源在频率、偏振态和空间模式上不可区分时，产生四波混频增益的相位失配范围为

其中，γ和 p0文献［15］已给出，Δβ近似为［16-17］

这里，ω1为泵浦波角频率;ωZ为零色散角频率;Δω=ω1－ω3为泵浦波与信号波的角频率差;ω3为信号波的角频率;SZ=∂D/∂λ是光纤零色散波长处的色散斜率，D为λZ附近的色散参量.由式 (2)和式(3)可得

可见，信号和泵浦间的角频率Δω决定了带宽，带宽与SZ成反比，SZ越小，得到的有效波长转换的频率范围越宽.可见，色散也会影响四波混频的产生.

在一定范围内，受激布里渊散射 (stimulated Brillouin scattering，SBS)的阈值与光子晶体光纤的长度成反比，SBS的发生会降低四波混频的效率.因此，为了提高四波混频的效率，应选用长度较短的光子晶体光纤.

所用高非线性光子晶体光纤在980 nm波段的色散系数与非线性系数分别为 －20 ps/(nm·km)和12(W·km)－1.综上因素，实验采用长度为20 m的高非线性光子晶体光纤.

2 结果与讨论

本实验未引入高非线性光子晶体光纤，即图1中仅使用①光纤时，通过调节偏振控制器，输出双波长激光，图2为每隔5 min，用光谱仪连续扫描采集10次的双波长3维图.可见，双波长激光的波长分别在1 557.12 nm和1 559.36 nm处，其间隔为2.24 nm.图3为双波长激光的功率波动图，其中，波长为1 557.12 nm激光在10次扫描中，最大功率波动为2.79 dB，而波长1 559.36 nm激光为1.71 dB.可见，两个波长的波动都较大，主要是由于铒离子自身的增益均匀展宽造成激光模式竞争所引起.

图2 普通光纤组成的环形腔激光器实现双波长输出光谱图Fig.2 The graphic model of the double wavelength output of the fiber ring laser with single fiber

图3 普通光纤环形腔激光器双波长输出功率波动曲线Fig.3 The laser output power fluctuations of the double wavelength output of the fiber ring laser with single fiber

为了得到稳定的双波长激光输出，实验加入一段长为20 m的高非线性光子晶体光纤，利用其高非线性效应来稳定波长.图4为实验产生的双波长激光输出光谱图，记录方式同前.2个波长分别位于1 554.49 nm和1 559.48 nm，波长间隔为4.99 nm.相比结构①，其波长间隔增加一倍，而且降低了掺铒光子晶体光纤模式竞争的影响.

图5为双波长的稳定性测试曲线，1 554.49 nm激光在10次扫描中，功率波动最大值为1.1 dB，而1 559.48 nm激光为0.89 dB，波长稳定性得到明显提高.

实验中，利用结构①，通过调节偏振控制器，产生如图6的三波长输出，3个波长激光的位置分别在1 556.28 nm、1 558.60 nm和1 560.78 nm处，其间隔约为2.32 nm.图7为三波长激光的功率稳定性测试曲线，3个波长的功率波动最大值依次为4.7、4.3和2.8 dB.三波长激光功率不稳定，同样是由于铒离子的自身增益均匀展宽造成的激光模式竞争所导致.

图4 高非线性光子晶体光纤环形腔激光器双波长输出光谱图Fig.4 The graphic model of the double wavelength output of the fiber ring laser with high nonlinear photonic crystal fiber

图5 高非线性光子晶体光纤环形腔激光器双波长输出功率波动曲线Fig.5 The laser output power fluctuations of the double wavelength output of the fiber ring laser with high nonlinear photonic crystal fiber

图6 普通光纤环形腔激光器三波长输出光谱图Fig.6 The graphic model of the three wavelength output of the fiber ring laser with single fiber

图8 为环形腔结构②中所产生三波长激光光谱图.其3个波长分别位于1 555.04 nm、1 557.32 nm和1 559.59 nm，波长间隔为2.26 nm.

图7 普通光纤环形腔激光器三波长输出功率波动曲线Fig.7 The laser output power fluctuations of the three wavelength output of the fiber ring laser with single fiber

图9 为环形腔结构②的三波长激光功率稳定性曲线，产生的3个波长在10次扫描中的功率波动最大值分别为1.60 dB、1.08 dB和1.60 dB.可见，加入20 m高非线性光子晶体光纤后，所产生的激光的功率稳定性得到明显提高.

图8 高非线性光子晶体光纤环形腔激光器双波长输出光谱图Fig.8 The graphic model of the three wavelength output of the fiber ring laser with high nonlinear photonic crystal fiber

图9 高非线性光子晶体光纤环形腔激光器双波长输出功率波动曲线Fig.9 The laser output power fluctuations of the three wavelength output of the fiber ring laser with high nonlinear photonic crystal fiber

结 语

本文研制一种基于光子晶体光纤的多波长环形激光器.通过调节偏振控制器，分别产生双波长和三波长激光.由于掺铒光子晶体光纤的模式竞争效应，使产生激光的功率波动较大，因此，通过引入20 m的高非线性光子晶体光纤，改善激光输出的稳定性，使双波长输出时最大功率波动不超过1.1 dB，三波长输出时不超过1.6 dB，波长间隔等间距为2.26 nm.

/References:

［1］LIU Yan-ge，YUAN Shu-zhong，KAI Gui-yun，et al.Stable room-temperature multi-wavelength lasing realization in ordinary erbium-doped fiber loop lasers［J］.Optics Express，2006，14(20):9293-9298.

［2］Dawson J W，Park N，Vahala K J.Co-lasing in an electrically tunable erbium-doped fiber laser［J］.Applied Physics Letters，1992，60(5):3090-3092.

［3］Takahashi H，Toba H，Inoue Y.Multiwavelength ring laser composed of EDFAs and an arrayed-waveguide wavelength multiplexer［J］.Electronics Letters，1994，30(1):44-45.

［4］Miyazaki T，Edagawa N，Yamamoto S，et al.A multiwavelength fiber ring-laser employing a pair of silica-based arrayed-waveguide-gratings［J］.IEEE Photonics Technology Letters，1997，9(7):910-912.

［5］Kim S K，Chu M J，Lee J H.Wideband multiwavelength erbium-doped fiber ring laser with frequency shifted feedback［J］.Optics Communications，2001，190(1):291-302.

［6］O'Riordan C，Connelly M J.Multiwavelength actively mode-locked fiber ring laser with a dispersion compensated cavity［J］.Optics Communications，2010，283(9):1865-1868.

［7］WANG Fei，ZHANG Xin-liang，YU Yu，et al.82-channel multi-wavelength comb generation in a SOA fiber ring laser［J］.Optics ＆ Laser Technology，2010，42(2):285-288.

［8］CHENG Jian-qun，RUAN Shuang-chen.Tunable and switchable multi-wavelength Erbium-doped photonic crystal fiber ring laser incorporating a length of highly nonlinear photonic crystal fiber［J］.Optics Communications，2011，284(21):5185-5188.

［9］Knight J C.Recent progress of photonic crystal fibers［C］//Optical Fiber Communication Conference.Baltimore(USA)，2000，3:98-100.

［10］GUO Yuan，RUAN Shuang-chen.Analysis on the dispersion properties of photonic crystal fiber with an air-hole defect core［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2010，27(4):386-390.

［11］Feng X H，Tam H Y，Wai P K A.Switchable multiwavelength erbium-doped fiber laser with a multimode fiber Bragg grating and photonic crystal fiber［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2006，18(9):1088-1090.

［12］Liu X M，Chung Y，Lin A，et al.Tunable and switchable multi-wavelength erbium-doped fiber laser with highly nonlinear photonic crystal fiber and polarization controllers［J］.Laser Physics Letters，2008，5(12):904-907.

［13］MohdNasir M N，Yusoff Z，Al-Mansoori M H，et al.On the pre-amplified linear cavity multi-wavelength Brilliounerbium fiber laser with low SBS threshold highly nonlinear photonic crystal fiber［J］.Laser Physics，2009，19(10):2027-2030.

［14］CHENG Jian-qun，RUAN Shuang-chen，GUO Chun-yu，et al.Narrow linewidth Erbium-doped photonic crystal fiber laser［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2011，5(28):400-404.

［15］Agrawal G P.Applications of Nonlinear Fiber Optics［M］.3rd ed.New York:Springer-Verlag，2002:389-436.

［16］Zhang A，Demokan M.Broadband wavelength converter based on four-wave mixing in a highly nonlinear photonic crystal fiber［J］.Optics Letters，2005，30(18):2375-2377.

［17］Marhic M，Kagi N，Chiang T，et al.Broadband fiber optical parametric amplifiers［J］.Optics Letters，1996，21(8):573-575.