基于双光纤光栅法布里-珀罗滤波器的可调谐单频光纤激光器

杜　勇，刘建军

(1.集美大学 信息工程学院，福建 厦门 361021；2.九江学院 电子信息学院，江西 九江 332005)



基于双光纤光栅法布里-珀罗滤波器的可调谐单频光纤激光器

杜勇1，刘建军2

(1.集美大学 信息工程学院，福建 厦门 361021；2.九江学院 电子信息学院，江西 九江 332005)

摘要：基于游标原理，利用一对光纤布喇格光栅法布里-珀罗滤波器(FBG-FP)作为模式选择器件，设计了一种新颖的环形腔光纤激光器．从理论和实验上研究了该激光器的特性．通过对可调谐FBG-FP应力调谐，在1550.840 nm到1551.762 nm范围内，以96 pm为平均间距，获得了8个由固定FBG-FP的透射谱所确定的窄线宽稳定激光输出．实验上每隔1分钟用光谱分析仪(OSA)对输出光波长自动扫描，记录的输出光波长漂移在数皮米范围内，且功率的波动小于0.1 dB．这种可调谐的单频光纤激光器在光纤通信和光纤传感方面有潜在的应用价值。

关键词：可调谐光纤激光器；法布里-珀罗滤波器；光纤布喇格光栅；游标原理；窄线宽

由双光纤布拉格光栅构成的全光纤法布里-珀罗滤波器(FBG-FP)由于其透射谱包含一系列具有超窄线宽的传输窗口而常被用来构建窄线宽或单频光纤激光器[1-4]．为了使光纤激光器输出单一波长，文献[3]采用FBG进行波长选择，但FBG反射谱带宽较大时可能选择多个纵模，产生模式竞争造成输出不稳定的现象；另外，通过机械拉伸或温度改变用作选模的FBG中心波长存在调谐速度慢等问题[5-6]。

为获得线宽更窄的可调谐光纤滤波器，文献[7]将两个不同自由谱宽(FSR)的FBG-FP滤波器级联，基于游标原理通过调节其中一个FBG-FP使两个FBG-FP的传输谱有一个传输波长重合，实现窄线宽的选模和滤波．文献[8]将两组FBG-FP级联构成线型腔，实现了四个波长的离散调谐，但在这种线型腔方案中FBG-FP的部分反射会使激光输出不稳定和存在模式竞争问题。

本文在基于游标原理工作的FBG-FP窄线宽滤波器基础上，利用可调谐FBG-FP(Tunable FBG-FP )和固定FBG-FP(Fixed FBG-FP )级联作为波长选择器件，设计一种不同于文献[8]的环形腔结构的单频可调谐光纤激光器，并对这种方案的可行性在实验上做了验证．这种新型的单频窄线宽光纤激光器具有调谐速度快、输出波长和输出功率稳定等特点。

1理论、原理与仿真计算

1.1　可调谐和固定FBG-FP的透射谱

图1　固定FBG(图a)和可调谐FBG(图b)的测量透射谱(实线)和计算透射谱(虚线)Fig.1　Measured (solid line) and calculated (dotted line) transmission spectra of tunable FBG-FP

可调谐FBG-FP和固定FBG-FP可以通过在光纤上写入两个有一定间隔且近似相同的FBG来构造，FBG-FP的FSR由FBG的长度和两个FBG的间距所决定[9]．FBG-FP的透射谱可以利用传输矩阵法来仿真[10]．图1(a)，(b)所示(点线)为仿真出的固定FBG-FP和可调谐FBG-FP的传输谱，固定FBG-FP的参数：FBG周期536.095 nm、长度Lg=1 mm，有效折射率neff=1.448118、两个FBG的间距为7.7 mm、由于紫外刻写光栅造成的折射率直流变化系数C=0.5、调制折射率变化量Δn=4×10-4，波长扫描范围1551 nm 到1555 nm．可调谐FBG的参数：FBG周期536.095 nm、长度Lg=1 mm、neff=1.44676，两个FBG的间距为11 mm，C=0.5、 Δn=2.3×10-3 ，波长扫描范围1550 nm 到1555 nm．图1(a)，(b)所示(实线)为利用光谱仪(Ando AQ6317B)测量得到的固定FBG-FP和可调谐FBG-FP的透射谱，可以看出两个FBG-FP在1552~1553.5 nm 和1551~1554 nm范围内都有多个谐振峰，平均FSR分别为96pm和76.8pm．由图1可知：除了实测透射谱幅度略有下降外，固定FBG-FP和可调谐FBG-FP各自透射谱的实测值与仿真值基本吻合．产生此误差的原因可能是：(1)实验所用的光谱仪(Ando AQ6317B)分辨率为0.015 nm，而FBG-FP的谐振峰线宽很窄，所以难以准确分辨；(2)FBG-FP的传输谱具有波长依赖性；(3)由紫外曝光不均匀造成的FBG-FP的两个光栅的反射率不同[11]。

1.2　游标原理

图2　拉伸值为10 με(a)，27 με(b)，44 με(c)，62 με(d)时，固定FBG-FP的匹配透射峰Fig.2　Matching peak of the fixed FBG-FP when the strain value are 10 με(a)，27 με (b)，44 με(c)，62 με(d)

表1 固定FBG-FP的计算和测量透射峰波长Tab.1 CalculatedandmeasuredpeakwavelengthsofthefixedFBG-FPSequenceofpeaksTheoretical(nm)Measured(nm)11550.9711550.96821551.0731551.07331551.1751551.17841551.2711551.28351551.3731551.37061551.4691551.46671551.5651551.55981551.6581551.655

根据计算得到的固定FBG-FP和可调谐FBG-FP的FSR均值FSR1 和 FSR2分别为96和76.8 pm，即FSR1/FSR2≈5/4，因此它们级联可以构造出一个新的FSR增大、半高全宽(FWHM)减小且基于游标原理可调谐的滤波器[12]．当对FBG-FP均匀拉伸时构成FBG-FP的FBG和FBG-FP可视为具有同样的波长响应[13]．仿真由可调谐FBG-FP与固定FBG-FP级联构成的新滤波器的应力调谐情况如下：当施加于可调谐FBG-FP的应力值分别为10 με、 27 με、 44 με和 62 με时，由固定FBG-FP的透射谱的第4、第5、第6和第7个峰值所决定的新滤波器的透射谱如图2所示．固定FBG-FP的所有峰值波长记录在表1中．由图2可知，应力的变化分别为27-10=17 με，44-27=17 με，62-44=18 με，可视为对可调谐FBG-FP均匀拉伸．由计算可知对可调谐FBG-FP施加应力时，产生的波长移动为：ΔλB =1.21 pm / με ×17 με=20.57 pm，这个值近似等于两个FBG-FP自由谱宽的差值，即ΔFSR=FSR1-FSR2=97.8-76.5=20.3 pm，由此可知基于游标原理的波长调谐可实现．在图2中，除了峰值外，每隔4FSR1或5FSR2时会出现另一个较大的峰值，即旁瓣，这是由于FSR1/FSR2≈5/4的原因．通过增大构成FBG-FP的FBG的反射率或FSR1/FSR2取一定的值可以保证在特定的波长范围内只有一个峰值．当FSR1/FSR2=(N+1)/=12/11时仿真得到的传输谱如图3所示，仿真参数如下：光栅周期为535 nm，光栅长度为Lg=3 mm，有效折射率neff=1.447，固定FB-FPG中两个FBG的间距为 L1=12 mm，可调谐FB-FPG中两个FBG的间距L2=11 mm，C=0.5，Δn=1×10-3．与图2相比，在通带内只有一个峰值，旁瓣消失。

1.3　激光器的线宽

图3　两个FBG-FP的自由谱宽比值为12∶11的匹配透射谱Fig.3　The matching peak spectra of　the FSR ratio of the two FBG-FPs is about 12∶11

2实验装置

光纤激光器的结构如图4所示，Isolator1和Isolator2是两个光隔离器，保证光在环形腔中顺时针传输．泵浦激光二极管(LD)的中心波长是980 nm，980/1550 nm波分复用器(WDM)是用来将泵浦光耦合到长度为2.3 m、用作增益介质的、在980 nm处峰值吸收系数为17 dB/m的高惨杂掺饵光纤中．泵浦光经过WDM耦合进入环路，经掺铒光纤被吸收，转化成Er3+离子增益带宽内的宽带前向和后向放大自发辐射(ASE)光．其中，前向ASE光被连接在50∶50输出耦合器一臂上的FBG反射并进入腔内后再经过光隔离器Isolator2、由两个FBG-FP级联而成的滤波器、980/1550 nm 的WDM，经掺铒光纤进一步放大，并沿着顺时针方向传播，以便形成谐振，当环形腔满足增益大于损耗的正反馈的条件时便形成激光输出，可在50∶50耦合器的另一臂测量到激光．FBG闲置的一端用折射率匹配液匹配，以有效地消除端面反射的影响，使激光稳定．采用顺时针结构，是为了减小残余的980 nm泵浦光和ASE放大噪声对激光输出稳定性的影响．对可调谐FBG-FP应力调谐的装置如图5所示，可调谐FBG-FP的一端固定在一个平台上，另一端紧紧地和弹簧的一端连接，以防止大的应力导致FBG-FP断裂．为了拉伸可调谐FBG-FP，弹簧的另一端系在精密移动台上，平台和移动台的高度相同，以保证调谐的顺利进行。

图4　基于双光纤布喇格光栅-法布里珀罗滤波器的环形激光器的实验装置Fig.4　Experimental setup of the fiber ring laser based on a pair of FBG-FPs

图5　可调谐 FBG-FP的拉伸装置Fig.5　The tuning setup for the tunable FBG-FP

3实验结果

实验中，根据游标原理，通过对可调谐FBG-FP应力调谐，可得到如图6所示的透射谱．在FBG的带宽范围内、由固定FBG-FP的透射谱所决定、在1550.840 nm到1551.762 nm波长范围内、平均FSR为98 pm 的8个离散单纵模波长(output ①-⑧)．8个输出波长的平均功率为-2.12 dBm，波动在0.7 dB范围内．当泵浦光的功率为95 mW的时候，输出信号的信噪比均大于45 dB．每个单纵模波长用光谱分析仪监控15分钟，以研究激光器的稳定性．用光谱分析仪对波长为1551.370 nm的激光输出自动地以1分钟为间隔进行记录，结果如图7所示，由它可知：波长的飘移为数皮米，功率波动小于0.1 dB，可认为输出稳定．激光器8个波长得以稳定的原因可以认为他们产生于同一环形腔。

图6　可调谐激光器的透射谱Fig.6　Experimental spectra of the tunable laser

图7　激光器输出波长为1551.370 nm 时，以1分钟为间隔的单波长输出的稳定性测量Fig.7　Stability measurement of single-wavelength lasing at 1551.370 nm at 1 min interval

4结论

利用可调谐FBG-FP和固定FBG-FP构成的新颖且基于游标原理可调谐的滤波器作为模式选择器件，设计了一种单频、离散可调谐且输出稳定的环形光纤激光器．从理论和实验上研究了该激光器的特性．通过调谐在1550.840 nm 到 1551.762 nm范围内得到了以96pm为间距的8个离散可调谐波长，并研究了该激光器的稳定性．由于此激光器线宽较窄、调谐速率快且容易实现，在光纤通信和传感领域可能具有潜在的应用价值。

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Tunable Single Frequency Fiber Laser Based on two FBG-FP Filters

DU Yong1，LIUJian-jun2

(1.SchoolofInformationEngineering，JimeiUniversity，Xiamen,Fujian361021，China;

2.SchoolofElectronicEngineering，JiujiangUniversity，Jiujiang,Jiangxi332005，China)

Abstract：Using a pair of Fiber Bragg grating Fabry-Pérot filters (FBG-FP) as its wavelength-selective components based on the vernier effect，a novel single frequency fiber ring laser is proposed .We studied the characteristics of this sort of tunable fiber laser both theoretically and experimentally，and obtained 8 discretely tunable lasing wavelengths from 1550.840nm to 1551.762 nm with an average 96 pm spacing，by pulling the tunable FBG-FP.The output spectrum of the laser is specified by the transmission maximum of the fixed FBG-FP and recorded automatically by the optical spectrum analyzer (OSA) at an interval of 1 minute.It is found that the output wavelength drift within a few picometers and the fluctuation of the output power is less than 0.1 dB.This sort of fiber ring laser maybe has potential applications in optical communications and sensors。

Key words：tunable fiber laser; Fabry-Pérot filter; fiber Bragg grating; vernier principle; narrow linewidth

作者简介：杜勇 (1971—)，男，甘肃天水人，在读博士，副教授，研究方向：光电子器件研究，E-mail:duyong2001@jmu.edu.cn.

基金项目：福建省自然科学基金计划资助项目 (2013J01246)

收稿日期：2015-08-07

中图分类号：TN248.1

文献标志码：A

文章编号：1672-7010(2015)04-0024-07