1.7μm波段全光纤掺铥宽带光源实验研究

张岩，刘显著，张鹏，王天枢

（1.长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，长春 130022；2.长春理工大学 理学院，长春 130022；3.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

1.7μm波段全光纤掺铥宽带光源实验研究

张岩1，2，刘显著1，3，张鹏1，3，王天枢1，2

（1.长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，长春 130022；2.长春理工大学 理学院，长春 130022；3.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

设计并实验实现了一种结构简单的1.7μm波段全光纤宽带光源。采用传统的线型腔结构，利用1565nm高功率半导体激光器泵浦一段单模掺铥光纤，获得了中心波长为1833nm的自发辐射光谱。由于色散补偿光纤在大于1.7μm波段有较大损耗，在腔内接入该光纤使自发辐射光谱的中心波长移动到1.7μm波段。其中，泵浦源由1565nm半导体激光器和最高输出功率33dBm的铒镱共掺放大器组成。通过优化色散补偿光纤和掺铥光纤的长度，获得了宽带光源，其中心波长在1744nm，5dB谱宽87nm。为1.7μm光纤光源设计及研制提供参考。

宽带光源；增益谱；1.7μm波段；掺铥光纤；色散补偿光纤

光纤光源因其结构简单、光谱质量好、性能稳定等特点而倍受关注［1-3］。基于单模掺杂光纤所产生的宽带光源具有方向性好，稳定性高等优点，在光学测量、光纤传感、光谱学、医学成像、光纤陀螺、气体探测等领域具有广泛的应用［4，5］。宽带光源属于放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光源，所以又称其为ASE光源。与激光相比，ASE光源无自脉冲，无弛豫振荡，无模式竞争且稳定性极高，被认为是一种宽光谱，高稳定性的光纤光源。

近几年1.7μm波段（1650～1850nm）光源因其特殊光谱性质已经成为国内外研究的热点。该波段处于水分子两个吸收峰之间的低谷，同时处于脂肪和胶原的吸收高峰，所以1.7μm波段光源在光学相干层析成像（OCT）、多光子荧光显微成像（MFLM）、激光手术等领域得到广泛应用［6-8］。在工业加工领域中，1.7μm波段覆盖了C-H共价键的吸收峰，所以该波段光源被广泛应用于聚合物焊接处理［9］。1.7μm波段高功率激光器也可作为中红外激光泵浦源来激发3～5μm波段激光［10］。另一方面，随着近年通信技术的普及与发展，网络数据量成指数式的增长，现有的通信波段日趋饱和，为此不得不探索新的技术手段来满足日益增加的通信需求。在1530～1625nm波段克服通信容量不足限制的传统方法是采用波分复用技术［11］。随着研究的不断深入，将通信波段往更长波段（如1.7μm波段）推进受到了更多研究者的关注［12］。

目前，已提出以下几种用来产生1.7μm波段光源的方法。2012年，韩国光子技术研究所的Eun Joo Jung等人等利用高功率1550nm波段ASE光源泵浦1km高非线性光纤和10km色散位移光纤，得到了1.7μm波段半高宽度为210nm的宽带光源［13］。2013年，日本名古屋大学Shutaro Ishida团队采用1550nm高功率脉冲光纤激光器泵浦高非线性光纤，实现了半峰全宽为358nm的1.7μm波段宽带光源［14］。2014年，英国南安普顿大学J.M.O.Daniel等采用1565nm激光以纤芯泵浦的方式泵浦自制的0.6m长的较短掺铥光纤，用于抑制掺铥光纤长波增益而得到1.7μm波段的增益谱［15］。通过使用掺铥光纤，并在腔内增加一定的滤波机制，如光子晶体光纤、色散补偿光纤等可得到1.7μm波段的宽带光谱［16，17］。直接泵浦铥铽共掺光纤或掺铋光纤获得1.7μm的增益谱的方法也被研究者们提出［18，19］。另一方面，运用光纤中拉曼效应，通过选择适当抽运光波长和增益介质，可有效的产生1.7μm波段的光增益［20，21］。

相关课题组虽然已经采用不同技术手段得到1.7μm波段宽带光输出，但工艺结构复杂，且成本较高，不利于研究成果的广泛应用。文中采用单模掺铥光纤和色散补偿光纤得到1.7μm波段宽带光源，很大程度上减小了实验成本和结构复杂性。通过优化掺铥光纤和色散补偿光纤的长度，获得了全光纤结构1.7μm波段ASE光谱，其中心波长在1744nm，5dB谱宽87nm。

1 实验结构与工作原理

1.7 μm波段全光纤宽带光源实验结构如图1所示。1565nm半导体激光器种子源经铒镱共掺放大器进行功率放大后由1550/2000nm波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）将泵浦光注入到一段4m长掺铥光纤（Thulium-Doped Fiber，TDF）中。1550nm隔离器用来防止反向增益光对泵浦源的损坏。掺铥光纤在1565nm处的数值孔径、截止波长、模场直径分别为0.15、1700±100nm、10.5μm。在掺铥光纤的另一端接入色散补偿光纤（Dispersion Compensating Fiber，DCF）。色散补偿光纤（YOFC DCF G.652/250）在1550nm处模场直径为5μm，衰减为0.55dB/km，色散系数和色散斜率分别为-130ps/nm·km和-0.504ps/nm2·km。色散补偿光纤作为输出端，输入到光谱分析仪（Yokogawa AQ6375）中观测其光谱，该光谱分析仪最高分辨率0.05nm。实验中所有连接均采用光纤熔接。

1565nm泵浦光在掺铥光纤内被吸收，由3F4→3H6能级跃迁产生的自发辐射光在光纤中不断被受激放大，得到放大的自发辐射光输出。因DCF中同一宽带光谱长波损耗系数高于短波，所以该宽带光源经DCF后，光谱中心波长向短波方向移动，得到了1.7μm波段的宽带光源。

图1 1.7μm波段全光纤宽带光源结构图

2 结果与讨论

对于光纤激光器系统，当泵浦功率一定时，存在一个最优光纤长度使正向增益能量最大。较长的增益光纤虽能使泵浦光吸收更充分，光谱增益更高，但会导致铥离子在光纤中的再吸收，中心波长会因此而向长波移动，不利于得到1.7μm的增益谱。为了确定系统最优增益光纤长度，本实验分别采用长度为4m和2m的增益光纤进行实验。

将EYDFA输出功率设定到33dBm，泵浦光通过WDM注入4m掺铥光纤中，得到中心波长为1833nm的正向ASE光谱图，如图2所示。

图2 泵浦功率33dBm时4mTDF的ASE光谱

为了使宽带光源的中心波长朝短波方向移动，在4m掺铥光纤的末端熔接1km DCF，在30～33dBm范围内调节放大器泵浦功率并观测光谱变化。当泵浦功率为33dBm时，宽带光源中心波长移动至1819nm，同时峰值功率下降至-25dBm，如图3a所示。在DCF中损耗随波长向长波方向移动而逐渐增加。长波损耗大于短波损耗，中心波长朝短波方向移动。中心波长随着泵浦功率的增大而保持不变，但输出功率逐渐增大，如图3b所示。所以中心波长只与DCF的长度有关，与泵浦功率无关。

图3 4m TDF和1km DCF的光谱功率变化图

由图3可知，DCF对长波部分光谱具有较强的吸收作用，使宽带光源中心波长朝短波方向移动。通过增加DCF长度能充分吸收增益谱的长波能量，从而进一步使宽带光源中心波长向短波方向移动。将放大器输出功率设定在33dBm，4m掺铥光纤末端分别接上1km、3km、7km、9km和10km长度的DCF，并测量其输出光谱及功率，依次得到了中心波长为1819nm、1785nm、1776nm、1764nm、1757nm的宽带光源，如图4a所示。实验表明，DCF对长波损耗具有累加效果，DCF长度越长，增益谱长波损耗越高，中心波长越向短波方向靠近如图4b所示，更直接表明了不同长度DCF输出功率和中心波长变化，随着DCF长度的增加，宽带光源中心波长逐渐向短波方向移动，最终当接入10km的DCF时，增益谱中心波长移动至1757nm。同时，因DCF长度增加，能量损耗增大，宽带光源峰值功率由-25dBm逐渐降低到-38dBm。

图4 不同长度DCF和4mTDF在33dBm泵浦光谱变化图

将放大器输出功率固定到33dBm，将4m掺铥光纤更换为2m，末端分别接入7km、9km、10km的DCF，观测其自发辐射谱。如图5a所示，分别得到中心波长为1764nm、1747nm、1744nm的宽带光谱。在相同泵浦功率下，对比4mTDF和2mTDF分别由7、9、10km DCF滤波后的中心波长位置，如图5b所示。在相同长度的DCF滤波下，较短的掺铥光纤，其宽带光源中心波长更靠短波方向。由于较短的掺杂光纤再吸收作用较弱，增益偏低，所以输出功率较低且增益谱型易受其他因素影响而改变。

图5 不同长度DCF和2m TDF在33dBm泵浦光谱变化图

综合以上实验结果，为了获得更靠近短波波段的宽带光源，选择2m TDF和10km DCF为本实验最优光纤长度，最终获得中心波长1744nm，峰值功率-44dBm，5dB谱宽87nm的宽带光源，如图6所示。在后续实验中，拟采用高掺杂光纤或高效率泵浦源以优化所得宽带光源输出功率和泵浦效率较低的问题。

图6 2m TDF和10km DCF在33dBm泵浦下的光谱图

3 结论

实验研究了一种1.7μm波段的全光纤宽带光源。采用1565nm高功率激光器泵浦一段掺铥光纤，利用色散补偿光纤在不同波段损耗不同的特点对增益谱进行宽带滤波，通过优化掺铥光纤和色散补偿光纤长度，得到了中心波长1744nm，5dB谱宽87nm的宽带光源。针对光源输出能量较低、泵浦效率不高的特点，课题组将在后续研究中加以改进。该宽带光源将在有机气体检测，光谱学应用等领域具有良好的应用前景。同时，也将为研制1.7μm波段激光器和放大器提供参考。

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Experimental Research of 1.7μm Band All Fiber Thulium-doped Broadband Light Source

ZHANG Yan1，2，LIU Xianzhu1，3，ZHANG Peng1，3，WANG Tianshu1，2
（1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A 1.7μm band simple structure all-fiber broadband light source is designed and achieved.The light source use traditional linear cavity，a segment of single-mode thulium-doped fiber pumped by a 1565nm high-power semiconductor laser to achieve a spontaneous emission spectrum with 1833nm central wavelength.The dispersion compensating fiber has large loss in 1.7μm band and it can make central wavelength of spontaneous emission spectrum shift to 1.7μm band.Thehigh-powersemiconductorlaserisconsisting of1565nm seed lasersourceand an erbium ytterbium co-doped fiber amplifier with 33dBm maximum output power.By optimizing the different lengths of dispersion compensating fiber and thulium-doped fiber，all-optical broadband spontaneous emission spectrum can be achieved，and the central wavelength is 1744nm，10dB spectrum width is 87nm.Provide a reference for the design and development of 1.7μm fiber source.

broadband light source；gain spectrum；thulium-doped fiber；dispersion compensating fiber

TN248

A

1672-9870（2016）05-0005-04

2016-06-01

国家自然基金（60907020）；吉林省自然科学基金（20150101044JC）；吉林省教育厅基金（吉教科字2015-77）

张岩（1992-），男，硕士研究生，E-mail:454100998@qq.com

张鹏（1985-），博士，副教授，E-mail:zhangpeng@cust.edu.cn