光纤环路移频反馈激光器及放大器增益的研究

李 晨，张海洋*，赵长明，张立伟,2，杨苏辉，杨宏志

(1.北京理工大学 光电学院 电子科学与技术系， 北京 100081; 2.中电科海洋信息技术研究院有限公司， 北京 100041)

引 言

近年来，移频反馈激光器(frequency shifted feedback, FSF)以其独特的时频特性，被研究应用在锁模激光[1-2]、激光线宽测量[3]、泰伯效应[4]、实时光域傅里叶变换[5]、啁啾[6]等诸多方向。移频反馈激光通常是在常规F-P腔[7-9]或者环形腔[10-12]内加入移频器(如声光调制器)，激光每次通过其都会发生频率的改变。通过控制反馈环路的增益，该激光可以输出多次移频后的拍频信号，其频率间隔由移频器的调制频率决定。当移频器的调制频率与反馈腔长满足一定关系时可以产生类似锁模体制的超短脉冲[13-20]。

作者通过在光纤环路中插入光纤放大器与声光调制器，设计出一种基于声光移频和光纤放大的频移反馈激光。通过注入1064nm波长的单频激光，在环路中实现了基频的拓展，通过控制光纤放大器(或增益)，研究了增益对各阶次谐波相对强度的影响。同时，建立了激光外差相干理论模型，通过耦合器传输效率矩阵对实验进行理论分析，推导出受放大增益系数影响的输出电场公式。最后，实验验证了放大增益系数对频谱中各阶次谐波相对强度的影响。

1 实验原理

1.1 实验装置

采用声光调制-光纤放大的光纤环路移频反馈激光器实验装置如图1所示。该装置由连续激光器、声光调制器(acousto-optic modulation，AOM)、光纤放大器(ytterbium-doped fiber amplifier，YDFA)、光探测器、2×2光纤耦合器组成。波长为1064nm连续激光由输入端1注入2×2光纤耦合器，经由输出端口2输入声光调制器，声光调制器调制频率fAO，入射的激光经由声光调制器发生+1级衍射，衍射光由光纤放大器放大后，再经由输入端口2进入耦合器，部分光由输出端口2输出，端口2接探测器进行探测。输出端口1与输入端口2间形成环路，激光不断在环路中发生频移调制，由端口2输出频率间隔一致(fAO)的移频反馈激光，即实现了光学频率梳。

Fig.1 Experiment device of fiber loop frequency-shifted feedback lasers of acousto-optic modulate and fiber amplification(CW laser—continuous wave laser; AOFS—acousto-optic shifter)

1.2 理论分析

设矩阵[tij]是耦合器的分光比，tij为其矩阵元，Ein是输入的电场，Eout是输出的电场，则输入的电场Ein与输出的电场Eout之间满足公式：

(1)

因为光纤组成一个闭合环路，则环路入射到耦合器的光场满足公式:

Ein,2(t)=γEout,2(t-τ)exp[i2πfAO(t-τ)](2)

由(1)式可以得到：

Eout,2(t)=t12Ein,1(t)+t22Ein,2(t)(3)

将(2)式代入(3)式，则可得：

Eout,2(t)=t21Ein,1(t)+

t22γEout,2(t-τ)exp[i2πfAO(t-τ)](4)

公式展开如下：

将(5)式代入(4)式，可得:

Eout,2(t)=t21Ein,1(t)+

t21t22γEin,1(t-τ)exp[i2πfAO(t-τ)]+

t21(t22γ)2Ein,1(t-2τ)exp[i2πfAO(t-2τ)]+

t21(t22γ)3Ein,1(t-3τ)exp[i2πfAO(t-3τ)]+

…(6)

(6)式整理可得：

exp[i2πfAOp(t-τ)]exp[-iπfAOp2t](7)

实验中需要对输出端1的输出电场进行探测，即Eout,1，且由于输入端1的输入电场Ein,1易于测量。根据(2)式和(7)式，Eout,1(t)可写为：

Eout,1(t)=t11Ein,1(t)+t12Ein,2(t)=t11Ein,1(t)+

t12γEout,2(t-τ)exp[i2πfAO(t-τ)](8)

如果入射电场Ein,1为连续波，其能量为Pin，则满足:

exp[i2πfAO(p+1)(t-τ)]×

2 实验及仿真分析

2.1 实验结果与讨论

当入射激光器功率为40mW、声光调制器调制频率为200MHz、光纤环路光程约为27.90m、光纤放大器的输出功率为30mW时，移频反馈激光的拍频功率谱分别如图2a所示，其频谱由一串频率间隔相同的谐波组成，相邻谐波的频率间隔为200MHz,最高阶谐波频率为2.4GHz。

为了研究不同增益系数(即参量G)对频谱中各谐波强度和最高阶谐波的影响，调节光纤放大器的输出功率分别为50mW，70mW，80mW,其功率谱如图2b～图2d所示。随着输出功率的增大，最高阶谐波的频率也随着提高。同时可以发现，部分谐波存在着明显的抑制现象，即均低于左右两边的谐波，这是由于反馈腔内激光干涉时的相互抵消导致。

Fig.2 Relationship between power spectral density and frequency under different powers

a—30mW b—50mW c—70mW d—80mW

2.2 仿真结果与讨论

由于实验中采用光纤放大器的输出功率为控制参量，为了更加深入的研究频移反馈激光的相关特性，理论中采用更为普遍的增益系数G作为控制变量，数值仿真增益系数G对拍频频谱的影响。当G分别取值G=1.6，G=2.4，G=2.6，G=2.8时，功率频谱密度如图3a～图3d所示。通过对比可以发现，实验与仿真结果相吻合，具有较高一致性。同时由图3a～图3d对比可以观察，随着G的不断增大，各阶次谐波的强度也发生了较大的变化;增益系数越大，最高阶的谐波阶次也越高。因此，光纤放大器的引入有效地实现了基频的拓展，为实现信号的频谱上变换提供了一种有效的方法。除此之外，各阶次频率的相对强度也具有一定规律。以1GHz拍频为例，从图中可以明显发现其强度明显低于左右两边谐波的高度，这是由于激光在反馈腔内外差干涉时的相互抵消作用，尤其表现在当G=4时，1GHz整数倍的谐波明显低于左右两边。同时，受探测器的最大带宽3.5GHz的限制，实验中无法观察到更高阶次的谐波。

Fig.3 Relationship between power spectral density and frequency under different power gainG

a—G=1.6 b—G=2.4 c—G=2.6 d—G=2.8 e—G=4

3 结 论

通过声光调制-光纤放大的光纤环路，得到了一个不断移频放大的频率梳式激光器，并对其理论进行了研究。吻合较好的实验及仿真结果说明，光纤放大器的增益对频谱图的波形具有一定的影响。后续的实验若能通过选择性能更优越的探测器或在实验装置中添加衰减元件来解决探测器峰值功率及其增益带宽的问题，对移频反馈激光器的选频问题则具有一定的意义。

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